67 гостей
Еволюція або генна інженерія - хто переможе?
Спочатку вчені працювали над розшифровкою генома людини, а потім почали шукати шляхи зміни генетичного коду, щоб попереджати виникнення нових хвороб, позбавлятися від спадкових патологій. Але у природи, схоже, є своя думка про науковий прогрес, і вона вирішила зірвати їхні плани, які - в свою чергу, - зривають природний хід еволюції.
редагування генів
Філіп Мессер (Philipp Messer), фахівець в області популяційної генетики в Корнуельського університеті США вивчає новий напрямок в генної інженерії - дуже перспективний, але і суперечливе. Мова йде про перенесення генів - методі, який забезпечує швидке поширення цільового гена в популяції. Вчені можуть форсувати поширення певної характеристики, минаючи закони спадковості. Якщо в природних умовах шанси успадкувати ту чи іншу рису дорівнюють приблизно 50/50, то метод, винайдений вченими, дозволяє збільшити шанси на спадкування практично до 100%. Домінування обраного гена продовжиться у всіх наступних поколіннях.
Лабораторні експерименти на фруктових дрозофилах підтвердили: якщо стимулювати спадковість гена, що відповідає за світлий колір очей комах (в природних умовах - рецесивний), то у всіх нащадків очі будуть тільки блакитними. Метод генного драйву актуальний для всіх видів, які розмножуються статевим шляхом, і теоретично може кардинальним чином змінити ведення сільського господарства, створення запасів продовольства, попередити епідемії і т.д. Людина вперше наблизився до того, щоб редагувати розвиток популяцій в дикій природі. Однак така можливість покладає велику відповідальність. Побоювання з приводу етичної сторони питання нарівні з практичними нюансами висловлюють не тільки скептики, але і самі вчені.
Мессер, презентуючи новий метод, попутно озвучує і головні перешкоди, з якими зустрічаються інженери, намагаючись самостійно модерувати природне середовище. Природа завжди знаходить спосіб обійти нав'язливі спроби людини змінити її: хвороботворні мікроорганізми виробляють стійкість до антибіотиків, а шкідливі комахи - відкидають пестициди. Москіти та інші переносники вірусів, геном яких вже змінили щоб виключити можливість зараження, виявляють здатність до адаптації і з часом відновлюються. Кевін Есвелт (Kevin Esvelt), інженер з MIT, вважає, що в результаті завжди перемагає еволюція:
«- На шальках терезів всесвітньої еволюції всіх зусиль генної інженерії нічого не значать. Щоб ми не зробили, природа це переживе і повернеться в початковий стан. Крім, хіба що, нашого повного вимирання. Ось з цим еволюція вже нічого не зможе вдіяти. »
Метод генного драйву поки що застосовувався тільки в лабораторних умовах. Три види, включаючи вже згаданих фруктових мошок, москітів і дріжджі, підтвердили можливість впливати на домінуючу спадковість певного гена. Разом з тим, експерименти показали, що організми починають розвиватися по-новому, з тим щоб нівелювати зовнішній вплив на геном. Складно передбачити, як будуть вести себе більш складні організми в природному середовищі. Однак можна припустити, що вони також будуть чинити опір переносу генів - якщо вже це виявилося під силу навіть лабораторним мошкам. Дослідження в природному середовищі поки що неможливі, з огляду на цілого ряду заборон (як моральних, так і цілком матеріальних) на експерименти з генами. Одного разу запущений механізм зміни спадковості вже не можна буде зупинити або скасувати. Навіть якщо допустити, що можна зупинити першу хвилю генних змін, спеціально запустивши другу хвилю (як вважають окремі фахівці), очевидно, що всі організми, що з'явилися зі зміненою генної інформацією, вже ніяк не виправити. Кілька поколінь виду так і залишаться з геномом, створеним людиною, і немає ніяких шансів вгадати глобальні наслідки такого втручання.
Насправді, шанси є - стверджують ентузіасти генетичної інженерії. Мессер з колегами якраз займаються проектом, який дозволить передбачити реакцію дикої природи на маніпуляції інженерів з генами. Вчені створюють комп'ютерну модель, щоб відслідковувати реакцію цілих популяцій від покоління до покоління. За словами Мессер, проблема інших вчених, які роками намагалися передбачити появу зворотної реакції на генні зміни полягала в тому, що вони фокусувалися на окремих організмах. Він вважає, що еволюція проявляє себе в масштабах всієї популяції, коли від покоління до покоління поступово сформується стійкість до змін, створеним людиною. І протистояння змінам в генетичної інформації майже напевно виявиться в природній екосистемі.
