Wetenschappers hebben genetische wapens ontwikkeld die in staat zijn om hele soorten organismen van de aardbodem te vernietigen. Het gaat om gene drive-technologie waarmee schadelijke mutaties zich kunnen verspreiden in dierpopulaties. Ondanks protesten van milieuorganisaties kan deze aanpak mensen enorm ten goede komen door gevaarlijke ziekten uit te bannen. "Lenta.ru" vertelt over hoe wetenschappers malaria gaan bestrijden met behulp van gemodificeerde muggen.
DNA-saboteurs
Malaria is een groep infectieziekten die wordt veroorzaakt door parasitaire eencellige organismen van het geslacht Plasmodium. Ze komen in menselijk bloed terecht wanneer ze worden gebeten door vrouwelijke Anopheles-muggen, ook wel malariamuggen genoemd. Deze insecten worden over de hele wereld verspreid, met uitzondering van Antarctica, het Verre Noorden en Oost-Siberië. Bovenal is malaria ziek in Afrika, en vooral - kinderen. Malaria doodt elk jaar bijna een half miljoen mensen, waarbij de meeste slachtoffers kinderen onder de vijf jaar zijn.
Wetenschappers denken al jaren na over hoe genetisch gemanipuleerd is om malaria te verslaan. Een manier is om genen in muggen te introduceren die voorkomen dat Plasmodium zich erin nestelt. Maar er is een probleem. Laten we zeggen dat we duizenden veilige malariamuggen creëren en deze in het milieu vrijlaten. Hoe zorg je voor verspreiding van het gewenste gen in het wild?
Genetisch gemodificeerde muggen hebben twee exemplaren van het antimalaria-gen (één op elk chromosoom). Slechts één van de chromosomen (welke het geval beslist) wordt door het nageslacht geërfd. Daarom, als een veranderde mug en een wilde persoon paren zonder het gewenste gen, zal slechts één kopie van het gen naar het nageslacht gaan. En slechts ongeveer de helft van de volgende generatie muggen krijgt die kopie (aangezien het mutante chromosoom voor 50 procent wordt geërfd). Als gevolg hiervan zullen antimalaria-genen geleidelijk uit de populatie verdwijnen - het is onwaarschijnlijk dat natuurlijke selectie ze ondersteunt.
Een techniek die bekend staat als gene drive kan worden gebruikt om de eliminatie (eliminatie) van een gen uit de wilde populatie te voorkomen. Het bestaat uit het op de een of andere manier kopiëren van het gen dat we nodig hebben van het ene chromosoom naar het andere. Dan krijgt een organisme dat slechts één kopie van het gen had, twee exemplaren en geeft het met een waarschijnlijkheid van 100% door aan zijn nakomelingen. Hoe het gedaan wordt?
Promotie video:
Een manier is om restrictie-endonucleasen te gebruiken, enzymen die op een specifieke locatie een snee maken in een dubbele DNA-streng. Als u een breuk in het chromosoom maakt, begint het herstelproces. Daarbij wordt een intact gedeelte van het naburige chromosoom gekopieerd naar de doorgesneden ketting. Endonucleasen maken echter een snee als ze een specifieke combinatie van nucleotiden "herkennen". Er kunnen veel van dergelijke combinaties op een chromosoom voorkomen, dus we lopen het risico het chromosoom in veel stukken te knippen. Dit, evenals andere factoren, bemoeilijken het gebruik van restrictie-endonucleasen voor gene drive.
De CRISPR / Cas9-technologie is in staat deze enzymen te vervangen, waardoor we precies op de plek een incisie kunnen maken die we nodig hebben. Het Cas9-nuclease zal een breuk maken in de dubbele DNA-streng op de plaats (doelwitplaats) "aangegeven" door de RNA-gids of sg-RNA. Het is zo'n kort nucleïnezuurmolecuul dat complementair is aan de doelwitplaats, daarom kan door het synthetiseren van een voldoende lange RNA-gids de kans op snijden op de verkeerde plaats worden geminimaliseerd.
In 2015 creëerden wetenschappers van Imperial College London een gene drive met CRISPR / Cas9 die de verspreiding bevordert van een mutatie die onvruchtbaarheid veroorzaakt bij malariamuggen. Vrouwtjes met een mutant gen op beide chromosomen zijn onvruchtbaar en mannetjes kunnen het in de populatie verspreiden. Op deze manier is het niet alleen mogelijk om de populatie Anopheles terug te brengen tot een niveau waarop infectie met Plasmodium malaria zeldzaam zal worden, maar ook om de ontwikkeling van resistentie tegen pesticiden tegen te gaan en invasieve soorten te vernietigen.
