DNA ambientale: la nuova frontiera per lo studio della biodiversità

Come dice il nome, il DNA ambientale (o eDNA) non è altro che l’insieme di molecole di DNA presenti in matrici ambientali come acqua, sedimento e aria.

Tutti gli organismi sono in grado di disperdere costantemente DNA nell’ambiente sotto forma di muco, feci, cellule della pelle e gameti. Non solo, il DNA può derivare anche dalla morte degli organismi stessi!

Fasi dello studio sul DNA ambientale

Lo studio dell’eDNA si articola in tre fasi (Figura 1):

  • La fase di campionamento, ossia la raccolta dei campioni ambientali;
  • La fase in laboratorio dove si analizzano i campioni raccolti;
  • E la fase di elaborazione dei dati ottenuti (bioinformatica).
Figura 1 -  Fasi dello studio dell'eDNA: campionamento, in laboratorio (estrazione del DNA, amplificazione mediante PCR e sequenziamento) e elaborazione dati [Fonte: sciencedirect. com]
Figura 1 – Fasi dello studio dell’eDNA: campionamento, in laboratorio (estrazione del DNA, amplificazione mediante PCR e sequenziamento) e elaborazione dati [Fonte: sciencedirect. com]

Campionamento del DNA ambientale

La componente campo consiste nella raccolta di campioni da acqua, sedimento o aria tramite bottiglie, carote o recipienti di contenimento. Una volta raccolti, i campioni sono conservati per l’estrazione del DNA. Questa fase campionaria è molto importante e complessa. Vediamo insieme perché.

Come già sappiamo l’organismo rilascia DNA nell’ambiente. Dopo di che le correnti, le maree o il vento lo trasportano verso altre direzioni. Durante questo percorso, la concentrazione di eDNA diminuisce con la diffusione fino a quando non può più essere rilevato. Anche:

  • La biologia degli organismi;
  • La temperatura, la salinità, il pH, la torbidità e le radiazioni UV;
  • E anche i microrganismi.

Sono fattori che possono influire sulla permanenza del DNA nell’ambiente.

Per questo motivo è fondamentale campionare correttamente soprattutto tenendo conto della matrice ambientale scelta. Ad esempio, il DNA si degrada e si disperde più facilmente in mare a causa della diluzione in grandi volumi d’acqua e a causa di fattori abiotici (correnti marine, maree e salinità). Di conseguenze è bene tenere in considerazione questi aspetti quando si campiona matrici di acqua di mare.

Sicuramente, futuri confronti metodologici insieme a metodi tradizionali (es. pesca con corrente elettrica) sono necessari per lo studio dell’eDNA per migliorare le successive analisi in laboratorio e al computer.

Analisi dell’eDNA in laboratorio

Il DNA ambientale consente il riconoscimento di singole specie (es. invasive o a rischio di estinzione) e soprattutto lo studio della diversità delle specie per un determinato gruppo tassonomico (es. pesci).

Tale approccio, chiamato eDNA metabarcoding, utilizza geni target generalisti per l’identificazione tassonomica. I geni più utilizzati sono:

  • il gene mitocondriale COI definito “codice a barre”, poiché rappresenta il gene per eccellenza per il riconoscimento delle specie. Infatti, ogni specie ha un suo “codice” che la identifica;
  • il 12S e il 16S, ossia geni ribosomiali mitocondriali ad alto tasso evolutivo;
  • e infine geni codificanti proteine come la citocromo b.

I suddetti geni vengono prima amplificati mediante PCR per ottenere un numero elevato di copie e successivamente sequenziati.

Per il sequenziamento, si applicano le tecniche di seconda e terza generazione per lo studio della diversità delle specie. Le metodiche più conosciute sono: Illumina, PacBio e Nanopore (Oxford Nanopore Technologies).

Elaborazione dei dati

Le nuove tecniche di sequenziamento del DNA ambientale consentono l’analisi simultanea di milioni di sequenze. Queste ultime vengono analizzate tramite l’uso di software e programmi bioinformatici (es. OBITools) e confrontate con database di sequenze di riferimento per l’assegnazione tassonomica (riconoscimento delle specie). I database di riferimento sono disponibili su banche dati come NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore). Infine, dai dati finali si ricavano informazioni sulla diversità delle specie e sullo stato dell’ecosistema.

Conclusioni

Nel prossimo decennio il DNA ambientale diventerà lo strumento di indagine ottimale per lo studio della biodiversità poiché ad oggi consente di analizzare un enorme set di dati per l’identificazione di numerose specie. Di conseguenza, grazie al suo studio sarà possibile attuare piani di gestione e conservazione per la salvaguardia delle specie autoctone e il rilevamento delle specie invasive.

Fonti

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