Secondo un nuovo studio, la scienza forense è progredita al punto che gli scienziati possono prelevare campioni casuali da un ambiente e ricavare dettagli sul DNA delle persone che sono passate per quell’area, con la stessa precisione con cui preleverebbero un campione direttamente dalla persona stessa. Per alcuni è destabilizzante, se non spaventoso, pensare che chiunque abbia accesso alle più recenti tecnologie forensi abbia accesso anche al nostro codice chimico personale e unico. Fatto sta che questo è possibile “semplicemente” raccogliendo campioni di aria o acqua, estraendo frammenti di DNA umano lasciati da persone che sono state in un luogo di recente. Le informazioni provengono da scaglie di pelle, follicoli piliferi, gocce di saliva e ciglia cadute nell’area, che possono diventare un libro aperto con la storia della persona che le ha lasciate. Da un lato, questo tipo di tecnologia potrebbe essere incredibilmente utile, soprattutto per gli scienziati forensi che lavorano nel campo della criminalità. Tuttavia, solleva anche questioni di consenso per persone innocenti che forse non vogliono che le loro informazioni genetiche siano disponibili per essere decifrate da chiunque. Per quanto possa sembrare utile, gli autori di un recente studio, pubblicato su Nature, avvertono che la società potrebbe non essere preparata alle conseguenze di questa nuova pratica. David Duffy, zoologo dell’Università della Florida, sostiene che è importante sollevare tempestivamente le preoccupazioni relative all’accesso al DNA attraverso la nuova tecnologia ambientale, in modo che la società possa sviluppare rapidamente delle politiche intorno a questa tecnologia prima che diventi ampiamente disponibile.

“Ogni volta che facciamo un progresso tecnologico, ci sono cose benefiche per le quali la tecnologia può essere usata e cose preoccupanti per le quali la tecnologia può essere usata“, dice lo zoologo.

Amplificando i più piccoli frammenti di eDNA e leggendone le sequenze, i ricercatori possono produrre con precisione un elenco ecologico degli organismi presenti in un determinato habitat, il tutto a velocità e costi che non potrebbero essere raggiunti con il lavoro sul campo.

Come funziona il discusso sequenziamento del eDNA shotgun?

Mentre i vecchi metodi di sequenziamento hanno faticato a trovare sequenze genetiche umane significative all’interno dei campioni di eDNA, un processo noto come sequenziamento shotgun non è così limitato, come hanno dimostrato Duffy e il suo team nella loro recente ricerca. Il sequenziamento shotgun è un metodo utilizzato per sequenziare frammenti che prende il nome dall’analogia con il raggruppamento di colpi rapidi e quasi casuale di un fucile a canne mozze. Il metodo tradizionale di terminazione della catena di sequenziamento del DNA (sequenziamento Sanger) può essere utilizzato solo per brevi filamenti di DNA, da 100 a 1000 paia di basi. A causa di questo limite di dimensioni il progresso scientifico h cercato di porre rimedio con la metodologia shotgun, appunto. Con lo shotgun le sequenze più lunghe vengono suddivise in frammenti più piccoli che possono essere sequenziati separatamente e queste sequenze vengono poi assemblate per ottenere la sequenza complessiva. Per renderla più semplice, immaginate di avere una frase molto lunga da leggere, ma è troppo lunga per essere letta in una sola volta. A questo punto, decidiamo di tagliarla in piccoli pezzi, ad esempio di 3-4 parole alla volta. Ogni pezzo viene poi letto separatamente.

Ad esempio, prendiamo la seguente frase: “Il cane nero salta felicemente sul prato verde”. Decidiamo di tagliarla in segmenti di 3 parole ciascuno. Otteniamo i seguenti frammenti:

Frammento 1: “Il cane nero”
Frammento 2: “salta felicemente sul”
Frammento 3: “prato verde”
Ogni frammento viene poi sequenziato separatamente, che equivale a leggere le parole nella giusta sequenza. Questo processo di sequenziamento dei frammenti viene eseguito più volte per garantire che ogni frammento venga sequenziato in modo accurato.

