Vlad Krasen
0 
2940
28
Napęd genowy to rodzaj techniki inżynierii genetycznej, która modyfikuje geny tak, aby nie były zgodne z typowymi zasadami dziedziczności. Napędy genowe dramatycznie zwiększają prawdopodobieństwo, że określony zestaw genów zostanie przekazany następnemu pokoleniu, umożliwiając tym genom szybkie rozprzestrzenianie się w populacji i zastąpienie doboru naturalnego. Dzięki CRISPR-Cas9, technologii edycji genów zaprzęgniętej z bakterii, naukowcom łatwiej jest zbudować napędy genów.
Dzięki technologii napędu genowego „możesz modyfikować trajektorię ewolucji. Możesz spowodować wyginięcie” - powiedział Andrea Crisanti, genetyk z Imperial College London. Może to być skuteczny sposób na zwalczenie uciążliwych gatunków, takich jak komary wywołujące malarię. Jednak naukowcy wciąż pracują nad określeniem potencjalnych szerszych skutków ekologicznych i środowiskowych stosowania napędów genowych w celu wyeliminowania całego gatunku.
Jak działają napędy genowe?
Napęd genowy składa się z trzech kluczowych elementów: genu, który chcesz rozprzestrzenić; enzym Cas9, który może przecinać DNA; i CRISPR, przewidywalna sekwencja DNA, która identyfikuje miejsce, w którym enzym powinien się przeciąć. Materiał genetyczny, który koduje te trzy elementy, zostaje wstawiony do DNA zwierzęcia w miejsce naturalnie występującego genu, który chcesz zastąpić w obu chromosomach.
Siła napędu genowego polega na tym, że narusza on prawa dziedziczenia, powiedział Crisanti. W normalnej dziedziczności istnieje 50% szans, że jakikolwiek określony gen zostanie przekazany z rodzica na potomstwo. Technologia napędu genowego zamienia 50% szans w prawie 100% gwarancję.
Kiedy zwierzę posiadające pakiet z napędem genowym łączy się ze zwierzęciem, które go nie posiada, jego potomstwo otrzymuje jedną kopię DNA od jednego z rodziców: wersję naturalną i wersję z napędem genowym. Kiedy plemnik napotyka jajeczko i chromosomy od różnych rodziców po raz pierwszy ustawiają się w jednej linii, CRISPR w DNA odpowiedzialnym za gen zostaje aktywowany. Rozpoznaje kopię naturalnego genu na przeciwległym chromosomie i kieruje wycinający DNA enzym Cas9, aby wyciął naturalną kopię przed rozpoczęciem rozwoju embrionalnego.
Związane z: Komórki prokariotyczne a komórki eukariotyczne: jaka jest różnica?
Po uszkodzeniu naturalnego genu uruchamiany jest specjalny mechanizm naprawczy komórki. Mechanizm naprawy przywraca brakujące DNA, ale jako szablon wykorzystuje nieprzerwany chromosom, czyli ten, w którym znajduje się napęd genowy. Tak więc po zakończeniu naprawy oba chromosomy zawierają kopię napędu genowego. Od tego momentu dwie kopie napędu genowego będą znajdować się w każdej komórce, a zwierzę przekaże napęd genowy następnemu pokoleniu.
I tak proces trwa. Za każdym razem, gdy napęd jest przekazywany, CRISPR odcina naturalną wersję genu, interweniuje mechanizm naprawy komórki i jedna kopia napędu genu staje się dwiema. W ciągu zaledwie kilku pokoleń nowy gen staje się wszechobecny w populacji, czasami całkowicie zastępując naturalnie występujący gen.
Komary napędzane genami
W 2018 roku Crisanti i jego współpracownicy opublikowali w czasopiśmie Nature Biotechnology badanie opisujące, w jaki sposób technologia napędu genowego może spowodować załamanie się populacji Anopheles gambiae, gatunek komara wywołujący malarię. Grupa zbudowała napęd genowy, który zmieni gen związany z płcią i zakłóci płodność kobiet. Napęd genowy z uszkodzonym genem płodności samicy rozprzestrzenił się na 100% badanej populacji w zaledwie siedem pokoleń. Gatunek nie mógł się kojarzyć, a populacja załamała się. Niektórzy badacze uważają, że może to być podejście, które ostatecznie eliminuje malarię - brutalną chorobę odpowiedzialną za spowodowanie 280 milionów chorób i 405 000 zgonów na całym świecie w 2018 roku, według Światowej Organizacji Zdrowia..
