רובוטים לאיסוף גנים הם החמקנים החמקניים של הים

בניגוד לטביעות רגליים בבוץ, קשה יותר לזהות עקבות שהותירו אחריהם בעלי חיים באוקיינוס. זה טוב ליצורים שלא רוצים לעקוב אחריהם, אבל לא נוח לחוקרים שרוצים לחקור היכן נמצאים אורגניזמים מסוימים וכיצד הם נעים על פני עולם המים המשתנה.

עם זאת, קשה לא אומר בלתי אפשרי. למעשה, מדידת התפלגות ה-DNA הסביבתי, או eDNA - עוד על מה זה בעוד רגע - אפשרה למדענים לזהות אילו בעלי חיים ביקרו באזור נתון ללא מַצלֵמָה או האזנה דרך א הידרופון. צוות של מדעני אוקיינוסים ממכון המחקר האקווריום של מפרץ מונטריי וממינהל האוקיינוס ​​והאטמוספירה הלאומי הוכיחו שהם יכולים לפרוס ביעילות צי של רובוטים מיוחדים כדי לאסוף עדויות מסוג זה במחקר חדש שפורסם בשבוע שעבר כתב עת DNA סביבתי.

סוג זה של טכניקת איסוף eDNA אוטונומית יכולה להיות שימושית עבור מדענים החוקרים את השפעת האקלים שינוי בהתנהגויות של בעלי חיים באוקיינוס ​​ועבור אלה שפוקחים עין על בסכנת הכחדה, כמו גם פולשנית, מִין.

כל היצורים החיים משילים עקבות של חומר גנטי דרך ריר, פסולת ותאי עור מתים שמתקלפים. כמה חומר אורגני נופל כמו

שלג ימי במורד עמוד המים. בריכה של חומרים כאלה צפים חופשיים יכולה להיות נוכחת בדגימה של מי ים שנאספו, והחלקים האלה הם מה שמכונה DNA סביבתי (או eDNA). למינים שונים יש קודים גנטיים ספציפיים שייחודיים להם, וכאשר הדגימות הללו עוברות רצף, קטעי גנים אלה יכולים להיות משמש כמו ברקודים לסרוק נוכחות של קבוצות בעלי חיים מסוימות - תהליך המכונה גם eDNA metabarcoding. אפילו קשקשת דגים יכולה לספק מידע גנטי רב ערך על מה שעבר באזור זה.

[קָשׁוּר: מדענים עוקבים אחר יצורי ים עמוקים עם DNA צף חופשי]

הרובוט שתוכנת ללכת אחרי eDNAs אלה הוא רכב תת-מימי אוטונומי ארוך טווח מצויד ב"מעבד מדגם סביבתי", המשמש כמעין "מעבדה-בפחית", על פי אל א ידיעה לתקשורת מ-MBARI. כשהרובוט יוצא לדרך על פני קילומטרים של אוקיינוס ​​אינסופי בעצמו, הוא יכול ללגום ולנפות את מי הים שהוא עובר דרכם עבור שאריות גנטיות שהושארו מאחור על ידי בעלי חיים, וירוסים ומיקרואורגניזמים. בתוך הפלטפורמה, כימיקלים מפרקים את הפסולת האורגנית התלויה בדגימה כדי לשחרר חלבונים וגדילי DNA. לפלטפורמת ה-ESP יש קרוסלה של מחסניות שיכולה לאסוף, לעבד ולשמור עד 60 דגימות של מי ים בפריסה אחת.

רכב תת ימי אוטונומי ארוך טווח הוא רובוט זריז שיכול לנסוע לאזורים מרוחקים באוקיינוס ​​למשימות ממושכות. טכנולוגיה אוטונומית מאפשרת לחוקרי MBARI לשמור על נוכחות מתמשכת באוקיינוס ​​ולאסוף נתונים המספקים ניהול יעיל. pic.twitter.com/KhuI0Sh4oW

— MBARI (@MBARI_News) 18 במאי 2022

"אנחנו יכולים לחלץ את ה-DNA ולהשתמש בטכניקות דומות לטכניקות משפטיות כדי לקחת את רצפי ה-DNA ו הכניסו אותם למסד נתונים", אומר קובון טרולובה, טכנאי מחקר בכיר ב-MBARI ומחבר בנושא עיתון. "אבל במקום שזה יהיה מסד נתונים משפטי של חשודים, זה מסד נתונים ביולוגי של בעלי חיים שחיים בסביבה הימית, ואנחנו מנסים להתאים את רצפי ה-DNA לזה".

