חיזוי את האפקטיביות של אסטרטגיה החלפת אוכלוסייה באמצעות מודלים מתמטיים

אתה לא יכול לעשות ניסויים בקנה מידה אקולוגי כי זה לא ניסוי. זה השחרור עצמו. מה אם משהו משתבש?

זכרו שהיתושים הללו מעבירים מספר מחלות קשות מאוד. מה אם הם יהפכו לחיידקי על והם יתחילו לשדר בצורה יעילה עוד יותר? אולי הם יתחילו להעביר מחלות אחרות שהם לא הצליחו להעביר בעבר.

אנחנו באמת צריכים לנסח את המדיניות שלנו על סמך מודלים ממוחשבים, בדיוק כמו שיש לנו מודלים ממוחשבים לכל המקרים בהנחתת מישהו על הירח. כמו כן, עלינו לערוך סימולציות של כל המקרים למה שקורה לאחר שאנו משחררים יתושים מהונדסים גנטית. שמי צ'ארלס טיילור.

אני סטודנט באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס במחלקה לאקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית עם הסטודנטים והפוסט-דוקטורנטים שלי. עבדתי על היבטים מתמטיים של הניסיון להשתמש ביתושים מהונדסים גנטית כדי לשלוט במלריה. נקטנו במספר גישות שונות כדי לעשות זאת עבור חלקים שונים של הבעיה.

והיום אראה לכם מעט מהעבודה שעשינו בשנים האחרונות ואציג בפניכם את אחד התלמידים שלי, ג'ון מרשל. המודלים שעשינו הם כמה סוגים שונים. קודם כל, יש רק מאפיינים בסיסיים של הביולוגיה שצריך להבין שדורשים מודל.

למשל, מה גודל האוכלוסייה, ההישרדות והתנועה, ותראה כמה דוגמאות לכך. ואז הדבר הבא הוא להבין אם אנחנו הולכים לשחרר אלמנט הניתן להעברה, אנחנו יודעים שיש לפחות 2050 משתנים שעשויים להיות חשובים. לפעמים קשה לשפוט את החשיבות רק על פי טיעונים מילוליים, והיינו רוצים שיהיו לנו מודלים מתמטיים טובים כדי להיות מדויקים באמת וכדי להצהיר הצהרות כמו, אם זה הולך לעבוד, אז הכושר של הטרנס של היתוש הטרנספוזיטיבי צריך להיות כך וכך, או שתנועת היתוש חייבת להיות כך.

וכך, ואתם תראו שעשינו עבודה אנליטית בהקשר הזה. הסוג הבא של בעיה הוא לא רק לגזור ציפיות, אלא להעריך מה קורה לאחר השחרור הראשוני. אם נעשה בדיקה אז ונקבל תוצאות, אז מה זה אומר?

האם זה אומר שהצלחנו או שהיינו כישלון? ולכן נדרשות סימולציות מורכבות יותר לשם כך. בסוגריים, זה מה שהוכנסנו לראשונה למודל, הקבוצה הרביעית הזו.

ואז יש לנו את הבעיות החמורות יותר, במיוחד בעיות רציניות, של שיקולים אתיים. מה עלול להשתבש? עד כמה חמורים דברים שעלולים להשתבש?

אם יש לנו כלל עצירה טוב, אז אנחנו צריכים להיות מאוד ברורים לגביו ולדעת מה אנחנו הולכים לעשות כדי לנקות את הבלגן אם משהו ישתבש. נניח שאנחנו מייצרים יתוש על. הסוג הראשון של המחקרים שעשינו היה פשוט לזהות את הפרמטרים המרכזיים ואת הערכים שלהם באוכלוסיות.

מה גודל האוכלוסייה? כמה זרימת גנים יש? מה ההישרדות היומית של היתושים באזור הזה?

השתמשנו בשיטה מסורתית מבוססת מאוד שנקראת לכידה מחדש של שחרור סימנים. כדי לעשות זאת, הדרך שבה לכידת שחרור סימנים עובדת היא שאנו לוכדים תחילה מספר רב של יתושים, נניח אלף. אנחנו יוצאים לכפרים, שואבים אותם מהקירות, מכניסים אותם לבקבוקון, ואז אנחנו שמים קצת אבק על הפלורסרס הזה מתחת לקרינת UV, ממש כמו שמשתמשים בו להכנת הצבעים בחנויות או לאביזרים פסיכדליים.

