ФРИСС, Йоханнес (1), ГИЗЕ, Бернд (2), ФОН ГЛЕЙХ, Арним (1)
(1) Факультет технологического проектирования и разработки, Бременский университет, Германия (2) Институт наук о безопасности и рисках (ISR), Университет природных ресурсов и наук о жизни, БОКУ, Вена, Австрия
Проект GeneTip
Одной из целей проекта GeneTip: “Генетические инновации как триггеры фазовых переходов в динамике популяций животных и растений" является технологическая характеристика методов генного привода.
«Проект GeneTip рассматривает генные драйвы и самораспространяющиеся искусственные генетические элементы (SPAGE) с точки зрения перспективного анализа риска и пытается определить потенциал опасности и воздействия в разработке»
Он также анализирует их потенциальное применение, чтобы дать рекомендации поболее безопасному пути проектирования и разработки, а также правила, принимая во внимание принцип предосторожности. Авторы считают, что на самом раннем этапе таких инноваций стоит перспективная оценка технологии с характеристикой технологии в качестве первого шага.
Оценка и характеристика перспективных технологий
Технологические характеристики рассматривают новые технологии с перспективной точки зрения.
«На ранних этапах развития технологий и инноваций знания о возможных неблагоприятных последствиях очень низки, но потенциал для максимизации возможностей и минимизации риска по-прежнему высок»
Но авторы считают, что это будет уменьшаться по мере того, как делается все больше и больше инвестиций в технологию и увеличивается зависимость от пути. Таким образом, характеристика технологии полезна на ранних этапах, где можно эффективно влиять на пути проектирования и разработки. Аналитическое исследование пытается получить знания о потенциальных преимуществах, причинах беспокойства, причинах облегчения и неопределенностях.
«Для того, чтобы охарактеризовать и сравнить технологии, существуют различные критерии, которые необходимо учитывать»
Авторы относят к ним глубину Вмешательству, разделенную на его основные эффекты, технологическую мощь и диапазон, учитывая его длительное сохранение в популяции, а также диапазон, с которым он может распространяться между популяциями, и интенсивность интервенции, разделенные на взносы по массе и частоте.
«Надежность касается вероятности сбоя путем перечисления уязвимостей в технологии и пытается оценить вероятность того, что они приведут к выходу из строя диска»
Изучение этих вариантов должно ответить на вопрос, насколько потенциальный ущерб может быть обращен вспять.
Генные драйвы
«...генный драйв определяется как явление, которое благоприятно искажает наследование определенного гена или набора генов»
Авторы утверждают, что он может возникать с помощью различных механизмов и приводит к увеличению распространенности среди населения. Генные драйвы были предложены для обеспечения эффективных средств генетической модификации популяций или даже целых видов. Также генные драйвы могут быть использованы для борьбы с инвазивными видами, такими как грызуны или сорняки, или, наконец, для устранения эволюционировавших гербицидов или устойчивости к пестицидам. Таким образом,
«...генный драйв может быть использован для подавления или преобразования популяции или даже целого вида с помощью нового признака, который передается через драйв»
Общие опасения по поводу генных драйвов
Потенциал генных драйвов для уничтожения целых видов вызывает некоторую обеспокоенность.
«Вымирание никогда не должно быть поставленной целью приложения...»
Авторы говорят о том, что это все же может произойти, если же ситуация выйдет из-под контроля.
Соответствующие последствия могут также иметь место на экологическом уровне, где высвобождаемый генетически модифицированный организм (ГИО) является частью сложной взаимосвязанной пищевой сети.
«Здесь ему приходится конкурировать за еду, пространство и партнеров»
Проблемы включают так называемые нецелевые воздействия на другие популяции и виды, помимо целевой популяции, которые могут способствовать непредвиденным экологическим и эволюционным последствиям, таким как искоренение или замена популяции или распространение генного драйва за пределы предполагаемого района и население.
Помимо воздействия на функции экосистем, генный драйв может также влиять на экосистемные услуги и, таким образом, может привести к социально-экономическим последствиям. Кроме того, по-прежнему существует общий законодательный недостаток в правилах, касающихся технологии генного драйва.
