Экологическая ДНК: Как инструмент для обнаружения исчезающих видов помог в борьбе с пандемией COVID-19

Представьте, что вы обнаружили вид животного, который считался вымершим, — не увидев его. Так произошло с бразильской лягушкой Megaelosia bocainensis, исчезнувшей в 1968 году, но вновь обнаруженной в 2020 году благодаря новой генетической методике.

Это стало возможным благодаря подходу, который извлекает и анализирует следовые количества ДНК, выделяемые животными в окружающую среду. Это называется экологической ДНК (eDNA). Метод использует тот факт, что каждое животное оставляет ДНК в среде через кожу, шерсть, чешую, фекалии или жидкости.

Мы, биологи из Университета Флориды, используем eDNA для отслеживания вируса, вызывающего пандемию у морских черепах — фибропапилломатоз, который приводит к образованию опухолей. Также мы применяем eDNA для обнаружения черепах в дикой природе.

В 2020 году исследователи в области здравоохранения начали перепрофилировать методы eDNA для отслеживания пандемии COVID-19. Это яркий пример того, как исследования в одной области (охрана дикой природы) могут быть адаптированы для другой (смягчение последствий заболеваний человека).

От почвенных микробов к морским черепахам

Ученые в 1980-х годах начали искать ДНК микробов в образцах почвы. За последующие 20 лет методика была адаптирована для проб воздуха и воды, и eDNA стали использовать для обнаружения более крупных животных и растений.

Хотя наука, стоящая за методами eDNA, сложна, сам процесс сбора и тестирования образца относительно прост. Пробы фильтруют через очень тонкую бумагу, которая задерживает клетки и фрагменты ДНК. Методы анализа (количественная ПЦР или полногеномное секвенирование) аналогичны тем, что используются для тканей или крови. Ученые могут прочитать всю присутствующую ДНК или нацелиться только на ДНК интересующих видов.

Сейчас eDNA рутинно используют для обнаружения исчезающих видов и инвазивных организмов. Это невероятный скачок вперед, сокращающий время, ресурсы и усилия для мониторинга уязвимых видов.

Однако для защиты видов необходимо отслеживать не только животных, но и патогены, угрожающие их выживанию. eDNA позволяет мониторить паразитов, грибы и вирусы, вызывающие болезни у диких животных.

Отслеживание COVID-19

Хотя eDNA впервые применили для обнаружения человеческих патогенов более десяти лет назад, именно с начала пандемии COVID-19 перепрофилирование метода получило массовый масштаб, позволив технологии сделать ошеломляющий прогресс за короткое время.

Геномы коронавирусов состоят не из ДНК, а из родственной молекулы — РНК. Поэтому исследователи быстро оптимизировали вариант метода — eRNA — для обнаружения РНК коронавируса в воздухе и сточных водах.

Например, в больнице Университета Флориды ученые собрали пробы воздуха из палат двух пациентов с COVID-19. Используя eRNA, они успешно выделили и секвенировали вирус. Подтверждение воздушного пути передачи напрямую повлияло на рекомендации органов здравоохранения.

Применение eRNA к архивным образцам сточных вод позволяет определить истинные сроки появления SARS-CoV-2. Концентрация SARS-CoV-2 в сточных водах Валенсии (Испания) достигла пика 9 марта 2020 года, тогда как пик клинических случаев пришелся только на начало апреля 2020 года из-за задержки между заражением и появлением тяжелых симптомов.

Такой прогнозный мониторинг имеет profound implications для систем здравоохранения, давая время на подготовку — не только к COVID-19, но и к любым будущим вспышкам болезней.

Пересечение болезней

Изучение болезней человека и животных вместе жизненно важно. 60% новых человеческих патогенов происходят от животных, причем многие (42%) — от диких популяций (вирусы Эбола, Зика, Западного Нила, Марбург). Люди также могут передавать патогены животным.

SARS-CoV-2 уже заразил человекообразных обезьян в зоопарке Сан-Диего, крупных кошек в зоопарке Нью-Йорка и норок на фермах в Европе. В последнем случае это привело к появлению новых вариантов вируса, которые могут представлять новую угрозу для людей.

Такую взаимосвязь благополучия человека, животных и окружающей среды медики, ветеринары и ученые называют OneHealth или EcoHealth. Совместное изучение и лечение болезней человека и дикой природы признает их общность и часто приводит к прорывам.

С помощью eDNA можно отслеживать все патогены в окружающей среде, независимо от их происхождения. Интегрированная программа мониторинга eDNA могла бы экономически эффективно обеспечить раннее предупреждение о болезнях людей, домашнего скота и диких животных.