Công nghệ eADN thủy sinh trong việc nhận diện các đàn cá

Công nghệ eADN thủy sinh         

Cá và các loài thủy sản khác đã làm rụng ADN của chúng trong nước và ở dưới dạng các tế bào, các chất tiết ra hoặc phân của chúng. 10 năm trước, các nhà nghiên cứu ở châu Âu lần đầu tiên đã mô tả về một lượng nhỏ nước hồ có chứa các ADN đang nổi tự do, họ đã dùng nó để tìm ra các động vật sống ở đó. Kế đó các nhà nghiên cứu đã tìm ra eADN thủy sinh tại nhiều hệ thống nước ngọt và gần đây họ đã lấn sang các môi trường đại dương rộng lớn hơn. Trong khi nguyên tắc dùng eADN thủy sinh đã hoạt động tốt, nhưng chúng ta chỉ mới bắt đầu khảo sát tiềm năng của nó trong việc phát hiện ra cá và sự phong phú của chúng trong những môi trường đại dương cụ thể. Do đó, công nghệ eADN thủy sinh đang hứa hẹn sẽ là một ứng dụng nghiên cứu khoa học và thực hành mới nhằm giúp xác định mức hạn ngạch cá bền vững; từ đó, giúp đánh giá công tác bảo tồn các loài đang gặp nguy cấp và có thể đánh giá thêm tác động của các trại điện gió ngoài khơi.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã tiến hành tìm hiểu làm thế nào mà eADN thủy sinh có thể phát hiện ra cá ở cửa sông Hudson quanh thành phố New York. Bất chấp một thực tế rằng, môi trường cửa sông ở Bắc Mỹ đã bị đô thị hóa quá mạnh, thế nhưng chất lượng nước sông đã được cải thiện trong suốt hàng thập kỷ qua và một phần cửa sông Hudson đã được phục hồi; nó đóng một vai trò quan trọng như là môi trường sống thiết yếu cho nhiều loài cá. Việc cải thiện sức khỏe của các nguồn nước địa phương được nhấn mạnh đáng kể khi mà gần đây người dân liên tục phát hiện sự xuất hiện của cá voi lưng gù và nhiều đàn cá mòi dầu Đại Tây Dương ngay tại hải cảng New York nằm ngay trong khu vực của tòa tháp Empire State. Nghiên cứu của các nhà khoa học là dữ liệu đầu tiên về các đàn cá di cư bằng cách tiến hành những xét nghiệm ADN dựa trên các mẫu nước sông. Hàng tuần, họ đã thu thập 1 lít các mẫu nước sông tại 2 thành phố Hudson và New York từ tháng Giêng đến tháng 7/2016.

Các nhà khoa học thả một cái xô xuống sông. Những mẫu nước sông vào mùa đông cho thấy có ít hoặc không có eADN cá. Nhưng bắt đầu vào tháng 4, đã có dấu hiệu về các đàn cá được phát hiện, khoảng 10 – 15 loại cá được thu thập bằng mẫu vào đầu mùa hè. Những phát hiện eADN phần lớn là ăn khớp với kiến thức đang hiện hữu về chuyển động của các loài cá, nó là thành tựu đạt được nếu so việc các nhà khoa học đã mất hàng thập kỷ để khảo sát theo kiểu truyền thống. Với công nghệ phát hiện bằng eADN thủy sinh cho thấy thời gian thật hữu ích. Nếu cái này biến mất quá nhanh thì các nhà khoa học sẽ không thể phát hiện ra nó. Nhưng nếu nó kéo dài lâu thì cũng không thể phát hiện ra những sự khác biệt theo mùa và họ sẽ tìm thấy ADN tại nhiều giống loài cá nước ngọt và cá biển cũng như các loài cá sống ở cửa sông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ADN sẽ hỏng chỉ vài giờ trong ngày, nó phụ thuộc vào nhiệt độ, dòng nước chảy và những điều kiện khác. 

Các nhà khoa học đã thu thập eADN thủy sinh và nó hoàn toàn ăn khớp với 42 loài cá biển bản địa bao gồm khoảng 80% các loài cá phổ biến. Thêm vào đó, họ cũng nhận ra rằng bằng cách dùng công nghệ mới sẽ tìm thấy được sự đa dạng và phong phú của các loài cá hơn so với cách quan sát thông thường. Sự phát hiện các loài bằng công nghệ eADN thủy sinh đã tỏ ra khá hài hòa với các quan sát truyền thống về những loài cá phổ biến ở địa phương, đây chính là một tin tốt lành cho một phương pháp mới mẻ: hỗ trợ eADN như một thứ chỉ số về số lượng cá. Các nhà khoa học đang hy vọng rằng, họ có thể phát hiện ra tất cả các loài cá bản địa, bằng cách thu thập eADN thủy sinh với dung tích lớn hơn ngay tại các điểm mới ở cửa sông và những độ sâu khác nhau. Ngoài các loài cá biển địa phương, các nhà khoa học cũng tìm thấy những loài cá hiếm và từng vắng mặt một thời gian dài: cá rô phi Nile, cá hồi Đại Tây Dương, cá mú châu Âu.

