Projektbeskrivning – Nästa generation metabarkoding för miljö- och diet DNA

Simsen Diagnostics och eDNA solutions AB har fått beviljat stöd från forskningsrådet för hållbar utveckling till att utveckla nästa generations verktyg för övervakning av biologisk mångfald. Projektet görs i samarbete med forskare från Göteborgs universitet, Oslo Universitet samt Sveriges lantbruksuniversitet och totalt är stödet på 3.6M SEK. Pressmeddelande går att hitta här. Nedan följer en populärvetenskaplig projektbeskrivning

Övervakning av biologisk mångfald ses som en allt viktigare pusselbit i övergången till ett hållbart samhälle. Ett kritiskt steg i skyddet av biologisk mångfald är identifiering och övervakning av arter som kan vara patogena, giftiga, invasiva och hotade. Kontexten är att biologisk mångfald är en förutsättning för intakta och fungerande ekosystem. Dessa ekosystem ger livsutrymme för människor, djur och växter och utgör vår naturliga försörjning: De ger mat, byggmaterial, aktiva ingredienser för läkemedel och energikällor. De reglerar klimatet och är viktiga för jordbildning, näringscykler och rent dricksvatten. Skyddet av biologisk mångfald är därför viktigt för den ekonomiska, sociala och kulturella utvecklingen för nuvarande och framtida generationer. Nuvarande metoder för att samla in data om biologisk mångfald är kostsamma, tidskrävande, kräver specialiserad personal och tar inte hänsyn till pågående tekniska framsteg. Med den senaste utvecklingen inom datorstödda och molekylära metoder finns det nya möjligheter för miljöövervakningen, särskilt i samband med miljö-DNA-metoder (eDNA) och diet-DNA-analyser (dDNA). De finns många fallstudier som tydligt visar hur eDNA och dDNA teknik är överlägsen visuella metoder för att påvisa förekomst av olika arter i naturen och dieten hos olika organismer.

För närvarande baseras eDNA- och dDNA-analystekniker huvudsakligen på kvantitativ PCR och Metabarcoding. Med Metabarcoding menas sekvensering av markörgener. Detta är en kraftfull analysmetod som är av särskilt intresse i sammanhang gällande biologisk mångfald och dietanalys. Med metabarcoding är det möjligt att påvisa ett stort antal arter via deras DNA i provet. Analysen kräver sofistikerade molekylära och bioinformatiska verktyg. Data kan användas på ett flertal olika sätt, bl.a. för att kvantifiera den samlade biologiska mångfalden men även påvisa patogener, invasiva och hotade arter. Dessutom kan särskilt högupplöst sekvensinformation för arten användas för att inte bara beskriva närvaro av arter, utan även påvisa den ekologiska dynamiken i näringsvävar och populationsstrukturer (t.ex. släktskap) samt genotyper för riskbedömningar för t.ex. utrotning och analys av spridningsvägar för invasiva arter.
Även om analysmetoden har blivit väldigt sofistikerad så finns de fel i sekvenser som uppstår under processens gång (dels under biblioteksförberedelsen och dels under själva sekvenseringen). Detta leder till osäkerheter i bestämning av arter och populationsstrukturer. Avancerade beräkningsmetoder har utvecklats för att rensa upp dessa fel men de har sina begränsningar. I detta planerade projekt kommer vi att utveckla metodiken “simple, multiplexed, PCR-based barcoding of DNA for sensitive mutation detection using sequencing (SiMSen-seq)” för ultrakänslig övervakning av biologisk mångfald genom analys av eDNA och dDNA. Metoden SiMSen-Seq analyserar enskilda molekyler genom att addera en unik, slumpmässig, DNA-sekvens till varje DNA-molekyl. När DNA:t sedan kopieras och sekvenseras för analys går det att identifiera vilka molekyler som kopierades från samma ursprungsmolekyl samt räkna bort de fel som skapats på vägen. Metoden har framgångsrikt används för att upptäcka extremt låga nivåer av tumör-DNA i blodprover. Intressant nog delar tumör-DNA i blod, eDNA och dDNA flera utmaningar, bland annat genom att vara nedbrutet, i låga kvantiteter och utvunnet från komplexa prover. Vi har idag utvecklat ett proof-of-concept för eDNA. Kombinerat med övriga partners expertis inom bioinformatisk analys samt provkännedom finns en unik kombination av erfarenheter.

Metodutvecklingen skall appliceras och breddas i ett befintlig projekt som har som mål att rekonstruera den marina näringsväven i Skagerrak, Kattegatt och Oslofjorden (SKO-område) och undersöka födovalet hos individuella arter och populationer. Förändringar i näringsväven i svenska och andra kustnära vatten runt om i världen har haft stor påverkan på marint fiske. I SKO-området är läget väldigt kritiskt för torsken, som är en nyckelart i våra marina ekosystem. Överfiske och de kombinerade effekterna av havsbaserade aktiviteter och klimatförändringar på resurser och ekosystem har förändrat den marina näringsväven och sätter såväl den biologiska mångfalden som fiskesektorn i fara. En förbättring av förvaltningen av fiske och vattenbruk är avgörande för att säkerställa att framtida generationer fortsätter att dra nytta av havets resurser och ekosystemtjänster.