Gene apocalyps
Er zijn echter zorgen dat de ongecontroleerde verspreiding van het gen onbedoelde gevolgen kan hebben voor dieren in het wild. Volgens evolutionair ecoloog James Collins van de Arizona State University is het in een interview met Science niet bekend hoe gene drive de populatiedynamiek en de gezondheid van ecosystemen zal beïnvloeden. Zo leidt de volledige vernietiging van een soort of zelfs een sterke afname van het aantal tot de verspreiding van andere soorten. Daarom mogen gemodificeerde muggen niet in het wild worden vrijgelaten zonder rekening te houden met alle risico's. Maar hoe kun je een gene drive testen als het testen zelf vereist dat insecten in het wild zijn?
James Collins
Wetenschappers noemen dit probleem Catch-22 omdat de oplossing zichzelf tegenspreekt. Biologen van de Harvard University en het Massachusetts Institute of Technology hebben echter ontdekt hoe ze ervoor kunnen zorgen dat een gene drive eerst de verspreiding van een mutant gen kan bevorderen en na een paar generaties kan leiden tot het verdwijnen ervan.
Het punt is dat het kopiëren van het benodigde stukje DNA van het ene chromosoom naar het andere in stappen verloopt. Gene drive wordt aangestuurd door drie elementen, die elk uit een of meer genen bestaan. Element A wordt gekopieerd en ingevoegd in het homologe chromosoom in aanwezigheid van element B, en element B in aanwezigheid van element C. Element C zelf wordt in de populatie verdeeld via normale overerving en wordt doorgegeven aan slechts de helft van de nakomelingen.
Het paren van genetisch gemodificeerde insecten met wilde muggen zal ertoe leiden dat alle nakomelingen de elementen A en B zullen dragen, maar slechts de helft van hen zal element C dragen. Daardoor zullen A en B zich volgens de erfelijkheidswetten eerst snel verspreiden in de populatie, en na een bepaalde hoeveelheid generaties zal element C praktisch verdwijnen, gevolgd door element B en ten slotte A. De verspreiding van het mutante gen hangt af van het aantal insecten dat in de natuurlijke omgeving wordt vrijgelaten. Je kunt ervoor zorgen dat bijna alle individuen die in een bepaald territorium wonen, drager zijn van de mutatie, maar bij een grotere populatie zullen de genen zich niet kunnen verspreiden. Als de proeven slagen, zal de kwestie van het toepassen van de technologie bij een duidelijke bedreiging voor de menselijke gezondheid door malariamuggen serieus aan de orde komen.
Alles is beslist
Sommige non-profitorganisaties, zoals Friends of the Earth en de Council for Responsible Genetics, hebben zich uitgesproken tegen gene drive en noemen het gen-extinctie-technologie. Ze stelden voor een moratorium in te voeren. In december 2016 keurden de partijen bij het VN-Verdrag inzake biologische diversiteit het gebruik van de gene drive echter goed en riepen ze op tot voorzichtigheid bij veldproeven.
Foto: Public Domain / Wikimedia
In sommige landen is de technologie al getest. Resultaten van vijf veldproeven die van 2011 tot 2014 werden uitgevoerd in Panama, de Kaaimaneilanden en de noordoostelijke Braziliaanse staat Bahia, toonden aan dat het aantal wilde muggen met 90 procent was gedaald. Nu staat Brazilië op het punt miljoenen genetisch gemodificeerde insecten vrij te laten om zika, dengue, gele koorts en chikungunya te bestrijden.
De mogelijkheid om natuurlijke ecosystemen te beïnvloeden door genetische manipulatie is dus bewezen. Is het echter mogelijk om het menselijk genoom rechtstreeks aan te passen om erfelijke ziekten kwijt te raken? Of mensen immuun maken voor Plasmodium malaria?
In februari 2017 publiceerden de Amerikaanse National Academies of Sciences and Medicine een rapport waarin experts het DNA van mensen lieten veranderen om mutaties die ernstige verstoringen in het lichaam veroorzaken tegen te gaan. In feite betekent dit dat defecte genen in menselijke embryo's moeten worden gecorrigeerd. Dit zal u helpen om te gaan met ziekten zoals de ziekte van Huntington of fatale familiaire slapeloosheid. Het gebruik van gene drive-technologieën zal echter worden beperkt tot populaties wilde dieren, aangezien het gebruik ervan bij mensen niet alleen ethisch twijfelachtig is, maar ook onpraktisch: het gen zal zich te langzaam verspreiden.
Alexander Enikeev
