Tesoros genómicos de los museos mineros | Ars Technica

<img src="https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2022/05/chipmunks-800×600.jpg" alt="Alpine chipmunks collected by pioneering naturalist Joseph Grinnell in the early 20th century are still preserved at the Museum of Vertebrate Zoology at the University of California, Berkeley. Recently, geneticists used DNA extracted from them to trace how the chipmunks have evolved. Museum collections like this can give researchers at time machine to the past. (

Agrandar / Las ardillas listadas alpinas recolectadas por el naturalista pionero Joseph Grinnell a principios del siglo XX todavía se conservan en el Museo de Zoología de Vertebrados de la Universidad de California, Berkeley. Recientemente, los genetistas utilizaron ADN extraído de ellos para rastrear cómo han evolucionado las ardillas listadas. Colecciones de museos como esta pueden dar a los investigadores una máquina del tiempo al pasado. (CC BY-NC 2.0)

La edad de oro de la historia natural, cuando Charles Darwin y científicos afines reflexionaron sobre las conexiones entre las criaturas y sus entornos, giró en gran medida en torno a la recolección de cosas. Los exploradores se desplegaron por todo el mundo y recogieron tantas plantas y animales como pudieron, secándolos, rellenándolos o almacenándolos en alcohol en pequeños frascos de vidrio. Los llevaron a casa a grandes museos donde el público podría echarles un vistazo y quedar asombrado.

Estas venerables colecciones pueden parecer reliquias hoy: depósitos mohosos, santuarios del saqueo imperial. Pero con miles de millones de muestras catalogadas entre ellas, las colecciones de los museos son un tesoro para los biólogos evolutivos modernos que estudian el ADN, el ARN, las proteínas y otras biomoléculas. El muestreo de tejidos de décadas o incluso siglos de antigüedad permite a los científicos capturar fragmentos del código genético de plantas y animales, incluidos los extintos, y rastrear los cambios moleculares que tuvieron lugar mucho antes de que los biólogos entendieran qué era el ADN. Los especímenes más jóvenes también son valiosos, ya que proporcionan una gran muestra para ayudar a los científicos a comparar rasgos dentro de una especie o entre especies relacionadas.

Todo esto hace que trabajar con muestras de museos sea una perspectiva tentadora para los investigadores, dice el genetista evolutivo de Harvard Daren Card, quien ha secuenciado especímenes de museos australianos para su propio trabajo sobre el desarrollo de extremidades en reptiles. La genómica de los museos está brindando información crucial sobre la historia evolutiva, los efectos del cambio climático y más, escriben Card y sus colegas en el 2021 Revisión Anual de Genética. Conocible habló con Card sobre algunos de estos proyectos y algunos desafíos que enfrenta el campo.

Esta conversación ha sido editada por su extensión y claridad.

Mucho de lo que los científicos quieren saber sobre la historia natural hoy en día está inscrito en el ADN, invisible para el ojo humano. ¿Qué pueden decirnos estas enormes colecciones de cosas biológicas antiguas sobre la interacción entre los genes y la evolución?

Históricamente, la mayoría de los investigadores de museos se centraron en nombrar especies y comprender su historia evolutiva. Tengo más interés en los vínculos entre el genoma, el código basado en el ADN que le dice a un organismo cómo construirse y funcionar por sí mismo, y los fenotipos, los rasgos que muestra una criatura.

Al observar tanto los genomas como los fenotipos, podemos estudiar cómo los organismos evolucionan y se adaptan a diferentes entornos, y las colecciones de los museos nos brindan muchas muestras para extraer para este trabajo. Los museos son una especie de máquina del tiempo: puede regresar y mirar especímenes antiguos, y se beneficia del trabajo que hizo el museo para registrar de dónde vino el espécimen, cuándo se recolectó y qué observaciones han hecho los científicos sobre él durante el décadas.

Para las especies contemporáneas, también, los especímenes en los museos pueden ser mejores que los muestreados en el campo. Habrá circunstancias en las que tendrá una criatura que ahora está extinta, o es muy rara, por lo que nadie razonablemente le permitirá tomar muestras, porque quedan como dos.

