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Vignette (© Bertrand Jordan).

L’eDNA progresse…

J’avais rapporté il y a deux ans [1] (→) les résultats assez surprenants d’un article dont les auteurs parvenaient à identifier de l’ADN humain dans des échantillons de sable, d’eau de rivière et même à partir de l’air ambiant [2]. En fait, l’étude de l’ADN environnemental (appelé eDNA) s’est largement développée ces dernières années, au point qu’une revue scientifique (Environmental DNA¹) lui est maintenant consacrée ; elle suscite aussi quelques fantasmes (Figure 1).

(→) Voir m/s n° 10, 2023, page 777

Figure 1. Une vision très fantasmée de l’étude d’ADN environnemental. Image issue du blog Simply forensic (https://simplyforensic.com/airborne-dna-revolutionizing-forensic-investigations-with-edna/).

Plus sérieusement, ces analyses sont utilisées pour la détection de pathogènes (en agriculture et en santé humaine), pour la surveillance de la qualité de l’air, la lutte contre le bioterrorisme, et pour le suivi de la biodiversité, y compris lors des voyages de la goélette scientifique Tara [3]. Un article récent et bien détaillé fait le point sur les techniques actuellement utilisées [4]. En résumé, le matériel présent dans l’air ambiant est collecté par pompage à travers un filtre, et l’ADN est ensuite extrait, séquencé et identifié par comparaison avec les bases de données. L’article qui fait l’objet de cette chronique [5] émane des équipes responsables du travail publié il y a deux ans [2], et fait état de progrès significatifs : analyse large de l’ADN recueilli par séquençage en shotgun² intégral sans aucune sélection préalable, utilisation des techniques de lecture longue de l’ADN (long-read sequencing), portabilité du matériel et vitesse des analyses laissant entrevoir la possibilité de mesures quasiment en temps réel. Ces progrès ont été rendus possibles par l’amélioration des performances des séquenceurs et la baisse des coûts, ainsi que par l’accessibilité à distance de bases de données et de traitements informatiques sophistiqués.

Les grandes lignes de l’approche

Les études rapportées commencent donc par le pompage de l’air ambiant à travers un filtre « absolu » (pores de 0,22 µm) mesurant quelques centimètres carrés à un débit de quelques dizaines de litres par minute, durant en général une semaine. Ce long temps de pompage est nécessaire pour collecter une quantité suffisante de matériel biologique. La lyse et l’extraction de l’ADN sont ensuite réalisées directement sur le filtre, et le séquençage effectué soit sur une machine Illumina (lectures courtes, 150 nucléotides) soit sur une cartouche³ (ou un ensemble de cartouches) Oxford Nanopore (lectures longues, jusqu’à plus de 10 000 nucléotides). Un ensemble de contrôles négatifs (filtres sans pompage notamment) vérifie que c’est bien l’ADN environnemental qui est analysé. Au total, 78 échantillons ont été séquencés, fournissant à chaque fois plusieurs millions de segments d’ADN lu (reads) de bonne qualité, ce qui aurait été financièrement impossible il y a seulement quelques années. L’exploitation des séquences obtenues fait appel aux grandes bases de données multi-organismes qui existent maintenant et qui sont accessibles (ainsi que les logiciels de comparaison) dans le Cloud via le réseau téléphonique. On obtient ainsi une vision d’ensemble non biaisée des espèces eucaryotes, procaryotes et virales présentes dans l’air, ainsi que des indications sur des espèces encore inconnues ou du moins non séquencées, signalées par les séquences qui ne trouvent pas de correspondance dans les bases de données. Des variantes sont possibles : enrichissement préalable en séquences humaines codantes (exome), comparaison séquences courtes versus séquences longues, barcoding⁴ Les résultats montrent une bonne cohérence de l’ensemble des données : contrôles négatifs, reproductibilité, compatibilité des résultats des lectures courtes et longues.

Un exemple : qui donc est passé par là ?

Parmi les nombreux résultats présentés, une analyse détaillée d’ADN humain s’avère particulièrement intéressante. Il s’agit de comparer l’ADN collecté dans une forêt côtière de Floride et celui qui provient de l’air ambiant dans le centre de la ville de Dublin. L’analyse a permis, grâce aux séquences d’ADN mitochondrial, de repérer les haplotypes⁵ présents, qui peuvent être regroupés en « haplogroupes » (ensemble d’haplotypes très proches) donnant une idée de l’ascendance génétique des personnes correspondantes (Figure 2).

