Dna-analys för biologisk mångfald

Leif Andersson var förbryllad. Som ung biologistudent på 1970-talet hade han fått i uppgift att undersöka de genetiska skillnaderna mellan sill och strömming. De tillhör samma art, men lever i helt olika miljöer. Strömming i norra Östersjöns bräckta vatten borde ha mycket lite gemensamt med de större sillarna i Atlanten som lever i betydligt saltare vatten.

– Vi kunde titta på 13 gener och hittade ingen som helst skillnad. De var precis lika, minns Leif Andersson.

Då, i dna-teknikens barndom, var resultaten lika tydliga som de var orimliga. Hur kunde en fiskart som levde i så olika miljöer inte uppvisa några genetiska skillnader? Han misstänkte redan då att han inte såg hela bilden, att svaren låg gömda i generna på ett sätt som han då inte kunde studera.

– Vi kunde inte sekvensera vare sig proteiner eller gener på den tiden, säger Leif Andersson.

I dag är han professor i funktionell genomik vid Uppsala universitet, och därigenom expert på ett fält som inte ens existerade när han var student. Inom genomiken studeras hela genomet – det vill säga allt dna – hos en organism, i stället för enstaka gener. Det är ett fält där utvecklingen har tagit sjumilakliv de senaste åren. Utvecklingen började på 1990-talet när mikrobiologer och genetiker världen över gick ihop för att kartlägga hela den mänskliga arvsmassan. Resultatet blev ett referensgenom för människan som har möjliggjort stora genomslag inom medicin, som genterapier och upptäckten av genetiska riskfaktorer för cancer.

Nu är de här teknikerna på väg in i naturvården och ambitionerna är höga: att rädda den biologiska mångfalden.

En av fyra arter är i dag utrotningshotade. Det skriver FN:s forskarpanel för biologisk mångfald och ekosystemtjänster (IPBES) i sin officiella rapport från 2019. Läget är akut. Begrepp som artdöd, massutrotning och kraschade ekosystem förekommer ofta i debatten, men för att förstå dessa hot måste vi gå djupare. Ända ner till cellkärnan.

För att en art ska vara livskraftig krävs genetisk variation. Genomet är snarlikt hos olika individer av samma art, men aldrig exakt likadant. Skillnaderna kan vara stora, som gener som påverkar synen, eller bestå i små, små förändringar i dna-molekylen som går helt obemärkta förbi. Gen-poolen är som artens verktygslåda, och en population med låg genetisk variation är som en låda med bara skruvmejslar. För att vara rustad för framtida problem, oavsett om det är miljöförändringar eller sjukdomar, behövs många olika verktyg.

Tekniker för att jämföra gener används redan inom naturvården. Länsstyrelserna nyttjar dna-tekniker i sina rovdjursinventeringar för att beräkna storlek på bestånd och kartlägga släktskap mellan till exempel vargar. Men teknikerna är baserade på enstaka gener och precis som med Leif Anderssons sillar är det mycket information som faller bort.

– När vi kunde titta på hela sillens genom fick vi en helt annan bild, säger Leif Andersson.

Så fort tekniken mognade och hans forskargrupp äntligen kunde kartlägga hela sillens genom gick de tillbaka till de gamla proverna för att få svaret på frågan som hade gäckat honom sedan 1970-talet. Och svaret var överraskande. Inte nog med att det var skillnad på sill och strömming, det var dessutom skillnad på strömming och strömming.

– Vi upptäckte att det är mycket mer lokala anpassningar än vad vi trodde.

Strömmingen i till exempel Bottenhavet består inte bara av ett, utan av flera mindre bestånd. Ändå regleras fisket av EU som om det var ett och samma. Det är problematiskt eftersom tio fiskar som vid en provtagning är genetiskt olika också kan komma från tio olika bestånd. Siffrorna säger samtidigt ingenting om hur de individuella bestånden mår, eller hur nära de är att utfiskas.

Nu hoppas han att genomiken kan säkra sillens och strömmingens framtid. Leif Anderssons forskargrupp har tagit fram ett chip som kan läsa av 3 500 dna-markörer. Det är de platser i sillens arvsmassa som skiljer sig mest åt mellan bestånden. Tanken är att man med bara en liten bit av en fena kan analysera en fisks dna med chippet och få reda på vilket bestånd den kommer ifrån.

– Det är precis samma idé som om du gör ett dna-test och får tillbaka att du är 70 procent skandinav och 20 procent från Nederländerna, säger Leif Andersson.

Drömmen är att analysen ska kunna göras i real-tid, direkt på fiskebåten. Om den visar att fisken man tar upp kommer från ett svagt bestånd, åker man helt enkelt vidare och ger beståndet en chans att återhämta sig.

Sillens referensgenom ligger till grund för chippet. Med hjälp av det har forskarna kunnat jämföra olika gener och mindre förändringar i fiskens dna och hittat de mest användbara punkterna, på samma sätt som mänskliga genomstudier har visat på förändringar kopplade till cancer.

– Referensgenomet är en karta över hela arvsmassan, säger Leif Andersson.

