Una delle prime cose che ti viene in mente quando pensi alle Hawaii sono calde, spiagge tropicali con invitanti, acqua pulita. Infatti, la favorevole qualità dell'acqua della spiaggia è la linfa vitale per l'industria turistica annuale da 18 miliardi di dollari delle Hawaii, il più grande contributore singolo all'economia dello stato. Così, non sorprende che i funzionari idrici delle Hawaii monitorino continuamente le fonti di contaminazione che potrebbero minacciare la loro principale attrazione.

Per anni, test di routine hanno dimostrato che i bacini idrografici della valle di Mahaulepu e del torrente Waikomo nel sud-est di Kauai contengono spesso conte elevate di batteri indicatori fecali potenzialmente patogeni (FIB). Sebbene le precedenti indagini abbiano concluso che i FIB non vengono introdotti nell'acqua tramite perdite di acque reflue o scarichi illegali di acque reflue, il Dipartimento della Salute delle Hawaii (DOH) è rimasto preoccupato per la fonte. Per comprendere meglio la causa degli alti conteggi di FIB, il DOH ha commissionato uno studio agli ecologisti microbici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Gary Andersen ed Eric Dubinsky.

Il duo è spesso invitato a guidare progetti di valutazione dell'acqua microbica grazie alla loro esperienza e al kit di strumenti senza pari, che ruota attorno a una tecnologia di rilevamento microbico delle dimensioni di una carta di credito chiamata PhyloChip. Inventato da Andersen e altri al Berkeley Lab nel 2008, il PhyloChip è stato utilizzato in precedenza per monitorare l'acqua nella Bay Area di San Francisco, acque tropicali intorno alle barriere coralline, e in tutta la città di Singapore.

Dopo aver analizzato campioni di 13 siti interni e costieri prelevati nel corso di un anno, gli scienziati hanno concluso che non c'erano acque reflue umane rilevabili nello spartiacque di Mahaulepu, né c'era una presenza significativa di materia fecale di bestiame o fauna selvatica aviaria. Due siti di corsi d'acqua all'interno dello spartiacque hanno mostrato incidenze isolate di contaminazione fecale di suini e bovini, eppure la famosa spiaggia a valle di questi siti era pulita.

"Il PhyloChip è in grado di profilare rapidamente l'intera comunità microbica presente nei campioni di acqua e utilizzare queste informazioni per rilevare batteri che sono unici per specifiche fonti animali o umane, " disse Dubinsky, che è anche uno scienziato di progetto presso il Dipartimento di Scienze Ambientali dell'Università della California Berkeley, Politica e gestione. "A differenza dei test di contaminazione fecale convenzionali, che utilizzano una manciata o anche solo una singola specie per identificare il potenziale di contaminazione, il nostro approccio utilizza un insieme diversificato di centinaia di batteri diversi che sono caratteristici di ciascuna fonte fecale. Allo stesso tempo, può rilevare quasi 60, 000 specie di batteri e archaea, il che significa che possiamo trovare microbi pericolosi presenti in una fonte d'acqua anche se non li prevediamo".

Nel vicino spartiacque Waikomo, un'area che comprende la spiaggia di Poipu, una delle destinazioni turistiche più popolari dell'isola:Dubinsky e Andersen hanno trovato solo prove minime di contaminazione fecale umana. I dati PhyloChip suggerivano che una spiaggia era stata contaminata da materiale fecale umano dal pozzo delle acque reflue di un hotel vicino. interessante, questo sito non era stato identificato dal monitoraggio passato con i test FIB tradizionali.

Avendo dissipato i timori di diffuse perdite del sistema fognario, gli scienziati propongono che i livelli storicamente elevati di FIB siano una conseguenza fuorviante e allarmante dell'utilizzo di metodi di test della vecchia scuola, nessuno dei quali è stato progettato per l'uso ai tropici.

Dubinsky e Andersen ritengono che la presenza di FIB nell'acqua di Kauai sia probabilmente dovuta a enterococchi e Clostridium perfringens, un genere e una specie, rispettivamente, che tipicamente crescono all'interno dei tratti digestivi degli animali, fiorendo nell'ambiente al di fuori dei loro tipici ospiti biologici. Notano che questo fenomeno è comune nelle regioni tropicali, grazie al caldo e all'umidità, e la presenza naturale di questi batteri nell'acqua non espone necessariamente le persone a un rischio maggiore di malattie gastrointestinali. Però, molti test standard di rilevamento dei batteri fecali impiegati per monitorare le piscine e le spiagge utilizzano questi organismi come indicatori di contaminazione pericolosa.

"Il PhyloChip è in grado di raggiungere un livello estremamente elevato di sicurezza nel rilevare specifiche fonti di contaminazione attraverso un processo unico che esamina simultaneamente oltre un milione di sequenze di DNA, " ha detto Andersen, uno scienziato senior nell'area delle bioscienze.

Nel 2017, il PhyloChip ha catturato l'interesse della US Environmental Protection Agency (EPA). Gli studi in corso tra il laboratorio Andersen e l'EPA stanno utilizzando la tecnologia per valutare il deflusso fecale agricolo in più bacini idrografici negli Stati Uniti, compreso il Nebraska, Kansas, Georgia, Louisiana, Washington, e Massachusetts. "Il nostro obiettivo è replicare e rivedere i dati prodotti attraverso il metodo PhyloChip in modo da poterli confrontare con altri metodi di tracciamento della fonte, " ha detto Steven Baker, il ricercatore co-leader su questo progetto dalla regione EPA 7. "Aumentare la nostra fiducia nell'identificare quando si verificano specifiche fonti di contaminazione fecale rafforza la nostra capacità di prendere le corrette decisioni di gestione e ci aiuta a dare priorità a dove collocare i nostri sforzi di mitigazione".

Oltre alle sue applicazioni di monitoraggio ambientale, il PhyloChip potrebbe consentire progressi nella comprensione e nel miglioramento della salute umana. secondo genoma, Inc. ha concesso in licenza la tecnologia per scoprire e sviluppare terapie basate su obiettivi identificati attraverso l'esame del microbioma umano.