O ar está cheio de DNA: veja para que os cientistas estão usando isso

Ryan Kelly fica maravilhado com aquilo que flutua invisivelmente no ar.

“É algo absolutamente impressionante”, disse Kelly, que estuda DNA ambiental (eDNA) na Universidade de Washington, em Seattle. “Estamos completamente cercados por informações na forma de DNA e RNA, o tempo todo.”

Há muito tempo os cientistas extraem DNA da água e do solo, mas só recentemente passaram a enxergar o ar como uma fonte de informações genéticas. Na última década, pesquisadores vêm aprendendo a medir o DNA presente no ar, estudar sua abundância e usá-lo para compor um retrato dos habitantes e da saúde de um ecossistema. O DNA aerotransportado está sendo utilizado para monitorar espécies específicas e está sendo testado como uma forma de detectar espécies invasoras ou ataques com armas biológicas. Também vem sendo avaliado como uma ferramenta para medir o sucesso de esforços de conservação.

A técnica promete conectar “toda a biodiversidade, todo o mundo por meio de um único teste que é realmente rápido e que pode até ser realizado em campo e analisado na nuvem”, afirmou David Duffy, pesquisador especializado em genômica de doenças da vida selvagem na Universidade da Flórida, em St. Augustine.

No entanto, ainda há muitas questões a serem esclarecidas, como a velocidade com que o DNA se degrada no ar e a distância que ele pode percorrer. Parte do material genético coletado é de origem humana, e vários cientistas estão preocupados com o fato de que, ao utilizar essa técnica em pesquisas de conservação, ela possa revelar inadvertidamente informações sobre a etnia das pessoas ou a presença de doenças genéticas, e até mesmo ser usada para identificar indivíduos.

Ao coçar a cabeça, você liberará no ar um material celular rico em DNA. Ali, ele se misturará ao DNA proveniente de inúmeras outras fontes: suas próprias exalações e células descamadas, bem como as de outras pessoas, fragmentos de cabelos e pelos, penas, excrementos, pólen e esporos, além de microrganismos como vírus e microalgas. Esse DNA, que pode incluir segmentos com dezenas de milhares de pares de bases, permanecerá circulando no ar por alguns dias, muitas vezes aderido a partículas de poeira. Ele pode percorrer distâncias que variam de poucos metros a vários milhares de quilômetros.

Embora o DNA já seja coletado rotineiramente na água, na neve e no solo para obter informações sobre biodiversidade ou para rastrear contaminantes e vírus, os cientistas normalmente não monitoravam essas fontes no ar além do pólen e dos esporos.

Entretanto, no início da década de 2010, porém, diversos ecólogos começaram a se perguntar se o ar poderia conter vestígios úteis de DNA além daqueles protegidos por essas estruturas dispersas pelo vento. Em 2013, os biólogos Matt Clark, do Museu de História Natural de Londres, e Richard Leggett, do Earlham Institute, em Norwich, Reino Unido, coletaram amostras de ar dentro e fora de uma estufa.

“Nós simplesmente queríamos saber se encontraríamos alguma coisa”, afirmou Clark. “Na verdade, encontramos dezenas de coisas aparecendo.”

Ao mesmo tempo, na Texas Tech University, em Lubbock, o ecólogo Matthew Barnes analisou amostras de ar utilizando técnicas desenvolvidas para a coleta de eDNA aquático e descobriu que elas estavam repletas de DNA de folhas e flores, além de tipos de pólen que não foram projetados para dispersão pelo vento. Nesse momento, ele percebeu o potencial da técnica para compreender comunidades vegetais inteiras por meio do ar.

Mas foi a descoberta de DNA de tigre nas proximidades de Cambridge, no Reino Unido, que chamou a atenção da comunidade científica para o potencial do DNA aerotransportado. Elizabeth Clare, da York University, em Toronto, Canadá, e Joanne Littlefair, da University College London, queriam saber se seria possível encontrar DNA de animais no ar. Elas coletaram amostras em um pequeno zoológico em Cambridgeshire, no Reino Unido, partindo do princípio de que conseguiriam identificar a origem de qualquer DNA encontrado, já que os animais exóticos permaneciam confinados ao parque.

No laboratório, as pesquisadoras extraíram o DNA das amostras, amplificaram-no e realizaram seu sequenciamento. Descobriram que era possível detectar tigres a 200 metros de distância de seu recinto, bem como muitos outros animais do zoológico, seus alimentos, incluindo frango, cavalo e porco, e animais silvestres, como ouriços, morcegos e esquilos. No total, as amostras continham DNA de 25 espécies de mamíferos e aves, incluindo 17 mantidas no zoológico. Outro estudo, realizado próximo ao Zoológico de Copenhague e publicado na mesma época, chegou a conclusões semelhantes.

