La scienza forense nella diversità

Doppmann estrae un pennarello e annota la temperatura, la data, l'ora e la posizione del campione. Dà un'ultima occhiata al filtro. Non riconosce se contiene qualcosa, non ancora. Solo in laboratorio i tre scopriranno se il filtro contiene il materiale genetico di organismi viventi. Perché è questo che cercano, come gli scienziati forensi della serie televisiva "CSI: Miami".

Pietra rotolante

I ricercatori sfruttano il fatto che ogni organismo vivente secerne materiale genetico, cioè molecole di DNA, nell'ambiente, che sia nelle feci, nelle scaglie di pelle, nel muco o nelle cellule. Le molecole finiscono nel suolo, nell'acqua, nei sedimenti di un lago o sui rami di un albero. Anche le particelle sospese nell'aria contengono tracce di materiale genetico.

L'idea dei ricercatori è quella di estrarre le molecole di DNA dai campioni ambientali e analizzarle componente per componente. Utilizzando sofisticati programmi informatici, gli scienziati confrontano poi le sequenze di DNA trovate con quelle contenute nei database di riferimento e con le specie o i gruppi di organismi a cui appartengono. In questo modo i ricercatori ottengono informazioni sugli organismi che potrebbero essere presenti in una determinata area.

Sebbene il metodo non sia nuovo, è diventato sempre più popolare negli ultimi anni. I primi tentativi di identificare i batteri utilizzando il loro DNA da campioni di acqua e suolo risalgono alla fine degli anni '80. Tuttavia, solo nel 2008 gli scienziati europei sono riusciti a individuare il DNA di una rana in un campione d'acqua. Tuttavia, solo nel 2008 gli scienziati europei sono riusciti a rilevare il DNA di una rana in un campione d'acqua. Questo ha dato impulso al campo della ricerca.

Infine, le nuove tecnologie per il sequenziamento rapido e completo del DNA hanno ispirato gli scienziati che lavorano sul DNA ambientale, come Kristy Deiner, professore di DNA ambientale al Politecnico di Zurigo. ? lei a dirigere il gruppo che comprende Anish Kirtane, Cátia Pereira e Zora Doppmann.

Dal 2015, i sequenziatori ad alto rendimento vengono utilizzati di routine per analizzare il DNA ambientale. Questi dispositivi sono in grado di decodificare rapidamente miscele non selezionate contenenti milioni di molecole di DNA diverse in una sola analisi. "In passato, dovevamo separare ogni singolo filamento di DNA dagli altri e purificarlo prima di poterne analizzare la sequenza", ricorda Deiner. "La rivoluzione tecnica ha davvero dato il via alle danze".

Economico e veloce

I tre ricercatori hanno portato i loro campioni in laboratorio. Ora Pereira e Doppmann sono in piedi nella camera bianca. Con le loro tute protettive bianche, sembrano astronauti. Kirtane osserva i suoi colleghi attraverso un vetro mentre trattano il cotone filtrante e lavano il materiale contenente DNA con delle soluzioni. Poi puliscono i campioni e li preparano in modo che la soluzione contenga solo DNA.

"Dobbiamo evitare a tutti i costi la contaminazione dei campioni", spiega lo studente del Master Doppmann. Anche un piccolo pezzo di DNA proveniente da loro stessi o dall'esterno potrebbe rendere i campioni inutilizzabili. Per questo motivo i ricercatori devono prima passare attraverso un blocco del vuoto e poi indossare le loro tute protettive. Solo ora possono entrare nella camera bianca. Questo richiede tempo. Anche l'aria che viene pompata nella camera bianca viene filtrata. Di notte, la luce UV brucia, decomponendo le molecole di DNA introdotte involontariamente. Le superfici devono essere pulite con candeggina dopo ogni esperimento.

Lavorare con materiale genetico proveniente dall'ambiente sembra complesso e costoso perché richiede un'infrastruttura di laboratorio sofisticata, sostanze chimiche speciali e strumenti costosi. Tuttavia, il nuovo approccio è più veloce ed economico rispetto ai metodi tradizionali, che richiedono la raccolta e l'eventuale uccisione degli organismi per identificarne la specie. "L'analisi del DNA ambientale, invece, non è invasiva. Nessun animale o pianta viene danneggiato quando estraiamo il loro DNA da campioni di acqua o di terreno", spiega Deiner. E infine, ma non meno importante, i ricercatori hanno bisogno solo di piccolissime quantità di DNA per identificare una specie.

Anche prelevare campioni è facile. La Deiner e il suo team vogliono trarne vantaggio. In un progetto che inizierà presto e per il quale la professoressa dell'ETH ha ottenuto una sovvenzione di avviamento ERC, vuole aprire la ricerca con il DNA ambientale. Oltre ai professionisti, al progetto partecipano anche ricercatori dilettanti di tutto il mondo. Il 22 maggio 2024, in occasione della Giornata mondiale della biodiversità, preleveranno campioni d'acqua da 1.200 laghi di tutto il mondo, filtreranno l'acqua in loco e invieranno i filtri al Politecnico di Zurigo per l'analisi. Qui il DNA verrà estratto, decodificato e confrontato con i dati di riferimento. "Questo è un ottimo esempio di progetto di citizen science", sottolinea Pereira, che coordina il progetto e partecipa alle analisi.

Uno degli obiettivi è identificare il maggior numero possibile di specie e confrontare la composizione delle specie nei diversi siti di raccolta. I ricercatori stanno anche studiando se un sistema di monitoraggio basato sul DNA ambientale sia fattibile su scala globale. In cambio del loro impegno, i partecipanti riceveranno l'accesso ai dati e le informazioni sulle specie rilevate nei loro campioni.

Zuppa di alfabeti sullo schermo

Dopo essersi tolti le tute protettive, i ricercatori prendono i campioni e si spostano al Centro per la diversità genetica, due piani più in basso. In una delle stanze c'è una scatola poco appariscente: una delle costose macchine per il sequenziamento. "Una volta scesi qui, non ci è permesso tornare nella camera bianca, anche se abbiamo dimenticato qualcosa. Quindi dobbiamo pianificare bene il processo", dice Cátia Pereira.

Sfiora con l'indice lo schermo di fronte a lei. Il computer ha estratto le sequenze di DNA da un precedente campione d'acqua. Il documento mostra infinite sequenze delle stesse quattro lettere A, C, G e T, che rappresentano i quattro elementi costitutivi del materiale genetico. Un confronto con i dati di riferimento ha mostrato a Pereira che una delle sequenze può essere assegnata a un albero, il platano, e un'altra a un'ortica. Altre sequenze non hanno un nome. "Al momento non possiamo dire di quale specie o gruppo si tratti", afferma la ricercatrice. Ci sono ancora diverse lacune nei database di riferimento. I ricercatori dell'ETH sperano quindi che un giorno altri ricercatori elaborino sistematicamente i dati di riferimento dei genomi di un'ampia varietà di organismi e li conservino in banche dati pubbliche.

Tuttavia, Pereira è convinto che il metodo del DNA ambientale cambierà radicalmente il modo in cui la scienza registra la biodiversità. L'approccio non sostituirà i metodi convenzionali. "L'approccio del DNA ambientale li integrerà. Gli esperti di tassonomia ed ecologia sono ancora importanti, perché un elenco di specie ha senso solo nel contesto del rispettivo habitat".