wetenschap

Barcode van modderkruiper en babydraak

Het tractorwieltje Beeld Trouw

Dieren kunnen excelleren in verstoppertje spelen, maar DNA-sporen verraden hen toch. Met DNA-barcodes kunnen forensisch biologen al miljoenen organismen onderscheiden. Niet alleen in het veld, maar ook in de keuken.

Wie goed kijkt, ziet dat de brede geelgerande waterroofkever in Naturalis een pootje mist. Die zesde poot is vermalen voor de wetenschap. Het exemplaar werd al ruim voor de Tweede Wereldoorlog gevangen en hier in het natuurhistorisch museum opgeprikt. Toch lukte het moleculair biologen om DNA-fragmenten uit de keverpoot te isoleren. Daaruit leidden zij de samenstelling af van een klein kenmerkend stukje genetische informatie van het waterdiertje: zijn DNA-barcode (zie kader).

Ook al duiken zijn soortgenoten weer voor jaren diep weg, de barcode verraadt hen. Het water in een poel waarin de kever leeft, bevat kever-DNA, omdat huidcellen regelmatig het water in dwarrelen, en met elke ontlasting wat darmcellen. Dankzij het opgeofferde pootje zal de brede geelgerande waterroofkever niet ten onrechte het stempel ‘uitgestorven’ krijgen. Dat gebeurde wel eind jaren zestig, toen hij al lang niet meer was gezien. Totdat in 2005 een oplettende bioloog een springlevend exemplaar ontdekte in Zuidwest-Drenthe.

Naturalis bepaalde de afgelopen vijf jaar van nog eens 50.000 Nederlandse dieren en planten een DNA-barcode. Met dank aan veel vrijwilligers. Zij vingen libellen, kikkers, vissen en spinnen en plukten mos, hei, gras en ander groen. Forensisch levenswetenschapper Kevin Beentjes: “Vers materiaal is het handigst om de herkenningscode te bepalen, want DNA valt vrij snel uiteen. Maar de brede geelgerande waterkever is zo zeldzaam, die wil je niet wegvangen. Daarom gebruikten we het collectie-exemplaar. Gelukkig met succes.”

Alle codes gaan in de internationale Barcode of Life Database (BoLD), een initiatief van biologen en ecologen om elk aards organisme te kunnen herkennen aan zijn DNA-sporen. Het zijn er inmiddels meer dan vijf miljoen, van walvishaai en grizzlybeer tot pantoffeldiertjes, schimmels en parasieten. De VN verklaarde zich eind vorig jaar officieel fan van het initiatief.

DNA-barcodes maken het mogelijk het risico op zwemmersjeuk in een plas te bepalen en om een rups aan de bijbehorende vlinder te koppelen. Het helpt bij de opsporing van illegaal walvisvlees of gemalen neushoorn in ‘geneeskrachtige’ zalfjes. Allemaal een kwestie van een monster naar het lab sturen, en de zoektocht naar de barcode is binnen een paar uur afgerond.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

De DNA-barcode van het tractorwieltje. Beeld Trouw

Wetenschappers gebruiken de herkenningscodes vooral om zeldzame of schuwe (water)dieren te ‘ontdekken’. Een DNA-check is sneller, goedkoper en diervriendelijker dan een dag lang vissen, dagen door een verrekijker turen of vallen zetten. Zo is de blinde grottenolm (‘Sloveense babydraak’) opgespoord in een tiental duistere Kroatische grotten, is de Australische groottandzaagvis herontdekt en blijken ‘zeldzame’ walvishaaien wijd verspreid in de Perzische Golf. In Nederland is precies in kaart gebracht waar de zeldzame grote modderkruiper zich verstopt, en waar de kamsalamander en de knoflookpad huizen.