Плодовая муха с пятнистым крылом и техника медея-генного драйва
Это инвазивный вид вредителей в Калифорнии, который откладывает яйца в созревающую вишню. Чтобы иметь возможность сделать это, муха обладает необычайно острым яйцекладом, которым она прокалывает твердую кожу незрелого плода. Мухи откладывают одно яйцо на вишню, а самка может отложить около 200 яиц. Тем самым наносят ущерб США на огромные суммы ежегодно. Считается, что что генный драйв с использованием техники Medea либо уничтожает популяции мух путем слияния конструкции с генами фертильности, либо изменяет яйцеклад мух, чтобы они не могли проколоть вишни и придется изменить свое поведение. В принципе, Медею можно охарактеризовать как низко пороговой генный драйв и модифицирующий драйв. Это означает, что в своей основной форме он предназначен не для уничтожения населения, а для вторжения и захвата власти. А низкий порог означает, что не требуется много организмов, несущих медею, чтобы загнать признак в популяцию. Поэтому миграция этих мух является проблемой, потому что, по крайней мере, теоретически, один генный драйв может устранить всех пятнистых плодовых мух в Калифорнии и за ее пределами.
Малярия и лихорадка денге
Пример потенциального применения генного драйва в области инфекционных заболеваний направлен на трансмиссивные виды патогенов, такие как малярия и лихорадка денге.
«Возбудители малярии включают 5 видов Plasmodium. При этом Plasmodium falciparum является основным вкладчиком»
Авторы считают, что переносчиками малярии являются в основном три вида рода Anopheles. Стратегиям борьбы с болезнями препятствует возникающая устойчивость переносчика к инсектицидам и патогена к лекарственным средствам.
Авторы сообщают, что "...существует целевой проект по борьбе с малярией, который финансируется Биллом и Мелиндой".
Target Malaria реализует два подхода к генному драйву для борьбы с переносчиком малярии. Одним из них является предположительно Y-связанный подход X-Shredder. Буквы X и Y, конечно, обозначают половые хромосомы. Другим подходом Target Malaria является генный драйв на основе CRISPR / Cas, который используется для лечения бесплодия у женщин. В подходе CRISPR/Cas в геном комара вставляется генная кассета, содержащая ген CRISPR/Cas и специфические гРНК, а также грузовые гены, снижающие женскую фертильность.
Авторы подводя итог говорят, что "данная методика позволяет трансформировать гетерозиготные носители в гомозиготные носители генного драйва".
Один из основных генетических недостатков заключается в том, что, когда порез CRISPR не восстанавливается гомологическим репарацией, это не только препятствует копированию кассеты генного драйва, но и создает устойчивый к самонаведению аллель, который будет передаваться потомству поколений.
«существуют серьезные признаки проблемы с неполным или несовершенным копированием в целевой локус, а также нецелевые эффекты из-за отсутствия специфичности системы»
Тем не менее, система CRISPR/Cas9 является относительно новой и в настоящее время является одной из наиболее сильно исследованных технологий в биологии, поэтому дальнейшие улучшения (например, в отношении специфичности) должны быть Ожидаемые и уже существуют некоторые жизнеспособные стратегии для преодоления наиболее очевидных проблем, о чем сообщают нам авторы.
Лихорадка денге – RIDL
Еще одним трансмиссивным заболеванием, на которое уже был нацелен метод SPAGE,является лихорадка денге. Эта техника называется RIDL, что расшифровывается как «Высвобождение насекомых, несущих доминирующий смертельный». Этот метод негенного влечения бывает двух разновидностей: бисексуальный RIDL и женский СПЕЦИФИЧЕСКИЙ RIDL. Бисексуальный RIDL убивает потомство независимо от пола и, следовательно, является самоограничивающимся, потому что после одного поколения все ГМО мертвы. Женский специфический fsRIDL, с другой стороны, убивает только женское потомство. Мужское потомство затем гетерозиготно для летального гена.
Метод RIDL имеет некоторые уязвимости, которые, особенно в случае лихорадки денге, довольно многочисленны. Уже были проведены тестовые испытания они показали, что брачные возможности высвобождаемых ГМО довольно ограничены – с конкурентоспособностью 56% по сравнению с дикими самцами.