לצורך המחקר, הרובוטים, שלוש ספינות המחקר של MBARI, וספינת הדיג NOAA ראובן לסקר, השלימו שלוש משלחות במהלך 2017 ו-2018 מול החוף של צפון קליפורניה בשמורת הימי הלאומית של מפרץ מונטריי כדי לאסוף דגימות זוגות במיקומים דומים, בעומקי מים ובזמנים במרחק של כחצי מייל זה מזה. המטרה הייתה להשוות את התוצאות מהדגימות שנאספו הרובוטים לאלו מהדגימות שנאספו מהספינה.

ללא הרובוטים, צוות אנושי ומדענים יצטרכו להפיל ללא הרף בקבוק למים בצד הספינה. הבקבוק יוריד לעומק שנקבע מראש וייפתח וייסגר מיד כדי לסגור את המים ולהחזיר אותם לסיפון. שימוש ברובוטים המכילים את פלטפורמת ה-ESP לאיסוף ועיבוד אוטומטי של ה-eDNA יכול לספק דרך להגדיל את השיטה הזו עבור ימיים מעקב אחר המגוון הביולוגי, ולהרחיב את כיסויו לחלקים מרוחקים של האוקיינוס ​​שנבדקו עד כה או יקר להסתכן בהם. באוניה.

[קָשׁוּר: רובוטים אלה שצפים חופשיים יכולים לפקח על בריאות האוקיינוסים שלנו]

לאחר איסוף הדגימות הן באמצעות ספינה והן על ידי רובוט, הן מעובדות בחזרה במעבדה באמצעות "סגנון גיוון רחב יותר של PCR", אומר Truelove, טק כי עושה עותקים של הגנים ומשווה אותם לגנים של מינים ידועים. הצוות השתמש בסוג אחד של PCR כדי לסנן מינים שונים של חיידקים, ופלס את דרכם במעלה המזון שרשרת עם PCRs שיכולה לסנן חסרי חוליות, אצות ימיות ובעלי חוליות (מאנשובי ועד כחול לווייתנים). דגימה עבור מגוון רחב של מינים ומשפחות במקום לחפש אורגניזמים ספציפיים מייצרת תמונה מלאה יותר של איך נראית מערכת אקולוגית כיום. מדידת המגוון הביולוגי הימי - קהילת האורגניזמים הקיימים וכמה מכל מין - יכולה לאפשר מדענים יערכו תחזיות לגבי האופן שבו מינים שונים מגיבים לשינויים במערכת האקולוגית וכיצד זה עשוי להשפיע על מארג מזון.

תמונה גדולה, הן הרובוטים והן השיטות מבוססות הספינה צפו באותם דפוסים בקנה מידה גדול עבור סוגי אורגניזמים שהתגלו, ללא כמה שינויים בכמות בעלי החיים מדגים נבחרים וחסרי חוליות משפחות. אחת הסיבות לשונות זו יכולה להיות שהסביבה הימית שונה אפילו במרחק של כמה מטרים זה מזה. הסיבה האחרת יכולה להיות בגלל האופן שבו כל טכניקה שואבת את המים. הבקבוק בצד הספינה יכול לקחת בין 5 ל-10 ליטר בהרף עין, בעוד שהרכב צריך שעה כדי להכניס ליטר. "יכול להיות שזה מקבל מים מעט שונים במשך פרק הזמן הזה", אומר Truelove.

מלבד חיסכון בעלויות פעולות הצוות והספינה, הרובוט מסוגל לעשות דברים שהספינה לא יכולה לעשות. לדוגמה, רובוטים אלה יכולים להיסחף עם זרם תוך כדי דגימת מים. "אחד המחקרים הבאים שאנו בוחנים הוא כיצד ייראה האות של DNA סביבתי כאשר רובוט נסחף דרך זרם במפרץ מונטריי ולראות אם יש דפוסים של מינים שאנו קולטים בתוך הזרם הזה לעומת מחוץ לזרם", אומר אהבת אמת. "זה יהיה קשה לספינה גדולה לעשות - להיסחף ביעילות בזרם כזה ולדגום ברציפות." 

כרגע, הרובוט עדיין צריך לדווח למעבדה לניתוח גנים לאחר שהוא ממלא 60 דגימות, אבל הצוות עובדים על אוטומציה של המעבדה המולקולרית כולה ומזעור שלה כך שיתאים לאחד מכלי הרכב האוטונומיים האלה, Truelove אומר. "מה שאנחנו עובדים עליו עכשיו זה להיות מסוגלים לעשות, בשנתיים הקרובות, הכל על סיפון הרכב מאיסוף הדגימות ועד לרצף DNA וניתוח נתונים."