Varje droppe havsvatten innehåller tusentals celler som kan avslöja mångfalden av livet i vårt hav. Med hjälp av ett fristående robotlaboratorium och ett autonomt undervattensfordon, MBARI-forskare och ingenjörer utvecklar avancerade insamlingstekniker som en dag kan förenkla jobben för biologer och resursförvaltare.

En ny studie bekräftar att autonomt insamlade prover av miljö -DNA (eDNA) motsvarar prover som samlats in av människor som använder traditionella, manuella metoder. eDNA avser allt DNA som kan extraheras från ett miljöprov, inklusive från en myriad av mikroorganismer och större djur via hudpartiklar, slem, och avfall som de fäller.

En växande mängd forskning indikerar att djurlivsundersökningar med eDNA-analyser kan vara lika (eller mer) korrekta än att bara använda traditionella metoder. Som sådan, eDNA-bedömningar verkar erbjuda ett mycket lovande och kostnadseffektivt sätt att övervaka biologisk mångfald, som presenterar ett attraktivt förslag för såväl forskare som resursförvaltare som studerar havsekosystem.

Tidigare forskning inom detta område har fokuserat på provtagningsspecifikationer såsom de typer av filter som används för att koncentrera eDNA från vattenprover eller metoderna för att analysera och tolka eDNA-signaler som finns i dessa prover. Det är fortfarande en stor utmaning att förstå hur forskare kan tillämpa eDNA-analystekniker över stora hav eller under långa tidsperioder. För närvarande, eDNA-undersökningar i öppet hav kräver lång fartygstid, vilket är dyrt, arbetsintensiva, och begränsande.

För att ta itu med dessa problem, författarna till den nya studien använde en ny generation av MBARI:s Environmental Sample Processor (ESP) och parade ihop den med MBARI:s autonoma undervattensfordon (LRAUV) med lång räckvidd.

ESP är ett kompakt robotlaboratorium som automatiserar insamling och bearbetning av vattenprover. Den version som används i denna studie kan ta upp till 60 prover. LRAUV bär instrumentet, gör att den kan sträcka sig fritt i havet i dagar till veckor från ytan till 300 meters (984 fot) djup samtidigt som den samlar in prover vid vissa tidpunkter eller under specifika miljöförhållanden. Resultatet:ett system som möjliggör insamling av eDNA till havs utan mänsklig närvaro i fält.

"Sammanslagningen av robotik, DNA-analys och marina operationer kommer att leda till en transformation av hur vi gör havsvetenskaper och detta eDNA-arbete är bara början, sa Jim Birch, som övervakar MBARI-gruppen som utvecklade ESP.

Forskarnas syfte var att jämföra ESP:s förmåga att automatiskt samla in prover i förhållande till etablerade protokoll som förlitar sig på mänskliga händer. Prover för dessa tester kom från Kelp Forest Exhibit på Monterey Bay Aquarium och från själva Monterey Bay.

Studien tittade på DNA från små organismer som mikrober och växtplankton samt större djur som krill och ansjovis. Teamet testade också ESP:s effektivitet för att bevara DNA -prover som finns kvar ombord på LRAUV medan det är till sjöss.

"Det första steget i att" lita på "robotsamlingar är att visa att de ger likvärdiga resultat till traditionella metoder. Detta arbete är en spännande bekräftelse på det första kritiska steget, sa Birch.

För proverna som samlas in och bevaras automatiskt, eDNA-koncentrationerna var nästan lika med de som samlades in med manuella metoder för både de mindre mikroberna och växtplanktonet samt de större krillen och ansjovisen. ESP-bevarade prover av eDNA visade inga skillnader i koncentration för någon av de testade organismerna under en 21-dagars tidsram - den tid som LRAUV kan vara utplacerad och borta från land.

"LRAUV är ett smidigt tillvägagångssätt för ekosystembedömning. Instrumentet kan användas dag eller natt och i dåligt väder, möjliggör snabb respons på händelser, " sa Kelly Goodwin, en medförfattare till studien från National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). "Eftersom en stor, dyrt fartyg krävs inte, prover kan samlas in oftare. Bättre provtäckning kan hjälpa modeller och prognoser, which help keep waters and seafood safe and help sustain the services we get from the ocean, like fishing."

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.