"сокращение видов переносчиков может привести к снижению перекрестной и стадной иммунитета и тем самым благоприятствовать более серьезному и смертельному варианту заболевания, включая геморрагические лихорадки"
Инвазивные виды в Новой Зеландии
В настоящее время Новая Зеландия проводит несколько методов, таких как стерильная мужская техника, живой отлов, отравление и, возможно, в будущем так называемая троянская женская техника. Наиболее страшными инвазивными видами являются грызуны, особенно крысы, горностаи и опоссумы. Основная проблема – лишение свободы. Поскольку эти грызуны во всем мире считаются вредителями, и хотя они наносят чистый ущерб в размере около 50 миллионов долларов в Новой Зеландии, ущерб, который они наносят в США около 19 миллиардов долларов, довольно крутой.
Сравнение различных технологий генного драйва
На основе этих параметров и вышеупомянутых критериев можно наконец сравнить различные методы генного драйва. Следует отметить, что генные драйвы в целом соответствуют критерию высокой глубины вмешательства, что приводит к высокой технологической мощности и высокому диапазону из-за стойкости. Принимая во внимание тот факт, что технология действует на фундаментальной основе организма, степени свободы его геномной информации и потенциал для смещения наследования соответствующих (искусственных) признаков, технологическая мощность должна быть оценена как высокая. Технологический диапазон, с другой стороны, оценивается как высокий из-за способности генного драйва к саморепликации / размножению, способности распространяться географически и инвазивно проникать в популяции. Основное различие в технологическом диапазоне может быть сделано между самоограничивающимися и самоподдерживающимися приводами.
Для корректирующих действий для обоих методов RIDLрассматриваются высвобождения диких типов, чтобы превзойти измененные организмыSPAGE. Что касается CRISPR/Cas9-опосредованных генных драйвов, существуют соображения для спасения для исправления генетических изменений, и в настоящее время существуют планы поантигенным драйвам, которые используют химическое уничтожение только GDO.
Заключительные замечания
Целью этой статьи является повышение осведомленности о причинах беспокойства и потенциальных преимуществах новых технологийгенного драйва. Еще есть время действовать и влиять на пути проектирования и развития. Перед нами стоит большой вызов в нашей ответственности перед нашей экосферой и всеми ее жителями.
Генные драйвы для борьбы с малярией на основе CRISPR-Cas9: аспекты перспективной оценки технологий
ЛИБЕРТ, Вольфганг
Институт безопасности и наук о рисках, Университет природных ресурсов и наук о жизни (BOKU), Вена, Австрия
Одним из важных примеров для исследований и разработок (НИОКР), направленных на технически спроектированные генные драйвы (или мутагенные цепные реакции), являются попытки разработать такие системы против видов комаров, которые могут передавать малярию.
Малярия по-прежнему эндемична во многих регионах мира. Она рассматривается как одна из глобальных проблем и была включена в Повестку дня ООН в области устойчивого развития в 2015 году.
Одним из направлений борьбы с малярией является «борьба с переносчиками», то есть борьба с видами комаров, передающими малярию. Открытие нового гена-ножницы CRISPR-Cas9 вызвало исследовательский бум и в этой области. Генные драйвы могут стать чрезвычайно мощными инструментами для людей, чтобы сделать драматические преднамеренные или непреднамеренные изменения в популяциях и целых экосистемах - возможно, в глобальном масштабе.
Потенциалы и риски развития
Мы уже видели лабораторные эксперименты с соответствующими видами комаров, основанные на конструкциях генных драйвов с использованием CRISPR-Cas9.
Автор говорит "до настоящего времени в лаборатории были разработаны четыре конструкции генного драйва: одна у плодовой мухи Drosophila melanogaster (Gantz / Bier 2015), одна в дрожжах (DiCarlo et al. 2015), две у комаров (Gantz et al. 2015, Hammond et al. 2016), которые передают малярию (Anopheles stephensi, Anopheles gambiae)".
Из-за того, что генные драйвы перестали быть стабильными, потенциал, который в принципе можно было бы использовать, стал видимым, но не более.
Далее автор рассматривает два основных пути развития генных драйвов, которые имеют отношение к борьбе с переносчиками малярии:
Кампании по подавлению направлены на резкое сокращение популяций комаров, передающих малярию, на региональном или глобальном уровне - возможно, искоренить их.