Phân tích ADN

Nghiên cứu áp dụng công nghệ eADN thủy sinh

Giao thức mà các nhà khoa học sử dụng là những phương pháp và tiêu chuẩn dụng cụ trong phòng thí nghiệm sinh học phân tử, có cùng các thủ tục như đã sử dụng cho phân tích các vi sinh vật của con người.

Sau khi tiến hành thu thập các mẫu nước, các nhà khoa học sẽ cho chúng đi qua một bộ lọc kích thước nhỏ (0.45 micron) để bẫy các vật liệu lơ lửng bao gồm các tế bào và những mảnh tế bào. Họ chiết xuất ADN từ bộ lọc, khuếch đại nó lên bằng cách sử dụng chuỗi phản ứng Polymerase (PCR). PCR y như một trình tự ADN cụ thể, nó sản sinh ra đủ bản sao và có thể dễ dàng lấy đi phân tích. Họ nhắm mục tiêu ty thể ADN – vật liệu di truyền có trong ty thể, đây là cơ quan sản sinh ra năng lượng cho tế bào. Ty thể ADN tập trung cao hơn hạt nhân AND và dễ bị phát hiện hơn. Ty thể ADN cũng cùng ở tất cả các động vật có xương sống, làm cho chúng ta dễ dàng khuếch đại nhiều loài hơn. Các nhà khoa học đã gắn thẻ cho mỗi mẫu và gửi chúng để phân tích thế hệ kế tiếp.

Nhà khoa học của Đại học Rockefeller và đồng tác giả Zachary Charlop – Powers đã sáng tạo ra loại ống dẫn sinh học nhằm đánh giá kết quả chất lượng và sản sinh ra một danh sách các chuỗi duy nhất và “đọc số” trong mỗi mẫu. Để định ra các loại này, mỗi mẫu sẽ được so sánh với những thứ tương tự có trong dữ liệu công của Ngân hàng di truyền (GenBank). Kết quả của họ phù hợp với “số đọc” tương ứng với số lượng cá, tuy vậy vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu nhằm xác định mối quan hệ eADN và sự phong phú cá. Lấy ví dụ, một số loài cá để lại ADN nhiều hơn những loài cá khác. Những ảnh hưởng tử vong của cá, nhiệt độ nước, trứng và ấu trùng cá con có thể cùng vào chung một chuỗi. Công nghệ nhận dạng eADN phụ thuộc vào cơ sở dữ liệu toàn diện và chính xác; trong một nghiên cứu thí điểm, các nhà khoa học đã nhận diện những loài cá địa phương đã bị mất tích từ dữ liệu GenBank, hoặc có trình tự không đầy đủ, hay chuỗi không bắt kịp.

Để cải thiện việc nhận diện, các nhà khoa học đã sắp xếp 31 mẫu vật đại diện cho 18 loài từ những bộ thu thập khoa học tại Đại học Monmouth (New Jersey, Mỹ), các cửa hàng mồi câu cá và chợ cá. Cuộc nghiên cứu này đã hoàn tất bởi nhà nghiên cứu sinh viên và đồng tác giả Lyubov Soboleva công tác tại Trường Trung học John Bowne ở New York. Bộ đôi đã cho ra các sắp xếp mới tại GenBank, tăng cường phạm vi bảo vệ cơ sở dữ liệu lên khoảng 80% cho các loài cá địa phương. Họ chú trọng vào cá và các loài động vật không xương sống. Các nhóm nghiên cứu khác đã áp dụng công nghệ eADN thủy sinh vào các động vật không xương sống. Về nguyên tắc, công nghệ eADN thủy sinh có thể đánh giá sự đa dạng của tất cả các loài động vật, thực vật và cuộc sống của vi sinh vật trong một môi trường cụ thể. Ngoài việc phát hiện ra các loài động vật thủy sản, eADN còn phản ánh các loài động vật trên đất liền tại những khu vực đầu nguồn gần đó. Các nghiên cứu trong tương lai có thể sử dụng những loại xe tự hành để tiến hành thu thập mẫu vật ở những nơi xa xôi hẻo lánh hay vực sâu nhằm giúp chúng ta hiểu biết tốt hơn để rồi quản lý hiệu quả sự đa dạng của đời sống đại dương.