“O DNA animal presente no ar sempre esteve lá, no entanto, simplesmente nunca tínhamos procurado por ele”, afirmou Simon Creer, pesquisador de ecologia molecular da Bangor University, no Reino Unido.

Mas foi um físico quem encontrou uma maneira de ampliar a escala do método. James Allerton, do National Physical Laboratory, em Londres, sugeriu que Clare analisasse amostras coletadas pela rede britânica de monitoramento de metais pesados (UK Heavy Metals Monitoring Network), que conta com 25 bombas de amostragem de ar instaladas em cidades, áreas rurais e locais industriais.

Os pesquisadores estudaram amostras provenientes de 15 locais da rede e, no ano passado, publicaram o que consideram ser o primeiro levantamento nacional da biodiversidade terrestre utilizando eDNA aerotransportado. Eles identificaram animais comuns do Reino Unido, além de animais de estimação exóticos, como papagaios, e uma espécie invasora de peixe, a carpa-prateada (Hypophthalmichthys molitrix), cuja presença na região não havia sido registrada anteriormente. De vertebrados a protistas unicelulares, foram detectados 1.100 táxons.

Para verificar a confiabilidade do método, os pesquisadores compararam seus resultados com dados de grandes bancos de dados, como o iNaturalist, no qual cientistas cidadãos registram as espécies que observam. Essa plataforma não identificou metade dos organismos encontrados pela equipe. Por outro lado, o eDNA não refletiu 43% das observações registradas na plataforma. A ciência cidadã tende a registrar mais aves e outras espécies carismáticas e facilmente visíveis, especialmente próximas a áreas habitadas por pessoas. Já o DNA aerotransportado detectou mais organismos pequenos, invisíveis ou de hábitos noturnos, incluindo fungos, líquens, invertebrados e plantas que não são árvores, explicou Littlefair. “Esses organismos são, de fato, os grandes motores do funcionamento dos ecossistemas.”

Segundo a equipe, o método representa “uma solução realista para monitorar a dinâmica da vida em ambientes terrestres”. Atualmente, os pesquisadores estão auxiliando países que possuem redes de monitoramento semelhantes a implementar a mesma abordagem.

Mas e se fosse possível aproveitar uma rede que bombeia enormes quantidades de ar através de seus filtros e que possui registros que remontam a décadas? Em 2015, o biólogo molecular Per Stenberg, da Universidade de Umeå, na Suécia, ouviu falar exatamente dessa possibilidade: um histórico de 70 anos da biodiversidade, registrado em vestígios de DNA capturados em dezenas de milhares de filtros e armazenados na Agência Sueca de Pesquisa em Defesa, em Estocolmo.

Ele participava de um seminário sobre a rede sueca de detecção de radionuclídeos, criada no fim da década de 1950 para identificar testes de armas nucleares. As estações da rede aspiram centenas de metros cúbicos de ar por hora, e o material coletado fica retido em filtros de fibra de vidro, que são posteriormente armazenados.

Stenberg começou então a analisar filtros provenientes de uma estação localizada ao norte do Círculo Polar Ártico. Enquanto a equipe de Littlefair buscava pequenas regiões marcadoras do DNA que permitem identificar espécies individuais, Stenberg utilizou o sequenciamento shotgun, no qual o DNA é fragmentado em pequenas partes, sequenciado e comparado por computador a genomas de referência conhecidos. Essa abordagem exige mais tempo e recursos computacionais, além de técnicas estatísticas mais complexas. Em contrapartida, fornece resultados mais detalhados.

Foram necessários quatro anos até que ele e seu colaborador Mats Forsman, diretor de pesquisa da agência, obtivessem os primeiros resultados.

“Vírus, bactérias, fungos, plantas, animais, aves, peixes... os parasitas intestinais dos alces”, relatou Stenberg. “Quero dizer, tudo o que estava presente e possuía uma referência genômica para comparação nós conseguíamos detectar, praticamente todos os organismos que não eram extremamente raros no ecossistema.”

Segundo ele, os resultados demonstraram que a técnica era confiável. “Então pensamos: uau. Isso é algo que realmente precisamos explorar.”

Os ecólogos estão fazendo exatamente isso: documentando flutuações semanais, sazonais e cíclicas na abundância de muitas espécies e as relacionando às mudanças climáticas. Eles também identificaram transformações de longo prazo nas comunidades biológicas, como o aumento e a posterior redução da abundância de pinheiros em resposta a mudanças nas práticas de manejo florestal, acompanhado por um declínio de outras árvores, musgos, líquens e fungos. Além disso, acompanharam ao longo do tempo correlações já conhecidas entre diferentes espécies, como aquelas observadas entre moscas e determinadas bactérias, e descobriram novas associações.