Los lagartos que estudio todavía son semi-abundantes en entornos naturales, pero tener acceso a los museos reduce el esfuerzo. He muestreado docenas de especies usando tejido alojado en museos de Australia. Si esos no estuvieran allí, habría tenido que salir y encontrar esas especies. Incluso si llegara al lugar correcto, y están dispersos por todo el continente, es posible que nunca encuentre lo que estaba buscando.

¿Cuál es un buen ejemplo de un científico que usa una colección de museo para aprender algo sobre la evolución a través de la genética?

Uno realmente bueno, que destacamos en la revisión, involucra un estudio de ardillas listadas de gran altitud en California, y cómo se han adaptado y evolucionado durante los últimos 100 años más o menos. Estos son roedores cuyo rango está restringido a las montañas de mayor altitud en California.

Existe la preocupación de que especies como estas enfrenten un gran riesgo por el cambio climático. Si las temperaturas continúan aumentando y no pueden subir más arriba en la montaña hacia un suelo más fresco, se encuentran en una situación difícil.

El trabajo original con las ardillas fue iniciado a principios del siglo XX por investigadores del Museo de Zoología de Vertebrados de la Universidad de California, Berkeley, y especialmente por un caballero llamado Joseph Grinnell, quien era un científico de museo muy influyente en ese momento. Fue prolífico en la documentación de la historia natural de Occidente, que estaba siendo fuertemente colonizado en ese momento.

Grinnell murió en 1939, pero fue clarividente y especuló que los futuros científicos utilizarían las colecciones de los museos para estudiar los cambios biológicos a lo largo del tiempo. Eso inspiró a uno de nuestros coautores en esta revisión, Craig Moritz, a organizar un equipo para volver a muestrear y secuenciar algunas de las poblaciones de gran altitud de esta ardilla, y contrastar lo que encontraron con muestras de ADN extraídas de los animales que el equipo de Grinnell recolectó y catalogó 100 hace años o así. Moritz quería ver si podían detectar cambios genéticos que sugirieran cómo el clima estaba afectando a estos organismos.

En la mayor parte del genoma, nada cambió tanto. Pero descubrieron que algunas mutaciones genéticas individuales en estos lugares de gran altitud se habían vuelto más comunes con el tiempo en algunas poblaciones, presumiblemente debido a la presión ecológica del cambio climático.

Vieron grandes cambios entre cinco variantes de un gen llamado Alox15, que se sabe que regula la capacidad de los animales para sobrevivir en entornos con poco oxígeno. Así que tal vez Alox15 es un gen importante para rastrear a medida que cambia el clima. Idealmente, los científicos ahora validarán su función. En un futuro cercano, podrían rastrear Alox15 variantes para informar las decisiones de conservación que beneficiarán a las ardillas listadas y otras especies de gran altitud. Tal vez dentro de 50 años, seremos capaces de usar la edición genética para jugar con Alox15 y hacer que los organismos amenazados sean más resistentes. Pero eso es pastel en el cielo en este punto.

¿Qué otros descubrimientos han hecho los científicos usando especímenes de museo?

Hay muchos ejemplos. Uno es un análisis de muestras del Museo de Historia Natural de Finlandia que reveló disminuciones de un siglo en la diversidad genética en dos especies de mariposas debido a la disminución de la población. Otro estudio encontró que la diversidad genética se mantuvo prácticamente sin cambios entre 1879 y 1959 para las abejas en Berna, Suiza. Esto apunta a un tipo diferente de influencia humana: en este caso, las prácticas apícolas probablemente ayudaron a las abejas.

El análisis genómico de muestras de sangre de ratones ciervos conservadas en el Museo de Biología del Sudoeste de la Universidad de Nuevo México y el Museo de la Universidad Tecnológica de Texas ayudó a los científicos a descubrir que un misterioso hantavirus que mató a 10 personas en la región de Four Corners del suroeste de Estados Unidos en 1993 había estado circulando entre los roedores de la región durante algún tiempo, sin ser detectado.