Supponiamo che abbiamo sequenziato i nostri frammenti e ottenuto i seguenti risultati:

Frammento 1 sequenziato: “Il cane nero è veloce.”
Frammento 2 sequenziato: “Il cane salta felicemente.”
Frammento 3 sequenziato: “Il prato verde è fresco.”
Ora abbiamo i risultati del sequenziamento per ciascun frammento. Per ottenere la sequenza complessiva, dobbiamo sovrapporre le letture che condividono frammenti di parole simili. In questo caso, notiamo che i frammenti 1 e 2 condividono la frase “Il cane”, quindi possiamo unirli:

Unione dei frammenti 1 e 2: “Il cane nero è veloce. Il cane salta felicemente.”
Successivamente, dobbiamo cercare sovrapposizioni tra le letture rimanenti. In questo caso, notiamo che il frammento 3 inizia con la parola “Il”, che è l’ultima parola dell’unione precedente. Quindi possiamo unire anche il frammento 3:

Unione finale dei frammenti: “Il cane nero è veloce. Il cane salta felicemente. Il prato verde è fresco.”
In questo modo, abbiamo assemblato le diverse letture sequenziate in una sequenza continua che rappresenta la frase originale. Infatti, nel sequenziamento shotgun, il DNA viene spezzato casualmente in numerosi piccoli segmenti, che vengono sequenziati utilizzando il metodo di terminazione della catena per ottenere letture. Vengono ottenute molteplici letture sovrapposte per il DNA bersaglio eseguendo più round di frammentazione e sequenziamento. I programmi per computer utilizzano quindi le estremità sovrapposte di letture diverse per assemblarle in una sequenza continua. Questo è il concetto di base del sequenziamento shotgun, in cui i frammenti del DNA sono sequenziati e poi assemblati per ottenere la sequenza completa del genoma o del DNA bersaglio.

Quali sono le altre applicazioni del DNA ambientale?

Gli usi di questa nuova tecnologia sono molteplici. Il nostro pianeta è ricoperto di cellule vegetali e animali e, raccogliendo campioni e amplificando i più piccoli frammenti di DNA ambientale (eDNA), gli scienziati possono creare in modo rapido, efficiente ed economico un elenco ecologico di tutti gli organismi presenti in un’area. Questo può aiutare gli scienziati a scoprire cose bellissime, per esempio i codici genetici di creature estinte da tempo e a determinare se animali considerati per lo più miti, come Nessie a Loch Ness, siano in realtà reali, ma può anche fornire agli scienziati un quadro accurato del DNA di persone che sono semplicemente passate da quelle zone prima che venissero effettuati i test, andando a superare i delicati limiti delineati dalla privacy di cui ognuno di noi ha diritto. Duffy afferma che ci sono pro e contro nel poter accedere con tanta precisione al DNA umano da campioni ambientali. Questo potrebbe significare una svolta nell’epidemiologia e nel controllo delle malattie, oltre che una maggiore conoscenza della genetica delle popolazioni. Tuttavia, attualmente è prassi rendere pubbliche le sequenze, il che significa che chiunque sarebbe in grado di accedere alle informazioni genetiche degli individui.

Esempi di eDNA in campo scientifico

l DNA ambientale (eDNA) è come una “firma genetica” lasciata dagli organismi nell’ambiente (quindi è materiale genetico che viene rilasciato nell’ambiente da organismi viventi attraverso secrezioni, escrementi, cellule morte, frammenti di tessuti, ecc). Possiamo utilizzarlo per studiare la biodiversità passata e presente. Ad esempio, possiamo prelevare campioni di suoli antichi o di ambienti moderni, estraendo l’eDNA presente in essi. In questo caso entra anche in gioco il metabarcoding: una tecnica utilizzata per analizzare l’eDNA prelevato da campioni ambientali e che si basa sul sequenziamento di una regione specifica del DNA, comunemente chiamata “barcode genetico”, che è presente in molte specie diverse. Immaginate di avere un campione d’acqua. Possiamo utilizzare la tecnica DNA metabarcoding, che funziona come un codice a barre genetico che ci consente di identificare molte specie diverse all’interno del campione, proprio come in un supermercato quando si leggono i codici a barre per identificare i prodotti.  Tornando al mondo scientifico, grazie a queste tecniche possiamo scoprire quali specie vivono nel nostro campione d’acqua senza doverle vedere direttamente. La differenza principale tra il codice a barre del supermercato e il metabarcoding è che il metabarcoding non si concentra su un singolo organismo, ma ci aiuta a capire quali specie sono presenti nel campione d’acqua nel suo insieme. Ad esempio, gli scienziati possono utilizzare l’eDNA per studiare come si è degradato in diversi sistemi ambientali. Quindi, il barcode genetico viene amplificato e sequenziato, e le sequenze risultanti vengono confrontate con un database di riferimento per identificare le specie presenti nel campione. Il metabarcoding consente di identificare contemporaneamente molte specie all’interno di un campione, aumentando così l’efficienza e la copertura rispetto ai metodi tradizionali di identificazione delle specie. È possibile dunque prelevare campioni d’acqua, suolo o ghiaccio e analizzare l’eDNA presente in essi per capire quanto a lungo rimane rilevabile. Quello che è stato scoperto è che l’eDNA nell’acqua si degrada più velocemente (in pochi giorni), mentre nell suolo o nel ghiaccio può durare molto più a lungo (anni). Queste informazioni ci aiutano a utilizzare l’eDNA nell’acqua per monitorare la biodiversità in modo più accurato, poiché il segnale dell’eDNA è più recente e può fornire indicazioni sulla presenza di specie negli ambienti acquatici.

La ricerca e il dibattito

Il team di ricerca ha prelevato proprio campioni di acqua e sabbia nei pressi del Whitney Laboratory for Marine Bioscience and Sea Turtle Hospital dell’Università della Florida e da ambienti lungo un fiume, nel paese di origine di Duffy, l’Irlanda. Tra i siti in cui sono stati raccolti i campioni c’erano anche un’isola isolata e un torrente di montagna lontano dalle abitazioni umane. Molti dei frammenti cromosomici identificati, utilizzando l’approccio shotgun, contenevano informazioni identificative sulla loro origine. Anche i campioni d’aria provenienti dall’ospedale per tartarughe marine dell’università contenevano eDNA riconducibile al personale, agli animali e ai comuni virus animali. “Nel corso di questo progetto siamo rimasti costantemente sorpresi dalla quantità di DNA umano che abbiamo trovato e dalla qualità di tale DNA“, afferma Duffy. “Nella maggior parte dei casi la qualità è quasi equivalente a quella di un campione prelevato da una persona“. È facile pensare a come questi test genetici altamente dettagliati possano essere applicati nei campi dell’epidemiologia o della genetica delle popolazioni risolvendo diversi dubbi. Tuttavia, le fonti del DNA identificabile in questo esperimento hanno tutte acconsentito a partecipare allo studio, e questa è una ritualizzazione tipicamente in linea con l’etica della ricerca genetica pubblicata.

Le preoccupazioni etiche

In conclusione, l’uso del DNA ambientale (eDNA) rappresenta un potente strumento per il monitoraggio della biodiversità e per la ricerca scientifica. Tuttavia, solleva anche alcune preoccupazioni etiche legate all’accesso alle informazioni genetiche degli individui e alla necessità di tracciare una linea di demarcazione tra progressi scientifici e sfruttamento. Questa tecnologia può rendere più facile per gli investigatori risolvere i crimini, il che è ovviamente una cosa positiva. Ma è anche un’arma a doppio taglio perché, come avverte Natalie Ram, esperta di diritto dell’Università del Maryland, potrebbe metterci a rischio di essere posti “sotto sorveglianza genetica perpetua”. Man mano che si continua a studiare il DNA ambientale cominciano a sorgere altre domande sui dilemmi etici e legali che circondano i diritti genetici: chi dovrebbe avere l’autorità ultima sui nostri codici genetici individuali?  Con il progredire di questa tecnologia, il pubblico potrebbe trovare frammenti del proprio DNA conservati nei database delle scene del crimine semplicemente perché un ciglio o una goccia di saliva sono finiti nel posto sbagliato al momento sbagliato. Sicuramente comunità scientifica e decisori politici saranno in grado di trovare una soluzione eticamente e scientificamente giusta.