A Europa é repleta de estações de detecção de radionuclídeos que, segundo Stenberg e seus coautores, podem oferecer “uma oportunidade sem precedentes para reconstruir a história ecológica e detectar mudanças em curso”.

Essas redes, no entanto, estão instaladas em locais fixos. Por isso, alguns cientistas vêm experimentando formas mais flexíveis de monitoramento. Erin Hahn, pesquisadora de genética da conservação da Coleção Nacional Australiana da Vida Selvagem, em Canberra, desenvolveu e produziu em impressoras 3D amostradores passivos, que não necessitam de alimentação elétrica, distribuindo-os a proprietários rurais em diversas regiões de Nova Gales do Sul.

Sua equipe ainda está na fase piloto do projeto. “Há inúmeras variáveis relacionadas ao fluxo de ar, à exposição à luz e à proximidade de trilhas utilizadas por animais”, explicou Hahn. “Estamos apenas começando a investigá-las para compreender melhor como o DNA se desloca pelo ambiente.”

O objetivo final de Hahn é criar uma rede de monitoramento ágil e adaptável, capaz de identificar mudanças rapidamente, sinalizando a presença de espécies invasoras ou o declínio acentuado de populações que necessitem de ações de manejo e conservação.

Para governos, empresas, cientistas e profissionais da conservação que buscam monitorar a saúde dos ecossistemas, o DNA presente no ar pode fornecer uma avaliação abrangente e periódica da biodiversidade terrestre.

“Isso significa que podemos avaliar rapidamente os ambientes antes, durante e depois de medidas de mitigação e não apenas acreditar que estamos melhorando a biodiversidade, mas realmente dispor de uma medida quantitativa”, afirmou Duffy, que está avaliando o potencial dessa tecnologia para acompanhar a restauração de florestas.

As análises de DNA também podem ajudar a registrar a vitalidade dos ecossistemas, por meio do monitoramento da carga de patógenos e da diversidade genética de espécies individuais, um importante indicador de saúde ecológica.

Existem ainda outras questões ecológicas fundamentais que o DNA transportado pelo ar pode ajudar a responder. O grupo de Stenberg está desenvolvendo modelos com o objetivo de compreender relações de causa e efeito nos ecossistemas.

“Sabemos que as raposas comem coelhos, e que esses, por sua vez, se alimentam de determinadas plantas, e assim por diante”, disse Stenberg. “Mas, quando falamos do ecossistema como um todo basicamente não fazemos ideia de como tudo se conecta.”

A obtenção de informações mais detalhadas poderá fornecer conhecimento prático sobre a forma como os ecossistemas reagem a danos e perturbações ambientais.

Mas, antes disso, ainda há muitos desafios a serem resolvidos.

Por exemplo, por que DNA de bacalhau apareceu em uma amostra coletada em uma floresta sueca localizada a 160 quilômetros do mar? Stenberg encontrou uma explicação ao associar esse resultado à chegada de fortes ventos vindos do norte. E o que significa, questiona Hahn, quando uma amostra coletada na propriedade de um agricultor contém DNA de rato? O animal passou por ali no dia anterior? Ou fragmentos centenários de excrementos de rato foram carregados pelo vento a partir de um antigo depósito de resíduos em decomposição?

Segundo Creer, há quatro questões fundamentais que determinarão como o DNA transportado pelo ar deve ser interpretado: como o DNA chega ao ambiente, em que estado ele se encontra, quanto tempo leva para se degradar e de que forma é transportado.

Andrew Nisbet também está tentando responder a essas perguntas. Ele lidera o desenvolvimento de tecnologias inovadoras de monitoramento na Natural England, órgão consultivo do governo britânico sediado em York que atua na proteção e restauração do ambiente natural da Inglaterra.

“Se instalarmos apenas um coletor”, disse, “isso nos dará um retrato de toda uma reserva natural ou deveríamos instalar dez? Se o operarmos por apenas um dia, isso será suficiente?”

Nisbet acredita que, atualmente, o DNA atmosférico é menos útil do que técnicas como a identificação acústica de espécies, que utiliza sons para reconhecer animais, e o monitoramento por satélite. Para ele, os pontos fortes do DNA transportado pelo ar podem, inicialmente, estar em aplicações nas quais “uma única descoberta [confirmada] já responde à pergunta” — por exemplo, confirmar a chegada de uma espécie invasora ou de um patógeno.