Методы модификации/манипуляции направлены на манипулирование комарами (или, вероятно, патогеном) таким образом, чтобы малярийная инфекция людей была уменьшена или выведена из строя.
Принципиальный потенциал генных драйвов рассматривается учеными, участвующими в исследованиях и разработках.
Предсказуемые риски, последствия и неопределенности
Эффективные мутагенные цепные реакции могут работать через многие или даже все национальные границы. (Существует опасность – или надежда – на то, что программа вымирания будет работать глобально.) Это поставит очень серьезные и сложные вопросы, касающиеся принятия решений и регулирования, не имеющие аналогов до сих пор.
Специфичность направляющих РНК, нацеленных на точки расщепления ДНК целевого вида, ниже 100%. Непреднамеренные варианты генов могут быть сгенерированы таким образом. Таким образом, нецелевые эффекты могут привести к нежелательным мутациям, и могут появиться нежелательные варианты комаров.
Как упоминалось выше, патоген может найти способ изменить своего наиболее предпочтительного комара-хозяина. Потребует ли это усилий по искоренению все большего и большего количества видов комаров с помощью все большего количества генных драйвов, обрушиваемых на природу? Мы уже знаем около 30 видов комаров, передающих малярию.
Из-за перекрестного оплодотворения между различными видами комаров может быть возможно, что эффективное подавление перепрыгивает на другой нецелевой вид комаров.
Экологические последствия (включая каскадные эффекты в пищевой цепи) могут быть непреднамеренным результатом использования генных драйвов. (David et al 2013) Научно неопровержимо прояснено, что малярийные комары имеют только повреждающую функцию в природе, заражая людей? Имеют ли они вместо этого также важные полезные и незаменимые роли в пищевой цепи или в бизнесе опыления? Для комаров, в общем, есть примеры, показывающие это (Камарг, Нордическая Арктика, водные системы), но в основном мы должны признать невежество по этому поводу.
«В целом, несколько рисков и непреднамеренных последствий генных драйвов можно предвидеть со всей ясностью. Но есть также много неопределенностей и неизвестных из-за динамической сложности природных систем»
Фундаментальные проблемы и вопросы
Помимо рисков, описанных выше, возникает несколько гораздо более фундаментальных проблем и вопросов:
Если есть шанс, что генный драйв можно сделать эволюционно стабильным в естественной среде, то уже однократное высвобождение модифицированного организма с неправильным или вредным характеристики (даже неизвестные ранее) могут иметь необратимые последствия. Нет ничего похожего на сносный ограниченный выпуск.
Потенциал двойного назначения, как представляется ,очевиден.
Благодаря реализации мутагенных цепных реакций и без того высокая глубина вмешательства человечества в природные процессы будет значительно увеличена.
Внутренняя логика генных драйвов, борющихся с малярией, уже предполагает, что после первых попыток все больше и больше генных драйвов должны быть спроектированы и выпущены, чтобы исправить или улучшить то, что не было достигнуто на первом этапе? Одного генного драйва будет недостаточно, давление на большее будет «естественным образом» сгенерировано, чтобы обеспечить человеческий контроль — что в конечном итоге может оказаться недостижимым?
Инженерные генные драйвы для борьбы с малярией (а борьба с малярией, безусловно, оправдана и бесспорна) могут оказаться желанным открытием для гораздо большего.
Генные драйвы — это сконструированные эгоистичные генетические элементы, предназначенные для автономной работы в природе.
То, что начинается с борьбы с малярией, может закончиться в природе под полным управлением человечества. Генные драйвы резко изменят то, как люди действуют в природе.
Альтернативы генным драйвам?
Генные драйвы являются высокоинвазивными инструментами, которые могут или должны сохраняться в природе.
Автор задается вопросом "Стоит ли полагаться на такие технологии?" И если же ответ нет, то он предлагает рассмотреть альтернативы.
Одним из примеров является заражение комаров бактериями Wolbachia, которые наследуются по материнской линии и влияют на репродуктивные возможности. Таким образом, это может привести к разработке стратегий подавления или замены популяций комаров.
Другим примером подавления популяции является высвобождение генетически модифицированных комаров, передающих доминирующие смертельные факторы своему потомству (RIDL).
