Elke druppel zeewater bevat duizenden cellen die de diversiteit van het leven in onze oceaan kunnen onthullen. Met behulp van een zelfstandig robotlaboratorium en een autonoom onderwatervoertuig, Wetenschappers en ingenieurs van MBARI ontwikkelen geavanceerde verzameltechnieken die op een dag het werk van biologen en resourcemanagers kunnen vereenvoudigen.

Een recent onderzoek bevestigt dat autonoom verzamelde monsters van omgevings-DNA (eDNA) gelijkwaardig zijn aan monsters die zijn verzameld door mensen die traditionele, handmatige methoden. eDNA verwijst naar al het DNA dat kan worden geëxtraheerd uit een milieumonster, waaronder van talloze micro-organismen en grotere dieren via huiddeeltjes, slijm, en afval dat ze vergieten.

Een groeiend aantal onderzoeken geeft aan dat natuuronderzoek met behulp van eDNA-analyses net zo (of nauwkeuriger) kan zijn dan alleen het gebruik van traditionele methoden. Als zodanig, eDNA-beoordelingen lijken een veelbelovend en kosteneffectief middel te bieden voor het monitoren van biodiversiteit, wat een aantrekkelijke propositie biedt voor zowel onderzoekers als resourcemanagers die oceaanecosystemen bestuderen.

Eerder onderzoek op dit gebied was gericht op specifieke monsternames, zoals de soorten filters die worden gebruikt om eDNA uit watermonsters te concentreren of de methoden voor het analyseren en interpreteren van eDNA-signalen die in die monsters worden gevonden. Het is nog steeds een grote uitdaging om te begrijpen hoe onderzoekers eDNA-analysetechnieken kunnen toepassen over grote uitgestrekte oceanen of over lange perioden. Momenteel, eDNA-onderzoeken op open zee vereisen veel scheepstijd, wat duur is, arbeidsintensief, en beperkend.

Om die problemen aan te pakken, de auteurs van de nieuwe studie gebruikten een nieuwe generatie MBARI's Environmental Sample Processor (ESP) en combineerden deze met MBARI's autonome onderwatervoertuig voor lange afstand (LRAUV).

De ESP is een compact robotlaboratorium dat het verzamelen en verwerken van watermonsters automatiseert. De versie die in dit onderzoek wordt gebruikt, kan tot 60 monsters verkrijgen. De LRAUV draagt ​​het instrument, waardoor het dagen tot weken vrij in de oceaan kan variëren van het oppervlak tot 300 meter (984 voet) diepte, terwijl het op bepaalde tijden of onder specifieke omgevingsomstandigheden monsters verzamelt. Het resultaat:een systeem dat eDNA-verzameling op zee mogelijk maakt zonder menselijke aanwezigheid in het veld.

"De samensmelting van robotica, DNA-analyse en mariene operaties zullen leiden tot een transformatie in de manier waarop we oceaanwetenschappen doen en dit eDNA-werk is nog maar het begin, " zei Jim Berk, die toezicht houdt op de MBARI-groep die de ESP heeft ontwikkeld.

Het doel van de onderzoekers was om het vermogen van de ESP om automatisch monsters te verzamelen te vergelijken met gevestigde protocollen die afhankelijk zijn van mensenhanden. Monsters voor deze tests kwamen van de Kelp Forest Exhibit in het Monterey Bay Aquarium en van Monterey Bay zelf.

De studie keek naar DNA van kleine organismen zoals microben en fytoplankton, maar ook naar grotere dieren zoals krill en ansjovis. Het team testte ook de effectiviteit van de ESP om DNA-monsters te bewaren die aan boord van de LRAUV blijven terwijl deze op zee is.

"De eerste stap in het 'vertrouwen' van robotcollecties is om te laten zien dat ze gelijkwaardige resultaten opleveren als traditionele methoden. Dit werk is een opwindende bevestiging van die eerste cruciale stap, ' zei Berk.

Voor de monsters die automatisch worden verzameld en bewaard, de eDNA-concentraties waren bijna gelijk aan die verzameld met handmatige methoden voor zowel de kleinere microben en fytoplankton als de grotere krill en ansjovis. ESP-geconserveerde monsters van eDNA vertoonden geen verschillen in concentratie voor een van de geteste organismen over een tijdsbestek van 21 dagen - de tijdsduur dat de LRAUV kan worden ingezet en weg van de kust.

"De LRAUV is een wendbare benadering van ecosysteembeoordeling. Het instrument kan dag en nacht en bij slecht weer worden ingezet, snelle reactie op gebeurtenissen mogelijk maken, " zei Kelly Goodwin, een co-auteur van de studie van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). "Omdat een grote duur schip is niet nodig, monsters kunnen vaker worden verzameld. Een betere steekproefdekking zou modellen en voorspellingen kunnen helpen, die helpen om water en zeevruchten veilig te houden en de diensten die we van de oceaan krijgen te ondersteunen, zoals vissen."

The ability to collect DNA in a more cost-effective (and time-effective) manner has the potential to revolutionize the way we approach ocean science and ecosystem monitoring. From studies of open-ocean eddies to rivers and lakes, automated sample collection and analytical systems offer opportunities for furthering our understanding of ocean processes, as well as tracking managed, invasive, or harmful species.

"This study demonstrates the ability to collect eDNA samples autonomously to make observations of complex biological processes at fine-scale temporal and spatial resolutions that are not possible to accomplish today using conventional sampling methods, " concluded MBARI Research Specialist Kevan Yamahara.