Keutels

“Als je weet waar ze zitten, kun je hun leefgebied beschermen en die verbinden, zodat de soort betere kansen heeft”, zegt ecoloog Jelger Herder van Stichting Ravon (Reptielen Amfibieën Vissen Onderzoek Nederland). De barcode-techniek vertelt overigens niet exact hoeveel of welke exemplaren van een diersoort er verstopt zitten. De barcode is een kort stukje DNA, lang genoeg om de soort te karakteriseren, maar niet een individu. Dat is een stuk eenvoudiger en sneller dan een compleet DNA-profiel te bepalen zoals bij mensen in de DNA-bank voor strafzaken of bij het populatieonderzoek naar de verspreiding van otters.

Ook van landdieren is DNA in water te vinden, zeker van wilde zwijnen of andere dieren die van water en modder houden. Bij drinkplaatsen komen altijd speeksel en huidcellen van reeën in het water terecht. Maar ook in droge gebieden zijn er DNA-sporen. Keutels in het veld verraden welke diersoort er poepte. En als je wilt weten welke vleermuizensoort er hoog in de nok of grot huist, schraap dan wat uitwerpselen van de vloer. Zelfs de maaginhoud van bloedzuigers blijkt prijs te geven wat er in de jungle schuilt.

Het Wereldnatuurfonds weet zo inmiddels waar in Vietnam het zeldzame Annamitisch gestreept konijn rondhuppelt. Ook vond ze de zeldzame Chinese zonnedas en bosgems. Nu zoekt de club nog naar het leefgebied van de soala, de zeer zeldzame Aziatische ‘eenhoorn’.

Maar wie het DNA van een zeldzaam dier vindt, moet niet te vroeg juichen. Zalm-DNA in de Utrechtse gracht is hoogstwaarschijnlijk afkomstig van een weggegooid broodje zalmsalade en duidt helaas niet op een terugkeer van de soort. 

“We vonden een keer regenboogforel in een Hollandse sloot, bleek er even verderop een kweker te zitten. En aquariumvissen komen we ook regelmatig tegen. Dan heeft iemand een nieuwe hobby gevonden”, vertelt microbioloog Eelco Wallaert van het Groningse Sylphium, een bedrijf dat in opdracht analyses maakt van ‘omgevings-DNA’. Ook is het oppassen voor besmetting van monsters door de onderzoekers zelf. Op het lab zijn strenge ‘forensische maatregelen’ nodig om vervuiling door eten of vorige metingen te voorkomen.

Barcodes van verwante diersoorten hebben een flinke overlap. Dat maakt het mogelijk om in een watermonster niet één maar alle vissoorten tegelijk te identificeren: metabarcoding. Handig om een overzicht van de visstand te krijgen. Ecoloog Jelger Herder: “In vergelijking met netten en electrovisserij, zie je de zeldzame vissoorten veel beter. Je krijgt zo een completer beeld van de biodiversiteit. En de kosten zijn vergelijkbaar.”

Een dik spoor

En die kosten blijven dalen, benadrukt Eelco Wallaert. “Wij begonnen zo’n vijf jaar geleden met metingen naar zwemmersjeuk. Daar win je vooral tijd, omdat je geen poelslakken meer hoeft te verzamelen maar alleen wat watermonsters. Tegenwoordig doen we veel vis- en amfibieonderzoek voor havens en milieu-adviesbureaus, en speurwerk naar zeldzame dieren. Het grote voordeel is natuurlijk dat deze techniek niet-destructief is.”

Deense wetenschappers visten onlangs bij Groenland op een kilometer diepte en namen tegelijkertijd watermonsters. Resultaat: 26 vissoorten werden zowel in het net als in DNA-sporen gevonden. Twee soorten hingen alleen in de netten, en de DNA-analyse toonde drie soorten die aan het net waren ontsnapt: een haringachtige, een zandspier en een buitenaards ogende armvinnige vis.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

De monarchvlinder Beeld Trouw

De ecologen vergeleken ook de kilo’s vangst met de hoeveelheden DNA. Die kwamen overeen. Ole Jørgensen van het Groenlandse Institute of Natural Resources denkt dat de nieuwe methode tijd en geld kan besparen. “Metabarcoding geeft een goede indruk van de visstand, en is bruikbaar waar we niet kunnen vissen, zoals bij koraalriffen.”

