Kỹ thuật mới giúp thu được DNA của động vật từ trong không khí
Nhờ kỹ thuật eDNA, các nhà nghiên cứu đã xác định được vật chất di truyền từ hàng chục loài, từ đó lập ra kế hoạch theo dõi và bảo tồn động vật hoang dã.
Một con lười trong vườn thú Copenhagen, nơi Kristine Bohmann thu thập mẫu DNA không khí. Ảnh: Christian Bendix / WIRED
Trong một khu rừng, Kristine Bohmann cẩn trọng lội xuống một con suối đầy đỉa ở Madagascar. Cô phải kiểm tra ruột của loài ký sinh trùng này nhằm thu thập manh mối di truyền về động vật hoang dã trong khu vực. Để làm như vậy, trước tiên cô phải để chúng bám vào làn da trần của mình. “Tôi giả vờ như mình là một con mồi”, Bohmann, phó giáo sư chuyên nghiên cứu về bộ gen tiến hóa tại Đại học Copenhagen cho biết. “Những con đỉa này đã hút máu các động vật trong rừng nhiệt đới, điều đó khiến chúng trở thành kho bảo quản DNA tuyệt vời.”
Giờ đây, Bohmann và các đồng nghiệp đã tìm ra được một cách dễ dàng hơn để thu thập mẫu DNA từ môi trường, hay còn gọi là “eDNA”. Họ thiết lập một vài bộ lọc không khí trong và xung quanh hai vườn thú để thu giữ các mảnh vật chất di truyền cực nhỏ nương theo làn gió. Sau khi tháo các bộ lọc nhỏ và khuếch đại DNA bằng bộ giải trình tự, họ có thể tìm thấy các dấu hiệu di truyền cho hàng chục loài động vật nuôi nhốt, cũng như các sinh vật tự do sống gần đó như sóc, mèo và nhím. Trước đây, các nhà khoa học đã sử dụng các kỹ thuật lấy mẫu eDNA tương tự để phát hiện vật chất di truyền từ cá và các sinh vật khác ở sông và đại dương, đây là lần đầu tiên nó được sử dụng để thu thập DNA của động vật có vú từ không khí. “Bước tiếp theo là tìm cách ứng dụng phương pháp này vào tự nhiên, với các loại môi trường sống và hệ sinh thái khác nhau,” Bohmann nói. “Việc này khá thú vị.”
Mới đây đã có hai nhóm nghiên cứu công bố kết quả thí nghiệm của mình trên tạp chí Current Biology. Bài báo đầu tiên là của nhóm Bohmann tại Đại học Copenhagen; bài báo thứ hai là của một nhóm tại Đại học Queen Mary ở London và Đại học York ở Toronto.
Các nhà nghiên cứu Đan Mạch đã thiết lập ba bộ lọc không khí trong 30 tiếng đồng hồ, có thể xác định 49 loài động vật có xương sống, bao gồm 30 loài động vật có vú, 13 loài chim, bốn loài cá, một loài lưỡng cư và một loài bò sát. Họ đã tìm thấy DNA của những động vật được nuôi trong vườn thú như hươu đùi vằn (okapi) và con tatu (armadillo), một con cá bảy màu sống trong ao của khu rừng nhiệt đới, và thậm chí cả những loài gây hại như chuột nâu và chuột nhà. Bộ lọc cũng phát hiện ra các đoạn DNA nhỏ của cá được dùng làm thức ăn cho các động vật khác trong vườn thú.
Trong khi đó, nhóm các nhà khoa học tại Anh chỉ lấy mẫu không khí xung quanh Vườn Bách thú Hamerton gần Cambridge trong 30 phút, cứ mỗi 30 phút họ lại di chuyển các bộ lọc từ nơi này sang nơi khác để xem liệu họ có thể theo dõi chuyển động của động vật hay không. Nhóm nghiên cứu đã thu thập 72 mẫu và sử dụng kỹ thuật PCR (phản ứng chuỗi polymerase) để khuếch đại một lượng nhỏ vật chất nhằm xác định các dấu hiệu di truyền cho từng loài. Elizabeth Clare, nhà nghiên cứu chính và là trợ lý giáo sư sinh học tại Đại học York mô tả rằng bộ lọc DNA hoạt động giống như một bộ lọc cà phê: “Không khí đi qua và bất cứ thứ gì dạng hạt sẽ bị giữ lại, giống như cách bã cà phê của bạn bị chặn lại, chỉ có nước thấm xuống được. Chúng tôi đang cố gắng thu giữ DNA, tế bào hoặc các mảnh mô siêu nhỏ trong không khí bằng bộ lọc này. Sau đó, chúng tôi có thể quay trở lại phòng thí nghiệm vô trùng, mở ống, rút bộ lọc nhỏ này ra và chiết xuất DNA trực tiếp từ đó.”
Nhóm các nhà khoa học Anh đã xác định được 25 loài động vật, bao gồm 17 loài động vật nuôi nhốt, chẳng hạn như vượn, chó Dingo, chồn đất châu Phi (meerkat), con lười và lừa. Họ cũng tìm thấy những con vật ngẫu nhiên, như những con sóc và một con nhím có thể đang lang thang xung quanh công viên để tìm kiếm thức ăn. Nhóm nghiên cứu đã ghi nhận được chuyển động của các loài động vật trong vườn thú, chứ không chỉ sự hiện diện của chúng. Clare hy vọng rằng việc lấy mẫu không khí sẽ sớm được sử dụng vào việc nghiên cứu thực địa — nó sẽ giúp các nhà sinh vật học rất nhiều trong quá trình cố gắng tìm ra nơi các loài động vật có nguy cơ tuyệt chủng sống, sinh sản hoặc di cư, từ đó có phương án bảo vệ những khu vực đó khỏi sự xâm lấn của con người.
Công cụ tiềm năng
Trong nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu động vật hoang dã luôn nỗ lực tìm kiếm những phương pháp theo dõi động vật hiệu quả. Một số nhóm đã lắp đặt “bẫy ảnh” dọc theo những con đường mòn có động vật hoang dã để thu được hình ảnh của những sinh vật nhút nhát hiếm khi xuất hiện hoặc chỉ kiếm ăn vào ban đêm. Một số nhà khoa học khác thì tìm kiếm dấu hiệu của phân – nó có thể cho thấy sự hiện diện của những con vật và thức ăn của chúng là gì. Ngoài ra còn có một phương thức truyền thống: tìm kiếm dấu chân để lại dọc theo bờ sông lầy lội, bờ tuyết hoặc sa mạc cát.
Nhưng đối với nhiều nhà sinh vật học, việc theo dõi các loài động vật có vú di chuyển hàng dặm mỗi ngày và cảnh giác với con người là điều gần như bất khả. Lúc này, họ cần đến phương pháp eDNA . “Nếu chúng ta muốn khôi phục các hệ sinh thái, chúng ta cần hiểu rõ kế hoạch bảo tồn của chúng ta ảnh hưởng như thế nào đến các loài đang bị đe dọa và có nguy cơ tuyệt chủng. Nhưng để làm được điều đó, chúng ta cần có khả năng phát hiện ngay cả những loài hiếm nhất, nhút nhát nhất và khó hiểu nhất”, Michael Schwartz, chuyên gia tại Trung tâm Bảo tồn Cá và Động vật Hoang dã Quốc gia thuộc Sở Lâm nghiệp Hoa Kỳ ở Missoula, Montana, viết trong một email trao đổi với WIRED. “Chúng ta cần các công nghệ mới, như khả năng phát hiện DNA môi trường trong không khí.”
Nhà sinh vật học Kristine Bohmann thu thập mẫu không khí tại Vườn thú Copenhagen. Theo cô, các nhà khoa học có thể sử dụng DNA bay lơ lửng trong không khí để theo dõi các loài có nguy cơ tuyệt chủng. Ảnh: Christian Bendix / Sciencenews
Schwartz, người không tham gia vào hai nghiên cứu mới này, đã sử dụng các mẫu không khí, nước và đất để theo dõi những con dơi nâu lớn (Eptesicus fuscus), chúng đã bị suy giảm bởi hội chứng mũi trắng, một căn bệnh do nấm gây ra. Schwartz và các đồng nghiệp của ông đã công bố một nghiên cứu vào tháng 9 trên tạp chí Biological Conservation về việc kiểm tra các mẫu eDNA từ đất và nước bên ngoài những hang động nơi dơi trú ngụ. Họ cũng sử dụng thiết bị lấy mẫu không khí để xem liệu có thể thu thập DNA trong không khí từ một chuồng dơi ở Ohio hay không. Nghiên cứu cho biết sáu trong số bảy mẫu từ bộ lọc đã phát hiện thành công eDNA của chúng trong không khí, nhưng nồng độ thấp, mặc dù có 30 con dơi được nuôi trong chuồng.
Schwartz cho biết các đồng nghiệp của ông đang cải tiến kỹ thuật lấy mẫu không khí và nghiên cứu phương pháp thu thập một lượng nhỏ DNA từ tuyết. Điều này không chỉ giúp nhóm phát hiện những loài động vật có vú nào gần đây đã đi qua lớp băng tuyết, mà nó còn cho phép họ tìm ra bằng chứng cho thấy một loại động vật cụ thể đã đi qua khu vực này nhiều tháng trước đó. Nhóm của Schwarz đã công bố một số kết quả của dự án này trên tạp chí Biological Conservation vào năm 2019. Việc sử dụng dấu vết từ tuyết để phát hiện những kẻ săn mồi nhút nhát như linh miêu giúp tiết kiệm chi phí, hiệu quả và cho ra kết quả rõ ràng.