ואז, לאחר שסימנו אותם, אנו משחררים אותם שוב ואז אנו מצלמים מהקירות בלילות הבאים ובהתבסס על כמה מהם נלכדים מחדש והיכן אנו יכולים להסיק מסקנות באמצעות מודלים מתמטיים לגבי גודל האוכלוסייה, כמה רחוק הם זזים, ועד כמה הם שורדים. ובסרטון הראשון הזה, תוכלו לראות את התוצאות העיקריות של הניסויים הראשונים שלנו מסוכמות. ובכן, ישנן מספר דרכים שבהן מודלים יכולים לסייע לתוכנית ליתושים מהונדסים גנטית.

אחד מהם הוא פשוט לעזור להבין את הביולוגיה הבסיסית של היתושים. וזו אחת מהעבודה הראשונה שלנו באזור, בניסיון להעריך מה, כמה פיזור מתרחש, מה גודל האוכלוסייה, מה ההישרדות של היתושים? וכשמסתכלים על זה, שהוא סיכום של תוצאות המחקר שלנו, יש כמה מאפיינים בסיסיים של הביולוגיה שעשויים לעניין את הצופים.

קודם כל, אנחנו רואים כפר, הכפר של הגוף התחתון שבו עשינו כל כך הרבה מהעבודה שלנו במאלי. הוא מורכב מכ-70 מתחמים שונים שעשויים להכיל כמה בתי שינה, ואלה מוצגים כאן. הם עשויים בעצם מבוץ והיתושים יכולים לנוע פנימה והחוצה כרצונם.

הביולוגיה היומית משתקפת על ידי הצבעים כאן. זה לילה. נניח שהדמדומים, הצהוב הוא היום ודפוס היתושים שונה עבור כל אחד מהם.

לדוגמה, במהלך היום, הם יישארו במקומם כשיהיה דמדומים, ואז הם יתחילו להסתובב והם יצאו לחפש מקומות להאכיל או להטיל את ביציהם. ואז כשמגיע הערב, אז הם נכנסים, באמצע הלילה, הם יחזרו ואתם תראו שהאזורים סביב כל בית מוצגים בצבע שונה שמראה את שיפוע הפחמן הדו-חמצני וריח הגוף שהיתושים משתמשים בו כדי לחדד. אחת התוצאות החשובות ביותר שהיו לנו במהלך השנה הראשונה ושהשתמשו בה הייתה ההבנה שבתוך פופ בתוך כפר, לא משנה היכן אנחנו משחררים אותו יום, יומיים או שלושה, היתושים מפוזרים בצורה הומוגנית על פני כמה קילומטרים.

אז מנקודת המבט של המודלים הבאים, נוכל לומר ש-a a a a כפר הוא, a village הוא כפר. אין הבחנה בתוך הכפר. השאלה היא כמה תנועה מתרחשת בין כפרים ובין תת-המינים השונים של היתוש.

והאיור הבא יראה לכם את ההבנה הנוכחית שלנו לגבי הצורות הכרומוזומליות השונות ועל התנועה בין הכפרים. אוקיי, בסרטון שראינו זה עתה, ראינו שיש הרבה תנועה בתוך הכפר תוך יום או יומיים. זה בעצם הומוגני, אבל יש הרבה יותר סיבוכים בחיים האמיתיים ממה שמוצג כאן.

קודם כל, אין רק מין אחד של יתושים שמעביר מלריה. למעשה, יש כמה בכפר הזה ובונהם ומאלי, יש רק מין אחד, אנו גמביה. אבל למין הבודד הזה יש כמה תת-מינים שונים, כביכול, שנקראים צורות כרומוזומליות שנמצאות באותו מיקום.

ואם נכניס את הגן לאוכלוסייה, יסוד הניתן להעברה לצורה אחת, הוא יצטרך לעבור דרך כולם. ומה שעשוי להיות נימוסים מסובכים מאוד, הדרך היחידה להבין זאת באמת היא להשתמש בסימולציות מחשב כדי להבין זאת לעומק. גודל האוכלוסייה משתנה במהלך השנה.

והתנועה מכפר לכפר, שלא חשבנו עליה קודם, חייבת להיות משולבת. אז הנה, הרשו לי להראות לכם פריים מאחד הסרטים שהתלמידים שלי יצרו שממחישים את הבעיה. הנה צורה כרומוזומלית אחת.

הנה עוד אחד, הנה עוד אחד. אלה נקראים טפסי Mopti Savannah iCal. גודל הדיסק הצהוב מתייחס לגודל האוכלוסייה.

עוצמת הקו השחור מראה כמה זרימת גנים מתרחשת ממקום למקום במיקום זה. יש נהר ניז'ר נייג'ל זורם והדיסק בקנה מידה הוא כנראה 10, 15, 30 קילומטרים מכאן לכאן. אז בואו נסתכל תחילה על מה שקורה במהלך השנה.

זהו אזור יבש מאוד. זה ממש מתחת לסהרה טימבוקטו לא רחוק מאוד כך שהוא די קרוב לקצה המדבר. במהלך העונה היבשה, שהיא רוב השנה, יש מעט מאוד יתושים כי אין מקום להתרבות.