Toch blijft het oppassen met conclusies over aantallen. Een watermonster kan veel paling-DNA bevatten doordat er tientallen rondzwemmen, maar ook doordat er één exemplaar in de buurt ligt te vergaan. En niet elk dier verspreidt evenveel DNA. Amfibieën produceren continu slijm en laten zo een dik DNA-spoor achter. Maar een kreeft of kever is minder kwistig door het pantser. Dat geldt ook voor mosselen, maar die spugen in het paarseizoen dan weer duizenden ei- en zaadcellen tegelijk het water in waardoor het in DNA-metingen lijkt alsof de mosselstand explodeert.

Moleculair bioloog Krijn Trimbos van het Centrum voor Milieuwetenschappen heeft een rij aquaria in zijn Leidse laboratorium om deze valkuilen van omgevings-DNA te tackelen. Hij bepaalt nauwkeurig hoeveel DNA een waterorganisme afgeeft, hoe lang het DNA intact blijft en hoe groot de schommelingen zijn wanneer de temperatuur verandert, de zuurgraad of de hoeveelheid daglicht.

Trimbos: “Naar vissen is veel onderzoek gedaan, maar ze vormen slechts 1 tot 5 procent van het waterleven. Ik kijk naar libellelarven, watervlooien, slakken en schaatsenrijders, en naar zogeheten microfauna: minuscule pantoffeldiertjes, radardiertjes en goudalgen.” En hij bemonstert echte sloten in het Leidse ‘levend lab’ waar wind, stroming, regen en zon invloed hebben op het DNA. “Je zult nooit met één monster alle soorten kunnen vinden en hun aantallen schatten. Daarvoor is het leven te complex. Maar met omgevings-DNA krijg je wel een beter beeld van de biodiversiteit.”

Ecologen in Wales volgden een heel jaar vissen-DNA in Llyn Padarn, een idyllisch meer aan de voet van hun hoogste berg Snowdon. In alle seizoenen bleek DNA-onderzoek de visstand goed weer te geven. Maar een ander idee om de biodiversiteit in de omgeving te onderzoeken werkte niet. Onderzoekers van de nationale botanische tuin in Wales analyseerden DNA-sporen in honing, om daaruit af te leiden wat er in de buurt groeit en bloeit. Tot nu toe gebeurde dat door met een microscoop de pollen in de honing te bekijken. Maar pollen bevatten ook het DNA van de boom of struik.

De overlap tussen beide technieken blijkt groot voor de meestvoorkomende pollen, maar bij de zeldzamere soorten waren er grote verschillen. DNA-onderzoek is snel, betrouwbaar en vraagt geen gespecialiseerde pollenkennis, maar levert helaas geen gedegen kwantitatieve informatie op, concluderen de ecologen.

Barcoding is dus niet onfeilbaar. Bij het landelijke onderzoek naar grote modderkruiper van stichting Ravon, is op een paar bewezen leefplekken geen DNA-spoor gevonden. Voor enkele planten en insecten blijkt de gekozen code toch niet onderscheidend genoeg. En de barcode blijkt niet altijd het best bewaarde stukje DNA in de buitenlucht.

Er zijn daarom moleculair biologen die pleiten voor andere of meerdere barcodes of die verwachten dat de techniek ingehaald zal worden door total genome sequencing, het aflezen van al het aanwezige DNA. “Dat wordt al snel onoverzichtelijk”, meent Krijn Trimbos. “Een simpele vraag als: schuifelt de grote modderkruiper hier rond?, kun je het beste beantwoorden met een gerichte zoektocht naar de barcode.”

Nuttige toepassingen van de dna-barcode

Zwemmersjeuk krijg je van larven van de zuigworm Trichobilharzia. Ze kruipen uit hun ei in poelslakken, en gaan op zoek naar een eend of andere watervogel om worm te kunnen worden.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

De barcode van de monarchvlinder. Beeld Trouw

Op hun tocht zien ze soms zwemmers aan voor vogels en dringen een klein stukje de huid binnen waar ze sterven. De eerste keer zorgt dat voor wat jeuk en vlekjes, een tweede keer kan de reactie heftiger zijn. Om te bepalen of er gevaar bestaat voor zwemmersjeuk, moest voorheen DNA van de slakken worden verzameld en de larven opgekweekt. Nu geeft de DNA-barcode snel uitsluitsel.