Ngoài ra, một trong những người sử dụng eDNA để tìm hệ động vật nước ngầm là Tom Devitt, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Texas ở Austin. Kể từ năm 2013, Devitt đã tham gia tìm kiếm và lập bản đồ các loài kỳ nhông Texas quý hiếm. Công trình của ông đã tiết lộ sự tồn tại của ba loài kỳ nhông chưa từng được ghi nhận trước đây, cũng như ranh giới của các loài động vật.
Trong khoảng một năm trở lại đây, Devitt đã dùng eDNA để lập bản đồ những con kỳ nhông này và phạm vi của chúng, đặc biệt là ở những nơi mà chúng chưa từng được tìm thấy trước đây. Công việc yêu cầu ông phải lấy vài lít nước ngầm từ sông, suối hoặc hang động, lọc để thu thập mẫu, sau đó chạy mẫu qua máy có thể phát hiện dấu vết DNA cụ thể. Bằng cách biết nơi kỳ nhông được tìm thấy, các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách có thể xác định khu vực nào cần nghiên cứu hoặc bảo vệ.
Có thể dùng kỹ thuật lấy mẫu DNA không khí để theo dõi vật liệu di truyền của con người không? Theo một chuyên gia trong ngành, về mặt lý thuyết thì câu trả lời là có, nhưng trên thực tế thì không. “Cũng có thể, nhưng sẽ khó hơn một chút”, Melania Cristescu, phó giáo sư về bộ gen sinh thái tại Đại học McGill, người sử dụng eDNA để lấy mẫu môi trường sống dưới nước cho biết. Các đoạn DNA của con người từ tóc, nước bọt, máu hoặc các vật liệu di truyền khác bị bỏ lại trên bề mặt dễ phân tích hơn trong không khí.Sẽ mất nhiều thời gian hơn để thu được một mẫu vật liệu di truyền trong không khí đủ lớn, và các nhà nghiên cứu sẽ phải hết sức cẩn thận nhằm không để DNA của chính họ nhiễm vào bộ lọc.
Với DNA trong không khí, thời tiết cũng là một yếu tố gây ảnh hưởng. Ví dụ, việc lấy mẫu có thể không hiệu quả nếu trời mưa hoặc gió vì những điều kiện này có thể làm sạch không khí của các hạt mang DNA. Người ta cũng không rõ phân tử sẽ như thế nào dưới nhiệt độ cao hoặc ánh sáng mặt trời. “Bức xạ mặt trời có làm suy giảm DNA không? Có thể, nhưng chúng tôi không biết ở mức nào,” Clare nói. “Chúng tôi không biết gió có thể phân tán DNA bao xa. Chúng tôi không biết nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ suy thoái của nó như thế nào. Đây đều là những câu hỏi thực sự thú vị ”.
Cả Bohmann và Clare đều cho biết các thí nghiệm của họ tại vườn thú chỉ là bước khởi đầu và họ hy vọng sẽ có thể tiếp tục nghiên cứu để cải thiện cả kỹ thuật lấy mẫu và các công nghệ liên quan. Toàn bộ lĩnh vực eDNA đang phát triển nhanh chóng và các nhà khoa học dự đoán rằng họ có thể sớm sử dụng nó để xác định liệu các loài động thực vật có đang di chuyển vào một khu vực, hay liệu có một cánh rừng nào đó cần được bảo vệ vì đó là nơi động vật hoang dã sinh sống hay không.
Các nhà nghiên cứu cho biết, việc phát hiện các hướng chuyển động của động vật theo thời gian, thay vì chỉ biết vị trí hiện tại của nó, là chìa khóa để bảo vệ môi trường sống của chúng và bảo tồn đa dạng sinh học của hành tinh. “Nếu bạn sử dụng bẫy ảnh, điều kiện tiên quyết là sinh vật phải xuất hiện ngay phía trước máy ảnh. Nếu nó đi phía sau, bạn sẽ không bao giờ biết nó đã ở đó”, Clare nói. “DNA là một phương pháp không xâm lấn — vì vậy con vật có thể đã ở đó ngày hôm qua hoặc ngày hôm kia, và bạn vẫn có thể phát hiện ra nó”.
Hoàng Nhi tổng hợp
Nguồn:
Scientists Capture Airborne Animal DNA for the First Time
In Underground Waterways, an Endangered Ecosystem