Другим подходом, который используется против основных сельскохозяйственных насекомых-вредителей, является метод стерильных насекомых(SIT), при котором большое количество целевых насекомых массово выращивается, стерилизуется радиацией, а затем высвобождается для того, чтобы негативно влияют на размножение популяций насекомых.
Обобщая автор говорит "Во всех этих случаях для получения желаемых результатов необходимо многократное высвобождение достаточного количества обработанных комаров. Такие подходы также должны быть тщательно оценены".
Наиболее важной социально-технической альтернативой может стать стратегия ООН и ВОЗ по ликвидации малярии до 2030 года. (ВОЗ 2015b) Эта стратегия просто основана на более или менее низкотехнологичном использовании, таких как
Долговечные инсектицидные сетки.
Остаточное распыление внутри помещений.
Профилактика групп риска (беременные женщины и дети до пяти лет) методом химиопрофилактического лечения.
Расширение доступа к диагностике и медицинскому лечению в эпидемических регионах (например, комбинированная терапия на основе артемизинина).
Решающее значение имеет минимально функциональная система здравоохранения, доступность диагностики и медикаментов, а также просвещение и расширение прав и возможностей общин, с тем чтобы они могли сами снизить риск малярии.
Автор также обращает наше внимание на "вредное побочное воздействие на окружающую среду в результате массового использования ДДТ".
Глобальная стратегия элиминации малярии должна включать в себя нечто большее, чем борьба с переносчиками: необходимо учитывать прерывание цикла паразитов в целом. Поэтому стратегия ООН/ВОЗ не может быть заменена ничем другим. Однако, возможно, к этому могут быть добавлены новые технологические инструменты.
Нормативные вопросы, ценности и интересы
«Ценности и оценочные суждения участвуют в разработке новых»
Это также относится к исследованиям и разработкам в области генного драйва. Часто ученые и лица, принимающие решения, заявляют: «риск должен быть сбалансирован с выгодой». Это звучит хорошо, потому что оценка риска играет важную роль. Но это может привести к чисто утилитарной этической позиции.
Автор рассматривает принцип Ханса Йонаса, предает большое значение основополагающему принципу предосторожности - по крайней мере, в рамках Европейского союза.
Восприятие роли человека в природе также весьма актуально. Рассматривается ли человечество как распорядитель всей жизни на земле, что можно вывести из «современных» утверждений, подобных утверждению Рене Декарта, который апострофировал человека как «хозяина природы». Или мы видим человечество встроенным в природу и партнером всей жизни на земле? В этом отношении можно привести принципиальное уважение Альберта Швейцера к жизни: «Я — это жизнь, которая хочет жить посреди жизни, которая хочет жить». (Швейцер 1966)
Почему ранняя стадия оценки
«Сначала давайте исследовать и развивать технологии, потом посмотрим, потом общество сможет решить»
Наука и (глобальное) общество находятся на перепутье. Мы должны найти подходящие пути, чтобы направление научно-технического прогресса было тщательно изучено до того, как оно произойдет.
Кевин Эсвельт, который серьезно занимается исследованиями генного драйва, цитируется со следующим: «Мы должны признать, что ответ на вопрос, следует ли нам использовать генный драйв в конкретном случае - «нет» должен быть приемлемым ответом». (Природная биотехнология 2015) И: «Ученые должны принять возможность того, что общество может сказать «нет», полностью остановив исследования генного драйва ». (Harvard Magazine, май-июнь 2016 г.). Да, это должно обсуждаться – сейчас. Перспективная оценка технологий необходима для обеспечения вклада в этот важный дискурс внутри и за пределами науки.
Источник:
1. ФРИСС, Йоханнес, ГИЗЕ, Бернд, ФОН ГЛЕЙХ, Арним // Технологическая оценка генных приводов // Журнал "Critical Issues in Science, Technology and Society Studies" - Июль 2018г. С. 99-106.//
2. Либерт, Вольфганг // Генные драйвы для борьбы с малярией на основе CRISPR-Cas9: аспекты перспективной оценки технологий // Журнал "Critical Issues in Science, Technology and Society Studies" - Июль 2018г. С. 107-114.//
Comments