Neue Studie zeigt weit verbreitetes Vorkommen von Umwelt-DNA am Himmel, darunter Allergene und Krankheitserreger

Ein Forschungsartikel mit dem Titel „Aircraft Surveys for Air eDNA: Probing Biodiversity in the Sky“ stellt einen revolutionären Ansatz zur Untersuchung genetischen Materials in der Atmosphäre vor. Wissenschaftler haben eine langlebige und sterilisierbare Sonde und ein Unterstützungssystem entwickelt, um Nukleinsäuren aus der Luft (eDNA) mit Vollstromfiltration und einer Kammer mit hoher Integrität einzufangen.

Mit dieser innovativen Sonde kartierte das Forschungsteam die Umwelt-DNA aus der Luft, indem es ein standardisiertes und skalierbares Flugmuster mit Leichtflugzeugen anwendete. Das Ziel der Studie bestand darin, Bioaerosole, bei denen es sich um aerosolisierte biologische Materie handelt, von einer Reihe von Organismen in verschiedenen Höhen über den wichtigsten Emissionsquellen zu sammeln und sie zur Identifizierung zu sequenzieren.

Diese Arbeit begann mit einer Idee, die es zu erforschen galt, erzählt Dr. Kimberly Metris, Fakultätsmitglied an der Clemson University und leitende Forscherin. „Ich bin ein Molekularökologe, der sich mit verschiedenen Wildarten beschäftigt, von Bakterien über Blaukopfdöbel bis hin zu afrikanischen Büffeln. Ich fliege auch Flugzeuge, und eines Sommers, als ich Fallschirmspringer flog, hatte ich viel Zeit zum Nachdenken, während ich auf Sprunglaufhöhe kletterte.“ .“

„Meteorologisch gesehen waren die Bedingungen großartig – 10 gesetzlich vorgeschriebene Meilen Sichtweite, eher ruhige Winde, ein ziemlich schöner Tag im Büro – aber das war während eines Staubsturms in der Sahara und draußen waren überall Partikel sichtbar. Ein seltsames Gefühl, aber es bringt die Räder zum Durchdrehen.

Was genau ist in der Luft, was wir biologisch gesehen nicht sehen können? Dies ist es, was sie und ihr Co-Autor erforschen wollten. „Und jetzt erweitern wir die Grenzen dessen, was wir über den Himmel zu wissen glaubten. Der Himmel ist keine Grenze, er ist eine Fundgrube.“

Die Ergebnisse der Studie sind außergewöhnlich. Durch den Einsatz ihrer Probenahmesonde und metagenomischer Sequenzierung mit hohem Durchsatz entdeckten die Forscher das weit verbreitete Vorkommen prokaryotischer und eukaryotischer eDNA in der Atmosphäre, die Tausende von Metern bis in die planetarische Grenzschicht im Südosten der USA reicht. Bemerkenswert ist, dass in der Studie eDNA von Hühnern, Kühen und Menschen in allen geflogenen Flughöhen nachgewiesen wurde, einschließlich erstaunlicher 8.500 Fuß über dem Boden.

Die Forscher identifizierten verschiedene häufig vorkommende pflanzliche Allergene aus Gräsern, Unkräutern und Bäumen sowie von Arten, die normalerweise nicht in der Luft vorkommen, wie z. B. Knoblauch, und enthüllten ein vielfältiges Spektrum an genetischem Material in der Luft.

Sie entdeckten auch krankheitserregende Bakterien und Bakterien, von deren Vorkommen in der Atmosphäre bisher nichts bekannt war, die jedoch in anderen extremen Umgebungen wie Tiefseesedimenten gefunden wurden.

Die in der Studie eingesetzte sterilisierbare und wiederverwendbare Probenahmesonde erwies sich als zuverlässig, da sie den Probenverlust und die Kontamination begrenzte und gleichzeitig genetisches Material direkt aus der Luft filterte. Diese bahnbrechende Arbeit ermöglicht die Kartierung von genetischem Material potenziell aller Arten mithilfe von Flugzeugen oder anderen Flug- oder stationären Methoden und verknüpft Aerobiomprofile mit bodennahen Prozessen, was wertvolle Einblicke in das Vorhandensein und die Vielfalt des genetischen Materials in der Luft, die wir atmen, liefert.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend und finden Anwendung in den Bereichen Biodiversität, Wildtierökologie, Bioabwehr sowie Pathogen- und Allergenüberwachung. Die im Rahmen der Studie durchgeführte Hochdurchsatz-Amplikonsequenzierung von DNA aus Bakterien, Wirbeltieren und Pflanzen zeigt, dass Bioaerosole aus natürlichen Prozessen wie windinduzierter Bestäubung auf Feldern und Wäldern sowie durch vom Menschen verursachte Aktivitäten, nämlich produktive Landwirtschaft, Abwasserbehandlung usw., stammen können Branchenpraktiken, einschließlich der Dekontamination von Krankenhausabfällen.

In der Atmosphäre entdeckte luftgetragene DNA-Profile spiegeln Oberflächenemissionen, Allergene und potenzielle Eis- und Wolkenkondensationskerne wider. Es wird angenommen, dass die Wirksamkeit der Aerosolisierung die in der Höhe erfassten Luft-DNA-Profile beeinflusst, was die Einbeziehung von Indizes für Auftriebs- und Luftmasseneigenschaften zur Standardisierung von Luft-eDNA-Erhebungen nahelegt. Darüber hinaus empfehlen die Forscher eine standardisierte Berichterstattung über empirische Echtzeit-Durchflussraten, Gesamtluftmengen und verwendete Probenahmetypen, da diese ganz unterschiedliche Anforderungen an den Luftstrom im Betrieb haben.

Biologisches Material in Form von eDNA/RNA kann durch atmosphärische Vermischung, Anhebung und Auftrieb angehoben, transportiert und an anderer Stelle abgelagert werden, was möglicherweise zu biologischen Konsequenzen wie Genfluss und Hybridisierungsprozessen führt.

Die Atmosphäre ist kraftvoll und lebenswichtig – Die Entdeckung von eDNA von Wirbeltieren in der Luft, die Tausende Meter von ihrem Ursprung entfernt an der Erdoberfläche schwebt, legt nahe, dass die Atmosphäre biodiverses Material enthält und Auswirkungen auf die Bioüberwachung und Krankheitsüberwachung hat. Wissenschaftler können Einblicke in das Vorkommen, die Häufigkeit und die Verteilung von Arten in einem Gebiet gewinnen und wertvolle Beweise für die Identifizierung von Individuen oder die Verfolgung ihrer Bewegungen liefern oder die Produktionslandwirtschaft aus der Atmosphäre überwachen.

Diese Studie ebnet den Weg für ein tieferes Verständnis des genetischen Materials in der Luft und seiner Auswirkungen auf verschiedene Forschungsbereiche. Durch die Entschlüsselung der Geheimnisse des Himmels gewinnen Wissenschaftler neue Einblicke in unsere Umwelt, die Luft, die wir atmen, und komplexe Zusammenhänge zwischen der Artenvielfalt auf der Erde.