Спочатку організми вчаться жити з новим набором генів, а потім - починають виживати ці зміни
Вчені розглядають кілька сценаріїв реакції на генні зміни. Можливо, опір природи зведе нанівець всі зусилля генетиків, і метод генного драйву не приведе до запланованого результату. З іншого боку, опір, викликане діями вчених, може бути необхідною захисною реакцією. Еволюція непередбачувана за своєю суттю, але невелика група біологів все ж наполегливо будує математичні моделі і проводить експерименти щоб передбачити, як буде розвиватися перетворений ген в природному середовищі.
Не перший рік пошуків
Редагування генів не є самостійним винаходом людства - в самій природі час від часу зустрічаються подібні модифікації. Вчені ще кілька десятиліть тому пропонували використовувати саме природні перетворення генів, посилюючи їх примітивними засобами, на зразок радіації або хімічних речовин. За словами дослідника молекулярної біології з Каліфорнійського університету Анни Бакмен (Anna Buchman), такі генетичні відхилення можна було використовувати, щоб поширити певну межу в популяції, або, навпаки, спровокувати вимирання всього виду.
У 2003 році генетик з Імперського коледжу Лондона Остін Берт (Austin Burt) запропонував метод більш акуратного впливу на геном. Його ідея полягала в тому, щоб виділяти певну секцію ДНК і змінювати тільки її. Він також припускав, що природа буде чинити опір втручанню, але проводити лабораторні дослідження було неможливо, зважаючи на обмежені можливості тодішньої медичної техніки.
Ідеям Берта знайшлося застосування в 2012 році, завдяки стабільному розвитку генної інженерії. Вчені винайшли технологію CRISPR, яка дозволяє швидко і направлено редагувати геном живих організмів, включаючи людину. Використовуючи CRISPR, вчені вибирають фрагмент ДНК, розривають обидві комплементарні ланцюга, що з'єднують його, і можуть вільно замінювати фрагмент, додавати або видаляти гени. Технологія значно спростила розвиток методу перенесення генів і дуже швидко поширилася. Вже через 3 роки після прем'єри CRISPR в університеті Каліфорнії приступили до масштабних експериментів з фруктовими дрозофилами, вибудовуючи якраз таку систему, про яку писав у своїх дослідженнях Берт.
Сьогодні вчені можуть замовити необхідні біологічні інструменти через інтернет і вибудувати працює метод генного драйву протягом декількох тижнів. Мессер відзначає важливу роль доступності технології:
«- Будь-яка людина з базовими знаннями генетики і парою сотень доларів може зайнятися редагуванням генів. Така відкритість технології означає набагато більше для її розвитку, ніж в умовах експериментів в закритих лабораторіях. »
Два сценарії для майбутнього
Хоча редагування генів викликає сотні різноманітних модифікацій, все результати можна поділити на дві основні групи - зміна і знищення. Коли вчені редагують ген москіта таким чином, що комаха не може переносити вірус малярії - це приклад зміни. Новий набір ДНК швидко поширюється в популяції, що сприяє боротьбі з епідемією серед людей. Другий метод полягає в такому заміщенні генів, що всі нащадки народжуються тільки чоловічого роду, і вид поступово вимирає, втративши можливість розмножуватися.
Але в природному середовищі поширення зміненого гена передбачити складно. Ті ж москіти проявили здатність відновлювати початковий генетичний код, нівелюючи дії генних інженерів. Фахівці вважають, що тим чи іншим чином всі види будуть проявляти опір і через кілька поколінь відновлять закладений природою набір генів.
У Корнельському університеті використовують математичну модель для вивчення поширення CRISPR-генів. Тут, також, є два можливих сценарії розвитку подій. Перший - при якому відредагована ДНК відновлюється самостійно, і обидва розірваних кінця ланцюга з'єднуються в випадковому порядку. Кожен окремий організм змінюється по-своєму, контролювати ці зміни вчені не можуть. Уявіть, що при редагуванні тексту з пропозиції видаляють словосполучення, що залишилися слова переставляють, а наостанок - додають в текст навмання взяту зі словника фразу. У підсумку виходить пропозицію, але начисто позбавлене первісного змісту.
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:
Другий варіант використання CRISPR - коли вчені вставляють в ДНК генетичний шаблон і провокують передбачувані з'єднання розірваної ланцюга. В цьому випадку, в умовне пропозицію вставляють заздалегідь відібрану фразу, натомість віддаленого словосполучення. І отримане в результаті пропозиція відповідає задумом.