Essa é justamente a área de interesse de Clark e Leggett. Desde a primeira descoberta de DNA vegetal sendo transportado pelo ar, eles desenvolveram uma tecnologia capaz de detectar patógenos agrícolas conhecidos semanas antes de causarem danos visíveis às lavouras, uma informação que, segundo eles, pode permitir um uso mais criterioso de pesticidas.

Neste ano, Clark e Leggett lançaram uma empresa derivada (spin-off) que utiliza uma tecnologia chamada AirSeq, a qual, segundo afirmam, pode ser empregada para monitorar doenças humanas e animais, bem como a resistência antimicrobiana.

“Estamos interessados em ver o que as pessoas poderão fazer com ela”, afirmou Clark.

Uma das vantagens desses sistemas é que eles conseguem captar tudo o que está presente em um ambiente e fornecer uma visão geral da composição biológica local, em vez de procurar apenas patógenos específicos. Essa característica é útil para a área de defesa, afirmou Jamie Marsay, engenheiro da fabricante de detectores Kromek, sediada em Sedgefield, no Reino Unido, pois pode ser importante identificar novos patógenos ou armas biológicas desenvolvidas por engenharia genética. Inicialmente em colaboração com Clark e Leggett, ele está desenvolvendo um dispositivo do tamanho aproximado de uma caixa de sapatos capaz de coletar continuamente amostras de ar, extrair o DNA e alimentar um algoritmo que identifica sequências associadas à virulência ou ao potencial de causar doenças respiratórias.

No entanto, a ideia de coletar continuamente DNA presente no ar em espaços públicos preocupa alguns cientistas, que levantam questões semelhantes às já discutidas em relação à análise de DNA em águas residuais.

Basta expirar durante uma caminhada ao entardecer para que fragmentos do seu DNA possam ser carregados pelo ar e capturados por um coletor urbano discretamente instalado. Segundo Duffy, o sequenciamento shotgun, utilizando técnicas emergentes, baratas e portáteis capazes de gerar informações que auxiliam na identificação de indivíduos, já pode produzir resultados em campo praticamente em tempo real.

Sua equipe demonstrou que isso é possível ao coletar amostras de ar e de vidraças não lavadas em Dublin, na Irlanda, e na Flórida, nos Estados Unidos. A partir dessas amostras, os pesquisadores conseguiram distinguir indivíduos pertencentes à mesma espécie animal.

Por razões éticas, eles não aplicaram esse tipo de sequenciamento ao DNA humano encontrado nas amostras, conhecido como captura incidental de genoma humano (human genomic by-catch). Ainda assim, análises de fragmentos curtos de DNA revelaram informações sobre ancestralidade humana e algumas doenças genéticas.

Muitos pesquisadores da área veem com preocupação as implicações desse tipo de captura incidental. “Se simplesmente respirar já coloca seu DNA no ar, como isso se relaciona com a forma como entendemos a privacidade?”, questionou Kelly, coautor de um artigo publicado em 2023 que defende uma moratória nos estudos de DNA humano obtido a partir de amostras ambientais até que princípios globais sejam estabelecidos.

Algumas revistas científicas adotaram essa moratória, como a revista Environmental DNA, da qual Creer é editor-chefe. Creer e outros pesquisadores esperam formar um grupo multidisciplinar para avaliar as implicações éticas dessa tecnologia.

Pesquisadores de outras áreas também estão intrigados com as possibilidades. Peter Gill, geneticista forense da Universidade de Oslo, e seus colegas vêm avaliando o DNA atmosférico coletado em escritórios e sistemas de ar-condicionado para investigar seu potencial como ferramenta forense.

“É possível detectar no ar o DNA de pessoas que estiveram recentemente em um edifício, dentro de um período de aproximadamente um dia”, afirma Gill. Para registros de mais longo prazo, ele destaca o DNA acumulado sobre superfícies.

“Você pode coletar a poeira acumulada sobre um batente de porta, um local que normalmente não é limpo. Dessa forma, terá uma espécie de pequeno registro histórico das pessoas que passaram por aquele ambiente.”

Segundo Gill, o DNA transportado pelo ar pode ser útil para a ciência forense, desde que suas limitações sejam devidamente consideradas. Essas são semelhantes às das técnicas já estabelecidas para análise de DNA deixado em superfícies tocadas: é necessário dispor de um banco de dados de DNA humano para comparação, e uma correlação representa uma probabilidade estatística, não uma correspondência absoluta.

O que mais preocupa alguns cientistas é a possibilidade de uma reação negativa que resulte em restrições à pesquisa. Por isso, para Creer, é importante agir com cautela, “para que isso não prejudique o mundo extremamente empolgante e inovador da descoberta da biodiversidade por meio do DNA ambiental”.