אבל ברגע שעונת הגשמים מתחילה ביוני, יולי, אוגוסט ונמשכת עד ספטמבר, אוקטובר, אז נוכל להשיג מספרים עצומים של יתושים. תחום אחד שאני עובד בו, הם מקבלים יותר מ-500 בתים לאדם ללילה. אבל בתחום הזה זה לא כל כך גבוה.

עם זאת, השונות העונתית היא עצומה וזה עוזר לראות סרט כדי להבין באמת מה קורה עם גודל האוכלוסייה בשילוב עם הצורות הכרומוזומליות השונות ועם זרימת הגנים, כל אלה הולכים להיות חשובים למה שבסופו של דבר ייעשה. אם אנחנו הולכים להוציא מהדורה. הנה מחזור שנתי אחד.

אנחנו מתחילים, גודל האוכלוסייה די קטן, אפשר לראות גם כאן. ואז בספטמבר, אוקטובר, אתם רואים שיש לנו אוכלוסייה די גדולה בכל אחד מהכפרים השונים ויש לנו הרבה זרימת גנים בין הכפרים השונים. ככל שהשנה ממשיכה חזרה לתקופה היבשה, גודל האוכלוסייה מצטמצם שוב וזרימת הגנים פוחתת בהדרגה.

אז אתה יכול לראות שיש הרבה דברים שקורים כאן. וכשאנחנו מציגים את הגנטיקה, המצב אפילו גרוע יותר. כתוצאה מכך, עלינו לראות חלק מהדברים הללו בזה אחר זה, לא ביחד כדי להגיע להבנה אמיתית, לבצע תחזיות, ובעיקר להציב תנאים שפשוט חייבים להתקיים אם ברצוננו להצליח בכך, זה באמת מועיל שיהיה הכל ביחד, סוג שונה של מודל ממה שהסתכלנו עליו. כעת.

לשם כך, זה מועיל שיהיו מודלים אנליטיים כפי שאחד התלמידים שלי ג'ון מרשל עבד עליו בשנה-שנתיים האחרונות. אוקיי, אני ג'ון מרשל. אני סטודנט לתואר שני במעבדת הטבלה ועבדתי על כמה ממאמצי המודלים הממוקדים יותר מבחינה גנטית, תוך התמקדות בפרמטרים של אלמנט הניתן להעברה כשהוא מתפשט באוכלוסייה, אלמנט הניתן להעברה מתפשט מכיוון שהם משתכפלים וככל שהם משתכפלים אז הם עוברים בתורשה בתדירות גבוהה יותר.

אז יש להם את היכולת להיות מונעים עם דחף ולהשפיע על הגן לתוך אוכלוסייה. אז אנחנו מתעניינים, למשל, בקצב הטרנספוזיציה, האופן שבו הוא מקפיץ את העלייה בעלות הכושר, שלעתים קרובות היא תוצאה של טרנספוזיציה. וגם ככל שהאלמנט הניתן להעברה מגדיל את מספר העותק שלו, אז הוא יבצע טרנספוזיציה בתדירות נמוכה יותר.

אז יש את הדינמיקה הנגדית הזו וניתן להשתמש במודלים מתמטיים כדי ללכוד את זה. אז כאן נסתכל על המודלים המורכבים יותר הפעם בעקבות זה במשך שנתיים, לא רק שנה. ותהיה לנו תכונה נוספת שתדירות היסוד הניתן להעברה מודגמת על ידי צבע האוכלוסייה.

אז זכרו, גודל האוכלוסייה הוא גודל הדיסק ושצבע הדיסק הוא התדר של האלמנט הניתן להעברה. אנחנו מתחילים כאן עם שכיחות נמוכה מאוד בכל האוכלוסיות. וככל שהשנה מתקדמת לאט אנו רואים שככל שאנו נכנסים לעונת הגשמים, אנו רואים שגודל האוכלוסייה גדל ובהתחלה רק הצד של איסור השחרור הוא אדום.

והנה זה לכל המטרות המעשיות, מאה אחוז. האחרים עדיין קיבלו זרימת גנים לא מספקת כך שהם עדיין לא עברו טרנספורמציה, אבל למרות שיעורים נמוכים של זרימת גנים, אנו רואים שעד השנה השנייה כמעט לכל דבר יהיה היסוד הניתן להעברה. אז בסוף הסימולציה הזו עם הערכים האלה, תדירות האלמנט הניתן להעברה היא בין 99 למאה אחוז בכל האזורים שבכל הכפרים שנחקרים.

