Naukowcy opracowali broń genetyczną zdolną do wymazania całych gatunków organizmów z powierzchni Ziemi. Chodzi o technologię napędu genowego, która umożliwia rozprzestrzenianie się szkodliwych mutacji w populacjach zwierząt. Jednak pomimo protestów organizacji ekologicznych takie podejście może przynieść ogromne korzyści ludziom, eliminując niebezpieczne choroby. „Lenta.ru” opowiada o tym, jak naukowcy będą walczyć z malarią za pomocą zmodyfikowanych komarów.
Sabotażyści DNA
Malaria to grupa chorób zakaźnych wywoływanych przez jednokomórkowe organizmy pasożytnicze z rodzaju Plasmodium. Dostają się do ludzkiej krwi po ukąszeniu przez samice komarów Anopheles, zwanych również komarami malarii. Owady te występują na całym świecie, z wyjątkiem Antarktydy, dalekiej północy i wschodniej Syberii. W Afryce choruje przede wszystkim malaria, a przede wszystkim - dzieci. Malaria zabija co roku prawie pół miliona ludzi, a większość ofiar to dzieci poniżej piątego roku życia.
Naukowcy zastanawiali się od kilku lat, jak metody inżynierii genetycznej mogą zwalczyć malarię. Jednym ze sposobów jest wprowadzenie genów do komarów, które zapobiegną osadzaniu się w nich Plasmodium. Ale jest problem. Powiedzmy, że tworzymy kilka tysięcy bezpiecznych komarów przeciw malarii i uwalniamy je do środowiska. Jak zapewnić rozprzestrzenianie się pożądanego genu na wolności?
Komary zmodyfikowane genetycznie będą miały dwie kopie genu przeciwmalarycznego (po jednej na każdym chromosomie). Tylko jeden z chromosomów (który decyduje o przypadku) jest dziedziczony przez potomstwo. Dlatego też, jeśli zmieniony komar i dziki osobnik łączą się w pary bez pożądanego genu, tylko jedna kopia genu zostanie przekazana potomstwu. I tylko około połowa następnej generacji komarów otrzyma tę kopię (ponieważ zmutowany chromosom jest dziedziczony w 50 procentach). W rezultacie geny przeciwmalaryczne będą stopniowo zanikać z populacji - jest mało prawdopodobne, aby dobór naturalny je wspierał.
Technikę znaną jako napęd genowy można zastosować, aby zapobiec eliminacji (eliminacji) genu z dzikiej populacji. Polega na jakimś skopiowaniu potrzebnego nam genu z jednego chromosomu do drugiego. Wtedy organizm, który miał tylko jedną kopię genu, zdobędzie dwie kopie i przekaże ją potomstwu ze 100% prawdopodobieństwem. Jak to jest zrobione?
Film promocyjny:
Jednym ze sposobów jest użycie endonukleaz restrykcyjnych, enzymów, które przecinają podwójną nić DNA w określonym miejscu. Jeśli zrobisz przerwę w chromosomie, rozpocznie się proces jego przywracania. W tym czasie nienaruszony odcinek z sąsiedniego chromosomu jest kopiowany do ciętego łańcucha. Jednak endonukleazy dokonują cięcia, jeśli „rozpoznają” określoną kombinację nukleotydów. Na chromosomie może istnieć wiele takich kombinacji, więc ryzykujemy pocięcie chromosomu na wiele części. To, podobnie jak inne czynniki, komplikuje użycie endonukleaz restrykcyjnych do napędzania genów.
Technologia CRISPR / Cas9 jest w stanie zastąpić te enzymy, co pozwala nam wykonać nacięcie dokładnie tam, gdzie potrzebujemy. Nukleaza Cas9 spowoduje przerwanie podwójnej nici DNA w miejscu (miejscu docelowym) „wskazanym” przez przewodnik RNA lub sg-RNA. Jest to taka krótka cząsteczka kwasu nukleinowego, która jest komplementarna z miejscem docelowym, dlatego syntetyzując wystarczająco długi przewodnik RNA, można zminimalizować prawdopodobieństwo cięcia w niewłaściwym miejscu.
W 2015 roku naukowcy z Imperial College London stworzyli napęd genowy przy użyciu CRISPR / Cas9, który promuje rozprzestrzenianie się mutacji powodującej bezpłodność u komarów malarii. Samice ze zmutowanym genem na obu chromosomach są bezpłodne, a samce mogą rozprzestrzeniać go w populacji. W ten sposób możliwe jest nie tylko zmniejszenie populacji Anopheles do poziomu, przy którym zakażenie malarią Plasmodium stanie się rzadkie, ale także walka z rozwojem odporności na pestycydy i niszczeniem gatunków inwazyjnych.