Y un estudio realmente genial salió recientemente en Naturaleza, donde los investigadores afiliados al Museo Sueco de Historia Natural y otras instituciones aislaron y secuenciaron el ADN de muestras de mamuts de un millón de años, identificando un linaje previamente desconocido de mamuts siberianos que fue un antepasado de los primeros mamuts que colonizaron América del Norte sobre el río Bering. puente de tierra. Este tipo de trabajo nos ayuda a comprender íntimamente las relaciones entre las diferentes poblaciones de animales antiguos.

¿Puedes extraer buena información molecular de algo tan antiguo?

Es impredecible. Depende del método de conservación, lo mejor es tomar un trozo de tejido y tirarlo en un congelador o en una tina de nitrógeno líquido. El tiempo también es un factor. Cuanto más tiempo permanece algo allí, más se degrada.

Obviamente, hace 100 años no sabíamos qué hacía el ADN ni cómo lo hacía. La estructura y la naturaleza del código no se descubrieron hasta las décadas de 1950 y 1960. Personas como Grinnell estaban volando a ciegas, pero generalmente conservaron las cosas de una manera que nos permite volver a ellos hoy e intentar sacarles ADN utilizable. Otras biomoléculas también están entrando en línea, lentamente.

Hay algún esfuerzo coordinado para estandarizar la forma en que se conservan las muestras, pero probablemente no tanto como debería. Creo que necesitamos una revisión. Podríamos hacerlo mucho mejor en la preservación de tejidos para estudios más prolongados.

¿Cuáles son algunos de los otros desafíos que enfrenta el campo?

Necesitamos hacer un mejor trabajo al decidir qué guardar y cómo registrar atributos importantes. Los museos siempre solían preservar un espécimen de cuerpo completo, pero últimamente estamos más interesados ​​en estos recursos genómicos o genéticos, por lo que las muestras de tejido son la clave. Pero cuando va a las bases de datos, puede ser difícil saber si una muestra recolectada, para la cual tiene una fecha, una ubicación y otra información, tiene tejido asociado del que podría tomar muestras. Para la genómica, es útil tener ambos.

Un segundo gran desafío es la digitalización y la integración de colecciones para que pueda comprender qué museo tiene el recurso A y qué museo tiene el recurso B. Hemos estado digitalizando durante al menos una década, pero no está bien integrado en todas las colecciones. Esperemos que nuestro artículo catalice un poco las cosas. Hay mucho trabajo por hacer.

¿Qué te ha mostrado la genómica del museo sobre los lagartos que estás estudiando?

Todavía estamos investigando por qué las especies de reptiles evolucionan para perder extremidades. Ha sucedido al menos un par de docenas de veces. Las serpientes son los ejemplos más famosos, por supuesto, pero sucede mucho más de lo que creo que mucha gente se da cuenta. Históricamente, ha habido una región en el genoma que ha estado implicada en la pérdida de extremidades dentro de las serpientes, la región ZRS. Pero las miradas preliminares que he hecho, incluido el examen de especímenes de museos, sugieren que esta región no es tan importante en la especie que estoy viendo. Algo más debe estar impulsando el patrón.

¿Por qué es importante entender qué región del genoma está involucrada en este tipo de cambio evolutivo?

Para un biólogo, es fundamental. ¿Qué hace que una serpiente sea una serpiente? ¿Qué hace que un pájaro sea un pájaro? La mayor parte de la variación que nos interesa como biólogos tiene que ser impulsada por la genética de alguna manera. Realmente estamos en las etapas iniciales de comprender algo de esto. Hemos hecho un trabajo decente en algunos organismos modelo, como humanos, ratones y moscas de la fruta, pero no tenemos idea de la mayor parte de la biodiversidad.

Los museos serán una gran fuente de inspiración y material para examinar esa gran pregunta en biología, y comprender la gran pregunta podría ayudarnos a resolver grandes problemas. Comprender la variación genética y las formas en que se correlaciona con la fisiología, especialmente en organismos que podría relacionar con los humanos, podría tener ramificaciones para el cuidado de la salud o para el diseño y la ingeniería de inspiración biológica.

Esta historia apareció originalmente en Knowable Magazine.

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