Drones para capturar el ADN medioambiental

Los drones permiten recoger material genético en lugares de difícil acceso de una manera más sencilla. Imagebroker.com Gmbh & Co. Kg / Alamy

Robótica y genética se alían para desarrollar una técnica que podría cambiar nuestra comprensión de la biodiversidad de la Tierra. Un equipo de la ETHZ (Escuela Politécnica Federal de Zúrich), que participa en un concurso de 10 millones de dólares, utiliza drones para recoger muestras de ADN ambiental (eDNA).

Los lémures rojos del zoo de Zúrich están acostumbrados al ruido de la gente, pero no tan temprano; el parque biológico no abrirá hasta dentro de dos horas. Así que miran con aire vagamente acusador al grupo de personas que se encuentra en la plataforma elevada del centro del pabellón.  

Trabajando en torno a dispositivos electrónicos y una polea, el grupo no está aquí para observar animales y plantas tropicales, sino el ADN disperso en su entorno, para lo que utiliza técnicas innovadoras que combinan robótica y genética. Se trata de una prueba que se reproducirá también fuera del zoo.

«La biodiversidad se está degradando a un ritmo muy elevado que somos incapaces de controlar, en parte porque no disponemos de las herramientas o datos necesarios de los que servirnos», explica la profesora de genética Kristy Deiner, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETHZ).

La tecnología que el equipo está poniendo a prueba pretende cambiar las cosas acelerando la recogida de datos sobre biodiversidad, explica Deiner mientras bajamos de la plataforma y caminamos por la frondosa vegetación hacia un grupo de estudiantes de ambos sexos. Están montando un laboratorio portátil mientras, a unos metros, una bomba extrae agua de un estanque.

Con la investigación del DNAe «ha comenzado una nueva fase de exploración del mundo», afirma Kristy Deiner. swissinfo.ch

El mini laboratorio permite secuenciar el ADN ambiental (eDNA, por sus siglas en inglés), los restos de material genético que toda especie viva libera en el medio ambiente y que están presentes en todas partes: en el agua, en el aire, en el suelo, en las ramas de los árboles y en la pantalla del dispositivo en el que está leyendo este artículo. El análisis del ADN ambiental es una rama de la investigaciónEnlace externo que se halla en plena expansión y que ha abierto la puerta a posibilidades inimaginables hace tan sólo unos años, cuando, para hacer una lista de las especies presentes en un lugar determinado, no había más remedio que enviar directamente al campo a personas que supieran reconocerlas.

Ahora se puede extraer más información de un tubo de ensayo con agua o de una tira de material adhesivo pasada a través de las ramas de un árbol que la que podría proporcionar un ejército de biólogos acampados en la selva durante días.

Nuevas soluciones surgidas de la pandemia

Desde hace diez años, Deiner trabaja en el desarrollo de métodos e instrumentos cada vez más eficaces para el análisis del eDNA. El mini laboratorio montado junto al estanque es el resultado. Permite secuenciar material genético en pocas horas directamente en la zona donde se recogió. Por tanto, no es necesario enviar las muestras a otro lugar, lo que reduce el riesgo de contaminación con material genético no presente en la zona investigada.

“El desarrollo de esta metodología se ha visto acelerado por la pandemia de Covid-19, ya que aparecieron por todas partes laboratorios «pop-up» para detectar el virus. En los últimos cuatro años se ha innovado mucho para abaratar los instrumentos, hacerlos más accesibles y pensar en cómo hacer los análisis en lugares donde los recursos, como la energía, son limitados», explica.

El mini laboratorio utilizado en el zoo es una síntesis de estas innovaciones que la ETHZ ha orientado hacia el estudio de la biodiversidad.

Sin embargo, persiste el problema de cómo recoger las muestras. Y aquí es donde entra en juego la robótica.

Drones y sondas para capturar ADN ambiental

La genética y la robótica son dos campos que rara vez están en contacto. Sin embargo, cuando el profesor de robótica Stefano Mintchev oyó hablar de un concurso organizado por la fundación XPRIZEEnlace externo, una organización estadounidense sin ánimo de lucro creada para fomentar las innovaciones tecnológicas, se puso inmediatamente en contacto con su colega Kristy Deiner. Juntos formaron el equipo ETH biodivxEnlace externo, que inscribieron en el concurso en 2021. Los equipos de investigación participantes deberán identificar el mayor número posible de especies en el menor tiempo posible.

Dreiner sabía cómo analizar el ADN ambiental, mientras que Mintchev tenía la capacidad necesaria para recoger muestras. De cara a la competición, el equipo de investigación del experto en robótica modificó los drones instalando dispositivos que filtran el eDNA del aire y una polea a la que se puede acoplar una bomba de agua o una sonda especial.

Esta última se baja hasta el follaje y, al rozar las plantas, retiene el material genético depositado en hojas y ramas que el dron traerá de vuelta al minilaboratorio.

La idea es sencilla, ponerla en práctica, sin embargo, no lo fue tanto. «Tuvimos que trabajar mucho para optimizar el diseño de la sonda y el algoritmo de control que la mueve, a fin de reducir el riesgo de que se enrede», explica Mintchev. Con sensores que miden la tensión del cable es posible activar movimientos que lo liberen y, si eso falla, un mecanismo puede separar el cable del dron. 

Hubo que realizar este trabajo para las semifinales del concurso, celebradas en Singapur a principios de junio en una zona de 100 hectáreas de selva tropical. Si el equipo supera esta fase (los resultados se esperan para finales de julio*), participará en la final que se celebrará en 2024 en Sudamérica o en África. En juego hay un total de 10 millones de dólares (5 millones para quien suba al escalón más alto del podio).

Para prepararse de la mejor manera posible, por tanto, era necesario realizar pruebas en vegetación tropical, algo difícil de encontrar en los bosques suizos, por no decir que casi imposible. Pero, afortunadamente, existe también una selva tropical en Suiza y está en Zúrich: la sala Masoala del zoo de la ciudad. Además de los lémures, en esta gran sala viven unas 40 especies animales y 500 especies vegetales.

«La investigación es una de las tareas de los zoológicos modernos. Parte de ella consiste en colaborar con politécnicos y universidades», afirma Leyla Davis, responsable de investigación del zoo de Zúrich. Todos y cada uno de los vertebrados del pabellón Masoala están catalogados, explica Davis, lo que permitió al equipo de investigación de Mintchev y Deiner comprobar casi en tiempo real si el ADN recogido correspondía realmente a las especies del pabellón.

Los lémures rojos están entre los inquilinos más ruidosos de la sala Masoala. Anthony Pandiani / Alamy

Millones de especies aún por describir

Independientemente del resultado en el XPRIZE, soluciones como la desarrollada por el equipo de la ETHZ prometen ser útiles en muchos ámbitos. En la agricultura, por ejemplo, para detectar rápidamente la presencia de enfermedades y plagas dañinas.

«Lo que realmente me gusta del uso de drones es que permiten acceder a zonas muy densas, remotas o peligrosas a las que no se puede llegar de otra manera», comenta Elizabeth Clare, bióloga de la Universidad York de Toronto y especialista en el estudio del eDNA. «También resultará muy útil para entender cómo se mueve y estratifica el material genético en el aire». El mayor reto, sin embargo, según Clare, será automatizar estas tecnologías para que puedan utilizarse a escala industrial. Todavía se necesitan conocimientos muy específicos para manejar los drones», señala Clare.

Mientras tanto, el equipo de la ETH de Zúrich experimenta la emoción de los descubrimientos. A menudo hay una secuencia genética en el entorno natural a la que no se puede poner nombre. Cuando uno ve, mediante el análisis del ADN ambiental, que la misma secuencia aparece en otros lugares, o repetidamente, puede imaginar que se trata de una especie aún desconocida para la ciencia.

Se calcula que hay más de ocho millones de especies en la Tierra (y actualmente está catalogada una cuarta parte de ellas), pero esto es sólo una extrapolación basada en el ritmo al que la ciencia las ha ido descubriendo en el pasado. «Ahora disponemos de un método que nos permitirá verificar si esto es cierto. Es una nueva fase en la exploración de nuestro mundo», afirma Deiner con una sonrisa. «Me hace pensar en los exploradores que hace siglos encontraron nuevas tierras navegando en sus barcos. Ahora, tenemos un nuevo tipo de nave para viajar».

*El 24 de julio, la ETH de Zúrich anunció que el equipo ETH biodivX de Deiner y Mintchev se encuentra entre los seis equipos finalistas del Concurso XPRIZE Rainforest.

Texto adaptado del italiano por J. Wolff