Genowa apokalipsa
Istnieją jednak obawy, że niekontrolowane rozprzestrzenianie się genu może spowodować niezamierzone konsekwencje dla dzikiej przyrody. Według ekologa ewolucyjnego Jamesa Collinsa z Arizona State University w wywiadzie dla Science nie wiadomo, jak napęd genów wpłynie na dynamikę populacji i zdrowie ekosystemów. Na przykład całkowite zniszczenie gatunku lub nawet silny spadek liczebności prowadzi do rozprzestrzeniania się innych gatunków. Dlatego zmodyfikowane komary nie powinny być wypuszczane na wolność bez uwzględnienia wszystkich zagrożeń. Jak jednak można przetestować napęd genowy, skoro samo testowanie wymaga od owadów przebywania na wolności?
Jamesa Collinsa
Naukowcy nazywają ten problem paragrafem-22, ponieważ jego rozwiązanie jest sprzeczne z samym sobą. Jednak biolodzy z Harvard University i Massachusetts Institute of Technology zorientowali się, jak upewnić się, że napęd genowy może najpierw promować rozprzestrzenianie się zmutowanego genu, a po kilku pokoleniach doprowadzić do jego zniknięcia.
Chodzi o to, że kopiowanie wymaganego fragmentu DNA z jednego chromosomu na drugi odbywa się etapami. Napęd genowy jest napędzany przez trzy elementy, z których każdy składa się z jednego lub większej liczby genów. Element A jest kopiowany i wstawiany do homologicznego chromosomu w obecności elementu B, a element B w obecności elementu C. Sam element C jest rozprowadzany w populacji w drodze normalnego dziedziczenia i jest przekazywany tylko połowie potomstwa.
Kojarzenie się owadów modyfikowanych genetycznie z dzikimi komarami doprowadzi do tego, że całe potomstwo będzie nosiło pierwiastki A i B, ale tylko pół-pierwiastek C. W rezultacie, zgodnie z prawami dziedziczenia, A i B najpierw szybko rozprzestrzenią się w populacji, a po określonej ilości pokoleń element C praktycznie zniknie, a następnie element B i wreszcie A. Rozprzestrzenianie się zmutowanego genu będzie zależało od tego, ile owadów zostanie wypuszczonych do środowiska naturalnego. Możesz mieć pewność, że prawie wszystkie osobniki mieszkające na danym terytorium będą nosicielami mutacji, ale w większej populacji geny nie będą mogły się rozprzestrzeniać. Jeśli próby zakończą się sukcesem, poważnie pojawi się kwestia zastosowania technologii tam, gdzie istnieje wyraźne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego ze strony komarów malarii.
Wszystko jest zdecydowane
Niektóre organizacje non-profit, takie jak Friends of the Earth i Council for Responsible Genetics, sprzeciwiają się napędowi genowemu, nazywając go technologią wymierania genów. Zaproponowali wprowadzenie moratorium. Jednak w grudniu 2016 r. Strony Konwencji ONZ o różnorodności biologicznej zaaprobowały wykorzystanie napędu genowego, wzywając do ostrożności w badaniach terenowych.
Zdjęcie: Public Domain / Wikimedia
W niektórych krajach technologia została już przetestowana. Wyniki pięciu badań terenowych przeprowadzonych w latach 2011-2014 w Panamie, na Kajmanach i w północno-wschodnim stanie Bahia w Brazylii wykazały, że liczba dzikich komarów spadła o 90 procent. Teraz Brazylia ma zamiar wypuścić miliony genetycznie zmodyfikowanych owadów do walki z Zika, dengą, żółtą febrą i chikungunyą.
Zatem udowodniono możliwość wpływania na naturalne ekosystemy za pomocą inżynierii genetycznej. Czy jednak można bezpośrednio modyfikować ludzkie genomy, aby pozbyć się chorób dziedzicznych? Albo uodpornić ludzi na malarię Plasmodium?
W lutym 2017 r. Narodowe Akademie Nauk i Medycyny Stanów Zjednoczonych opublikowały raport, w którym eksperci zezwolili na zmianę DNA ludzi w celu zwalczania mutacji, które powodują poważne zakłócenia w organizmie. W rzeczywistości oznacza to korektę wadliwych genów w ludzkich embrionach. Pomoże ci to radzić sobie z chorobami, takimi jak pląsawica Huntingtona lub śmiertelna bezsenność rodzinna. Jednak wykorzystanie technologii napędów genowych będzie ograniczone do populacji dzikich zwierząt, ponieważ ich stosowanie u ludzi jest nie tylko wątpliwe z etycznego punktu widzenia, ale także niepraktyczne: gen będzie się rozprzestrzeniał zbyt wolno.
Alexander Enikeev