Figure 2. Haplogroupes repérés dans l’ADN humain obtenu à partir de l’air dans une forêt côtière de Floride et au centre-ville de Dublin. Les groupes et sous-groupes sont figurés, les ascendances correspondant aux différentes couleurs sont indiquées en bas. Extrait partiel et modifié de la figure 2 de [5].

On voit que l’échantillon de Floride est beaucoup moins complexe que celui de Dublin : la forêt est moins fréquentée que le centre-ville irlandais. Notons que ces ADN sont très minoritaires dans les échantillons : environ 0,0001 % du total pour la forêt, 0,002 % pour la ville (différence logique). Il n’en est que plus remarquable que des analyses aussi détaillées puissent être réalisées. Signalons aussi que l’analyse de l’ADN recueilli a aussi identifié de nombreuses espèces dont un lynx (que les auteurs qualifient assez bizarrement d’espèce « charismatique »). Ce n’est là qu’un exemple, et les auteurs présentent de nombreuses applications, notamment pour le suivi de la diversité biologique ou la surveillance virologique, ce qui donne au final un article assez touffu mais démontrant les multiples usages de l’approche.

Vers le temps réel ?

Les auteurs sont des zoologistes (leur domaine d’origine est la biologie des tortues marines) et, logiquement, ils sont très intéressés par des outils utilisables sur le terrain, loin des laboratoires suréquipés, des gros séquenceurs et des centres informatiques performants. Le séquençage par nanopores (Oxford nanopore) s’y prête particulièrement bien : une cartouche, qui porte plus de deux mille nanopores, coûte quelques centaines d’euros et produit des millions de reads, et tient dans la poche d’une veste. L’interprétation des signaux des nanopores pour obtenir la séquence (étape assez complexe) et la comparaison de la séquence obtenue aux bases de données peuvent être effectuées dans le Cloud via une liaison téléphonique ordinaire. On peut donc envisager que ce travail soit réalisé sur le terrain, et les auteurs, en peaufinant un peu les techniques, montrent que l’ensemble de ces opérations (récupération, extraction de l’ADN, séquençage et analyse informatique) peut être effectué en moins de deux jours. Cela ouvre de multiples possibilités, même si le temps de collecte de l’échantillon (une semaine dans la plupart des cas rapportés) reste incompressible – à moins d’augmenter encore la sensibilité de détection.

Outil de recherche ou technique de surveillance ?

La possibilité d’obtenir toutes ces informations à partir de l’air ambiant est un bel exemple des avancées inattendues qui résultent de l’incessant perfectionnement des techniques d’analyse de l’ADN. Mais, comme souvent, ces avancées ne sont pas sans soulever quelques problèmes. Il s’agit essentiellement de l’étude d’ADN humain. En principe, on ne peut séquencer un ADN humain qu’avec le consentement exprès de la personne dont il provient. D’autres conditions doivent souvent être également remplies, mais celle-ci est fondamentale et universellement reconnue (sinon toujours respectée). Or, comme on le voit dans l’article étudié ici, l’analyse de l’ADN dans l’air ambiant permet une étude détaillée qui pourrait aisément aller jusqu’à l’identification de personnes (« Qui est passé dans cette forêt de Floride au cours de la dernière semaine ? »). Les auteurs se sont interdit d’aller jusque-là, mais tout le monde n’a pas nécessairement les mêmes scrupules, et on peut imaginer que les systèmes politiques qui font un large usage de la reconnaissance faciale⁶ vont aussi s’intéresser de près à l’ADN de l’air ambiant. La grande presse s’est déjà faite l’écho de ces inquiétudes [6] et on commence à proposer des règles de conduite [7, 5] : éliminer les séquences humaines avant analyse dans les études portant sur le règne animal ainsi que dans les bases de données, processus d’autorisation préalable pour certains travaux. Le souvenir de la mise en place de normes pour les travaux sur l’ADN recombinant (ce que l’on appelait à l’époque les « manipulations génétiques ») et l’exemple actuel des laborieuses discussions pour la règlementation de l’usage de l’intelligence artificielle (IA) montrent les difficultés qui nous attendent…

Liens d’intérêt

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Références

Liste des figures

	Figure 1. Une vision très fantasmée de l’étude d’ADN environnemental. Image issue du blog Simply forensic (https://simplyforensic.com/airborne-dna-revolutionizing-forensic-investigations-with-edna/).
Dans le texte

	Figure 2. Haplogroupes repérés dans l’ADN humain obtenu à partir de l’air dans une forêt côtière de Floride et au centre-ville de Dublin. Les groupes et sous-groupes sont figurés, les ascendances correspondant aux différentes couleurs sont indiquées en bas. Extrait partiel et modifié de la figure 2 de [5].
Dans le texte