De senaste åren har flera världsomspännande projekt startats med det gemensamma målet att skapa ett referensgenom för alla svampar, växter och djur. Sedan i höstas finns det en europeisk gren. The European Genome Atlas, förkortat Erga, finansieras av EU-anslag och vill rädda den bio­logiska mångfalden inifrån labbet.

Som en del av Erga ska Leif Anderssons forskargrupp undersöka den genetiska variationen hos makrill och torskfisken blåvitling, som kanske kommer att följa samma mönster som sillen med lokala anpassningar och många bestånd. Ett labb i Storbritannien arbetar just nu med att ta fram referensgenomen, och Leif Anderssons grupp ska leda de studier som kartlägger den genetiska variationen inom fiskbestånden.

Att ta fram ett referensgenom är inte helt lätt. Det kräver dyra och avancerade sekvenserings­tekniker som kan avläsa arvs­massan utan att hacka upp den i för många småbitar, och mycket databehandling ska till för att göra genomet användbart. Fram till för några år sedan var det bara ett par stora genomcenter i världen som kunde göra det. Leif Andersson menar att ett motiv för projekt som Erga är att koordinera det globala arbetet med att kartlägga arters dna, och att ta fram genom i industriell skala.

En dryg kilometer från Leif Anderssons kontor i Uppsala ligger ett mikrobiologilabb. Här utvinner och renar forskarna dna från både fiskar, fåglar och fjärilar. På prydliga arbetsbänkar står ställ med pipetter och skinande blanksvarta analysverktyg – som labbteknikern döpt till saker som ”Bamse” och ”Nalle Puh” för att skapa hemtrevnad – bredvid maskiner som snarare ser ut att komma från ett sovjetiskt åttiotal.

Jacob Höglund är professor i zoologisk bevarandebiologi på institutionen för ekologi och genetik vid Uppsala universitet och en av två svenska representanter i nationsrådet för Erga. Hittills har han och hans grupp bidragit med två genom till forskningsprojektet: grönfläckig padda och mnemosynefjärilen. Ett stort fokus ligger på hotade arter och de jobbar nära länsstyrelserna med olika åtgärdsprojekt.

– Det är sådana frågor vi håller på med: Hur klarar sig hotade arter och hur anpassar de sig till sin omgivning för att finnas kvar? säger Jacob Höglund.

Jacob Höglund är så lång att han måste böja på huvudet när han går före in i labbet, som i dag är nästan tomt. Det är litet, men välorganiserat, med olika zoner baserat på hur rena ytor arbetet kräver, och står i stark kontrast till de dammar och myrar där proven oftast samlas in. Jacob Höglund berättar att Maria Cortazar, som forskar på paddor och grodor i hans grupp, har tillbringat många kalla nätter ute i fält.

– Jo, men jag jobbar med vanliga arter så de är lätta att hitta, säger Maria Cortazar, och när hon ser Jacob Höglunds skeptiska blick lägger hon till:

– I alla fall i Uppsala och Skåne, där populationerna är stora. I norr var det svårare, och mycket kallare under nätterna.

Grodor är lättare att samla in på natten, när kylan gör dem långsamma. Maria Cortazar berättar om hur hon vadat runt i små dammar och för­siktigt fångat in grodor i skenet av en pannlampa. Grodorna mäts, vägs, och topsas för att se vilka bakterier och svampar som lever på huden. Innan de släpps ut klipps en liten, liten del av simhuden mellan tårna bort. Det är från den forskarna renar fram dna.

För att ta fram dna är grundprincipen all­tid densamma: Cellerna från provet trasas sönder i ett provrör och bland­ningen filtreras för att isolera dna-molekylerna. Men det är inte helt enkelt. Det är viktigt att så lite material som möjligt behövs, helst ska djuret inte skadas alls. I ett annat projekt i labbet har dna isolerats från endast en bit av ett fjärilsben ur en museisamling.

I dag förbereder Maria Cortazar ett dna-prov som ska skickas i väg på sekvensering. Instruktionerna hon följer är en lunta tjock som ett månadsmagasin, med många olika steg. Nu har något gått fel och hon har lagt till ett extra steg för att försöka bli av med orenheter i provet.

– Jag skulle kunna skicka det som det är, men jag har haft så många problem med det här protokollet att jag inte vill chansa, säger Maria Cortazar och blänger på den lilla burken framför henne.

Provet kommer från grodyngel som har fått leva i olika temperaturer i labbet. Maria Cortazar vill titta på vilka gener som uttrycks vid de olika temperaturerna, och om grodynglen anpassar sig. Det handlar alltså om att kartlägga vilka gener som finns i ynglens verktygslåda.

– Det blir en simulering av vad som händer när klimatförändringarna får temperaturen att stiga. Vi hoppas hitta de gener som är ansvariga för anpassning till nya miljöer eller ett nytt klimat.

Kartläggningen gör det möjligt att hitta strategier för att hjälpa en population eller en art, som ett sätt att prioritera insatser och se till att åtgärderna inte gör större skada än nytta. Utan de genetiska verktygen famlar naturvårdarna i mörker.

Kampen för den biologiska mångfalden kan ses som ett tvåfrontskrig. Den består av akuta insatser för att rädda de arter som håller på att utrotas, men det långsiktiga arbetet är minst lika viktigt. Om vi försummar att flamsäkra vår omgivning för att vi är för upptagna av att släcka bränder kommer bränderna aldrig sluta. Till skillnad från Jacob Höglund har inte Leif Andersson avgränsat sig till hotade arter. Hans fokus ligger i stället på några av de vanligaste fiskarna, de som fiskas kommersiellt.

– Den kunskap vi tar fram är underlag för ett mer hållbart fiske. Människan påverkar i stort sett alla arter på jorden i dag genom att vi förstör livsmiljöer, men påverkan är extra stor på de arter som vi äter upp. Som fiskarna, säger Leif Andersson.

Därför, menar han, är det viktigt att övervaka den genetiska variationen inom de här arterna. Det görs med så kallade populationsstudier, där den genetiska uppsättningen hos flera individer från ett bestånd jämförs mot referensgenomet. Men en forskare i till exempel ekologi har inte alltid tillgång till tekniken för att ta fram ett genom.

– Tanken är att Erga tar fram genomen, red­skapen, på mer industriell skala, och sedan kan andra forskare ta vid med populationsstudier i nästa fas. Det är populationsstudierna som hjälper oss att förstå biologin – att bara ta fram ett referens­genom i sig har ett begränsat värde, säger Leif Andersson.

Men även om genetisk information är ett bra verktyg, är ett högupplöst referensgenom inte alltid nödvändigt, enligt Jacob Höglund. Vilka verktyg som behövs varierar mellan arter och projekt, och för hans egen forskning på hotade arter räcker det ofta med genfragment för att komma rätt långt. Han tror inte att det är referensgenomen i sig som kommer att rädda den biologiska mångfalden.

– Det är klart att det kan vara bra att ha ett genom, men då ska det användas för praktiskt naturvårdsarbete. Det är inte ett mål i sig att ha en massa genom sekvenserade – det räddar ingenting, säger Jacob Höglund.

I stället önskar Jacob Höglund en bättre dialog mellan forskning och naturvård. Han får medhåll från Linda Laikre, som är professor i populationsgenetik vid Stockholms universitet. Hon har kämpat hela sin karriär för att få upp genetisk variation på dagordningen.

– Vi har haft massvis med information om gennivån under decennier och vårt problem är att vi inte använder den. Varje gång vi applicerar en ny genetisk teknik bekräftar vi vad vi visste från början: att vi behöver agera, säger Linda Laikre.

Linda Laikre har följt frågor kring den svenska vargstammen i flera decennier, och började med att bara studera vargarnas yttre attribut. Här har gentekniken, och senare genomiken, visat att läget är ännu sämre än vad forskarna har trott.

– Forskningen har visat att vargar som tidigare klassades som obesläktade faktiskt är släkt med varandra, säger Linda Laikre.

Vad händer då med arter som det inte har forskats på under många år? Här är genomikens stora styrka, enligt forskare. För att få en bild av förlusten av genetisk variation hos en art eller en population räcker det med att jämföra genomen i populationen just nu. Vi behöver inte längre ha följt den i generationer. Ibland kan det till och med räcka att studera en enda individ för att se att en population är inavlad.

I andra fall – som med sillen och strömmingen – är den detaljnivå som genomiken möjliggör nödvändig. Först när Leif Anderssons grupp hade tagit fram hela genomet kunde de se de små men viktiga skillnaderna mellan strömming och sill. Och forskningen på sillen har bara börjat.

Ett projekt för att kartlägga de olika strömmingsbestånden i Östersjön pågår just nu. Projektet gör Linda Laikre och Leif Andersson tillsammans på uppdrag av Havs- och vattenmyndigheten, och liknande studier på sill görs också i bland annat Danmark, Norge och på Irland.

– Myndigheterna har nu äntligen vaknat upp lite och dragit i gång den här typen av program, säger Linda Laikre.

Att kartlägga och följa bestånden över tid är också ett led i att se vad strömmingen har för förutsättningar att klara framtida utmaningar. De mycket lokala anpassningarna hos olika bestånd innebär att de är genetiskt finstämda för exakt de temperaturer, salthalter och det ljus som finns på platserna där de leker. Om ett bestånd dör bort från en viss vik är det inte säkert att ett annat kan ta dess plats.

Exakt vad klimatförändringarna kommer att innebära är svårt att förutsäga. Till exempel är forskarna oense om huruvida havsnivåhöjningen kommer att leda till att Östersjön blir mer eller mindre salt. Därför måste arterna ha så många verktyg i verktygslådan som möjligt. Så hur förhindrar vi att den här avgörande genetiska variationen går förlorad? I slutänden finns det bara en lösning: Håll bestånden stora. Där är naturvårdare och de flesta genomikforskare överens. Genomikens roll blir då att kartlägga populationer och övervaka deras genetiska variation så att inte värdefulla genvarianter går förlorade.

– Man måste veta något om genetiken för att dra slutsatser om den, men det bästa sättet att säkra långsiktig överlevnad är att se till att arter finns i stora bestånd, säger Linda Laikre.