אתם זוכרים שמחקריו של ג'ון מרשל עם המודלים האנליטיים מראים שקצב הטרנספוזיציה הוא מאפיין קריטי באופן שבו האלמנט הניתן להעברה נע באוכלוסייה. באופן דומה, איזו צורה כרומוזומלית אתה משחרר וגם עושה הבדל גדול. והתרחיש החלופי הזה, רק אחד מני רבים שחקרנו, אנו רואים שכאשר אנו משחררים אותו לצורת אבאקו, לא לצורת מופטי, ואנו משתמשים בקצב טרנספוזיציה קטן יותר מזה שהראיתי לכם במקור.

זה אולי הגיוני יותר, קל יותר להשיג, שהתוצאה שונה מאוד אחרי שנתיים. הנה מחזור של שנתיים, ואני אשהה אותו באמצע הדרך כדי שתוכלו לראות את ההבדל המדהים. שוב, האוכלוסייה גדלה, אבל איך הפעם שחררנו אותה למעלה בצורת baco, לא למטה בצורת MTI.

וכאשר, בשנה השנייה, כאשר גודל האוכלוסייה גדל באמצע עונת הגשמים, ראו כאן, זה לא אדום בכל מקום כפי שהיה קודם. ויתר על כן, נראה שכל הטרנספוזיציה ממוקמת כאן. הסיבה לכך היא שיש הרבה פחות זרימת גנים בין צורת ה-iCal לצורת ה-MTI מאשר בין הסוואנה ל-ו-mti.

אז כאן, כשאנחנו ממשיכים לשאר השנה, במקום להיות מאה אחוז, יש לנו דווקא שהשטח בצורת iCal הוא עכשיו רק 20%הסוואנה היא רק 8%והמופטי, למטרות מעשיות, לא קיבלה אף אחד מהאלמנטים הניתנים להעברה מנקודת המבט של תכנון הניסוי או הערכתו. אתם מבינים, זה קריטי שיהיו לנו סימולציות כאלה וזה לא רק כדי להנחות את הציפיות שלנו, אלא גם כדי להעריך אותן. לבסוף, ישנו היבט של זה שלא קיבל כמעט את תשומת הלב הראויה לו.

וזה השיקול האתי. רוב העבודה עד כה הייתה על ההנדסה הגנטית בניסיון לייצר משהו שיעבוד. אבל למעשה, גם אם יש לנו את זה, זה עובד.

מה יקרה אם הוא ישוחרר? מה אם משהו משתבש? זכרו שהיתושים הללו מעבירים מספר מחלות קשות מאוד.

מה אם הם יהפכו לחיידקי על והם יתחילו לשדר בצורה יעילה עוד יותר? או אם יש להם, הם הופכים להיות שיש להם אנטיביוטיקה והם מפיצים את זה למינים אחרים. או לחילופין, אולי הם יתחילו להעביר מחלות אחרות שהם לא הצליחו להעביר בעבר.

אלה רק שלושה מתוך מספר גדול מאוד של דברים נוראיים שעלולים לקרות. ומכיוון שאין לנו כל בסיס ניסיוני למחקר, אנחנו באמת צריכים לנסח את המדיניות שלנו על סמך מודלים ממוחשבים. ישנן מספר דרכים לעשות זאת.

ג'ון מסתכל רק על היבט אחד של דברים שמשתבשים, אבל ברור שיש עוד הרבה. ודבר אחד שנצטרך לעשות ועדיין לא עשינו הוא ליצור מודלים שאומרים שהבעיות גרועות מספיק, אנחנו חייבים להפסיק וכך אנחנו מתקנים את מה שהשתבש בעבר. אני מקווה שלעולם לא נצטרך לפעול על סמך המידע הזה, אבל בדיוק כמו שיש לנו מודלים ממוחשבים לכל המקרים ולהנחית מישהו על הירח, כך גם אנחנו צריכים לעשות סימולציות של כל המקרים למה שקורה אחרי שאנחנו משחררים יתושים מהונדסים גנטית.

לכן מאמצי המידול הללו ומאמצי המידול האחרים שדיברו עליהם בפלח זה חשובים להערכה אם הפרויקט יכול לעבוד או לא. אתה לא יכול לעשות ניסויים בקנה מידה אקולוגי כי זה לא ניסוי, זה השחרור בפועל. לכן חשוב שיהיו כמה מדידות של פרמטרים ואז מושג כלשהו של איך הדברים עובדים על המודל, ואז לתת מושג כלשהו אם זה לא יעבוד, אם זה יעבוד או לא.

בנוסף, חשוב למאמצי המודלים להציע המלצות לביולוגים מולקולריים על אילו פרמטרים יש למדוד, אילו פרמטרים חשוב למדוד, ומתי הם מודדים אותם, איזה סוג של ערכים חשובים להצלחת הפרויקט.