Перший сценарій є порятунком для еволюції - сумбурно змішана ДНК з непізнаними зв'язками ланцюга через CRISPR не сприймається іншими генами і не передається у спадок наступному поколінню. Якщо ж вчені впроваджують схожий фрагмент в генетичний код, він приживається і поширюється в популяції. Втім, генетик Роберт Анклес (Robert Unckless), який брав участь в експериментах, стверджує, що в разі розвитку першого сценарію генний драйв іноді може встигнути, наприклад, скоротити кількість москітів, які передають вірус малярії.
«- Все залежить від розміру популяції виду і від масовості поширення редагованого гена. Природній силі опору знадобиться деякий час, щоб виявити і подолати зміни ДНК, а до цього часу мета впровадження CRISPR може бути вже досягнута, якою б вона не була. »
Інша група дослідників, в якій об'єдналися фахівці Гарварда і MIT, в своїх експериментах розширила застосування методу випадкових сполук в ДНК. Вони використовували генний драйв, який змінював відразу кілька різних генів. Як пояснив Чарльстон Ноубл (Charleston Noble), таким чином підвищуються шанси на виживання модифікації. Крім того, зміни можуть зачепити дуже важливий ген, що становить сутність живого організму. Еволюція не дозволить собі позбутися від генетичної спадщини, якщо це спричинить загибель всього організму.
Ще один сценарій опору генної інженерії описаний в дослідженнях Техаського університету в Остіні. Вчені висловили припущення, що на поширення генного драйву в популяції може впливати поведінку індивідуумів. Наприклад, вони можуть просто перестати розмножуватися з тими організмами, геном яких був відредагований. Біолог-еволюціоніст Джеймс Булл (James Bull), який є автором цього дослідження, передбачає наявність додаткових факторів, що впливають на процес впровадження змінених ДНК в природне середовище:
«- Математична модель показала, що генний драйв поширюється набагато гірше серед населення з високим відсотком близькоспоріднених зв'язків. І це пов'язано не тільки з еволюцією. Є й інші чинники, через які в популяції не поширюються змінені гени. Я підозрюю, що ми бачимо лише верхівку айсберга. »
результати експериментів
Всі вчені приходять до висновку, що природний опір може виникнути на будь-якому етапі розвитку генома організму, і стримує його тільки «політ фантазії» еволюції. Редагування ДНК впливає на побудову всієї екосистеми. Чарльстон Ноубл пояснює, що якщо вчені зможуть все-таки вивести стійкий до малярії вид москітів, це може привести до мутації комах. Зрештою, вони можуть почати переносити інші віруси.
Якщо припустити, що метою застосування методу генного драйву є поширення певної характеристики видів, тоді природний опір виступає негативним явищем. Однак Мессер пропонує розглядати його, як захисний механізм природи. Еволюція контролює втручання людини, щоб не дозволити йому зайти надто далеко і благими намірами (та ж боротьба з малярією) не забезпечити людству шлях до нових складностей (поширення москітами нових хвороб). З Мессером не згоден генетик Ітан Байєр (Ethan Bier). Він вважає, що вчені помилково розглядають сприйняття генного драйву природним середовищем за якусь захисну систему.
Використання комп'ютерних алгоритмів і математичних моделей допомагає передбачити деякі реакції, але екосистеми занадто складні і дуже різноманітні, щоб можна було говорити про надійність результатів лабораторних маніпуляцій. Використання таких моделей показує лише частина того, що може статися в природі, якщо інженери підготують нову редакцію деякі гени. Але правда полягає в тому, що набагато більша частина залишається для вчених незвіданою. Всі фахівці сходяться на тому, що приступати до експериментів за межами лабораторій при такій часткової інформованості - небезпечно і неетично.
Мессер все ж не втрачає оптимізму. Зараз він проводить наймасштабніші дослідження за всю історію вивчення генного драйву: в декількох групах з різними методами впровадження змінених генів беруть участь по 5 тис. Фруктових дрозофіл. Редагована ДНК постачає мошок флюоресцентним білком і вони світяться при певному освітленні, а вчені уважно спостерігають, як саме успадковується ця риса.
У Гарвардській медичній школі, тим часом, проводять експерименти з москітами, метою яких є вивести комах, які не зможуть чинити опір генному драйву. На основі всіх отриманих даних вчені розроблять нові комп'ютерні моделі для відстеження успадкування гена в популяції. Навряд чи фахівцям вдасться повністю подолати опір еволюції, проте, знайти прийнятний для людства і природи компроміс - цілком реальна мета.
джерело: The Atlantic