Związane z: 10 niesamowitych rzeczy, które naukowcy właśnie zrobili z CRISPR
Podejście oparte na napędzaniu genów to wyjątkowo przystępny cenowo i zrównoważony sposób zwalczania komarów wywołujących malarię, powiedział Cristanti. Powiedział, że inne podejścia, takie jak środki owadobójcze i zarządzanie środowiskiem, są skuteczne, ale niezwykle kosztowne i znacznie przekraczają możliwości gospodarcze wielu krajów. „Popęd genowy umożliwia rozprzestrzenianie się cechy genetycznej w populacji od kilku osobników, rozwiązując problem zrównoważonego rozwoju u jego źródła”.
Ale wymazanie całego gatunku to wielka sprawa, a wprowadzenie w naturze napędu genowego nie jest łatwą decyzją.
Czy napędy genowe są niebezpieczne??
Naukowcy pracują nad przewidywaniem, co eliminacja uciążliwego gatunku może oznaczać dla pozostałej części ekosystemu.
Zwalczanie komarów wywołujących malarię za pomocą napędu genowego wydaje się być planem o minimalnym wpływie. „Jak dotąd testy ekologiczne pokazują, że ekosystem się nie rozpada” - powiedział Fred Gould, biolog ewolucyjny z North Carolina State University..
Skutki ekologiczne innych projektów związanych z napędem genowym są trudniejsze do dostrzeżenia. Na przykład ekolodzy i genetycy pracują nad napędem genowym, który mógłby wyeliminować inwazyjne gryzonie wyspowe - szlachetny wysiłek, biorąc pod uwagę, że inwazyjne gryzonie wyspiarskie są powiązane z wyginięciem 75 gatunków rodzimych, według badania opublikowanego w 2016 roku w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Science.
Ale wykorzenienie gryzoni za pomocą napędu genowego wiąże się z potencjalnie większym ryzykiem ekologicznym niż wykorzenienie komara. Gdyby gryzonie z napędem genowym kiedykolwiek uciekły z wyspy i wróciły do naturalnego środowiska gryzoni, takiego jak Ameryka Północna, popęd mógłby wyeliminować myszy i szczury, gdzie są one krytyczną częścią ekosystemu. Nieobecność gryzoni może doprowadzić do upadku ekosystemu.
Związane z: Oto, co wiemy o bezpieczeństwie CRISPR
Z tego powodu Gould i jego koledzy pracowali nad strategią, która dotyczyłaby wyłącznie myszy żyjących na wyspach. Populacje odmienne geograficznie często mają ten sam wariant genu lub allelu, specyficzny dla ich lokalnej populacji. Jeśli naukowcy mogą zidentyfikować allel specyficzny dla populacji, którą chcą wykorzenić, mogą stworzyć napęd genowy specyficzny dla tej populacji. Popęd rozprzestrzeniłby się tylko na osoby posiadające ten określony allel; nie zadziałałoby u osób bez tego konkretnego allelu. Naukowcy opisali tę metodę w badaniu z 2019 roku opublikowanym w czasopiśmie Scientific Reports.
Ponadto kilku naukowców bada potencjalne plany naprawcze lub strategie usuwania napędu genowego ze środowiska w przypadku niepożądanych wyników. Na przykład Crisanti i jego koledzy opublikowali w 2017 roku w czasopiśmie Plos Genetics badanie opisujące, w jaki sposób mutacje genetyczne odporne na napęd genowy mogą przetrwać i wyeliminować napęd genowy w ciągu zaledwie kilku pokoleń. Należałoby unikać mutacji opornej na napęd genowy, aby napęd genowy trwał, lub może to być sposób na wyeliminowanie niepożądanego napędu genowego.
Chociaż koncepcja wykorzystania napędu genowego do ochrony zdrowia ludzkiego i przywrócenia równowagi ekologicznej jest obiecująca, badania nad implikacjami i skutecznością narzędzia mają wiele do zrobienia.
Dodatkowe zasoby:
- Bądź na bieżąco z najnowszymi wiadomościami o CRISPR na stronie CRISPR News.
- Obejrzyj ten krótki film opisujący działanie napędu genowego z Instytutu Wyss na Uniwersytecie Harvarda.
- Oto kolejny krótki film, który opisuje potencjalne sposoby zabezpieczenia napędu genowego, również z Instytutu Wyss na Uniwersytecie Harvarda.