De rode Amerikaanse rivierkreeft is bezig met een invasie in Nederland. Welkom is de grote kreeft niet; hij brengt kreeftenpest mee, die dodelijk is voor inheemse soorten.

Ook woelt hij hele oevers om. DNA-barcodeonderzoek in water wijst uit waar de kreeft optrekt. Vrijwilligers proberen de eerste indringers weg te vangen en zo de kreeft terug te dringen.

Stichting Ravon waakt zo ook over andere exoten als Amerikaanse brulkikkers, Italiaanse kamsalamanders en marmersalamanders. En Florida beschermt zich met barcodeonderzoek tegen de Burmese python, een allerminst welkome exoot.

Aasvliegen verraden al wat rondwaart in een regenwoud. De Franse onderzoeker Sébastien Calvignac-Spencer lokte diep in de regenwouden van Ivoorkust en Madagaskar aasvliegen in een val. Het DNA in hun darmen liet zien wat de aasvliegen aan eetbaars vonden. 

Het is het DNA-equivalent van ‘uilenballen pluizen’. In Ivoorkust bleek dode aap, vleermuis, nijlpaard, stekelvarken en spitsmuis op het menu te staan. In Madagaskar lemur, tenrek en fretkat. Calvignac-Spencer hoopte stiekem een DNA-spoor te vinden van de miltvuurbacterie, zodat aasvliegen als alarmbel zouden kunnen dienen. Maar die vond hij niet. Of het oerwoud miltvuurvrij was of de methode ongeschikt, is nog onduidelijk.

Sushi of diepvriesvis is niet altijd wat het lijkt. DNA-barcodeonderzoek in Californië wijst uit dat sushirestaurants bijna de helft van alle vis onder een verkeerde naam verkoopt, bewust dan wel onbewust. Biologiestudenten van de Universiteit van California analyseerden 364 soorten sushi’s uit 26 restaurants. Alle heilbot en rode snapper sushi bleek andere vis. 

Heilbot was, heel toepasselijk, meestal schijnbot. Zalm en makreel waren meestal wel correct aangeduid. Onderzoek in Engeland wees een paar jaar geleden ook al uit dat zo’n 5 procent van de diepvriesvis niet de soort bevatte die op het etiket stond. Schelvis werd regelmatig als kabeljauw verkocht. Met barcoding is zulke voedselfraude nu snel te bewijzen.

Al wat leeft een barcode

Biologen willen voor elk levend organisme een DNA-herkenningscode bepalen. Ze hebben daarvoor een stukje DNA nodig waaraan de soort te herkennen is. Deze ‘barcode’ moet kort genoeg zijn om snel te kunnen bepalen, en lang genoeg om uniek te zijn voor de soort. Voor dieren hebben ze de ideale barcode gevonden in het stuk DNA dat de aanmaak regelt van cytochroom-c-oxidase-I (COI), een enzym dat een cruciale rol speelt in de stofwisseling van vrijwel alle diersoorten. Deze barcode telt een kleine zevenhonderd ‘letters’, ofwel baseparen in het DNA, die gelezen kunnen worden.

Het voordeel van dit stukje DNA is dat het niet in de celkern zit, maar in de mitochondriën, de energiecentrales van cellen. Dat mitochondriaal DNA is talrijk en verspreidt zich gemakkelijk. Voor planten wordt een complexere barcode gebruikt, bestaande uit twee verschillende stukjes DNA.

De DNA-herkenningscode is een idee van de Canadese bioloog Paul Herbert uit 2003 en werd al snel omarmd door collega’s. Inmiddels zijn er voor meer dan zes miljoen organismen barcodes vastgesteld.

Toch is het maar een begin. De schattingen van het aantal planten- en diersoorten lopen uiteen van vijftig tot tweehonderd miljoen. En zijn waarschijnlijk vooral veel schimmels, bacteriën en insecten die nog op ontdekking wachten.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden