Predire l'efficacia della strategia Popolazione sostituzione Utilizzando Modelli Matematici

Non si possono fare esperimenti su scala ecologica perché non è un esperimento. È l'uscita vera e propria. Cosa succede se qualcosa va storto?

Ricorda che queste zanzare trasmettono una serie di malattie molto gravi. E se diventassero super insetti e iniziassero a trasmettersi in modo ancora più efficace? Forse inizieranno a trasmettere altre malattie che non erano stati in grado di trasmettere in passato.

Dobbiamo davvero formulare le nostre politiche sulla base di modelli computerizzati, proprio come avere modelli computerizzati per tutte le contingenze nell'atterraggio di qualcuno sulla luna. Allo stesso modo, dobbiamo avere simulazioni di tutte le contingenze per ciò che accade dopo il rilascio di zanzare modificate con scimmie genetiche. Mi chiamo Charles Taylor.

Sono all'università della California di Los Angeles presso il Dipartimento di Ecologia e Biologia Evoluzionistica con i miei studenti e postdoc. Ho lavorato sugli aspetti matematici del tentativo di utilizzare zanzare geneticamente modificate per controllare la malaria. Abbiamo adottato diversi approcci per fare questo per diverse parti del problema.

E oggi vi mostrerò un po' del nostro lavoro che abbiamo fatto negli ultimi anni e vi presenterò uno dei miei studenti, John Marshall. La modellazione che abbiamo fatto è di diversi tipi. Prima di tutto, ci sono solo le caratteristiche di base della biologia che devono essere comprese e che richiedono una modellazione.

Ad esempio, qual è la dimensione della popolazione, la sopravvivenza e il movimento, e vedrete alcuni esempi di questi. Poi la prossima cosa è capire se stiamo per rilasciare un elemento trasponibile, sappiamo che ci sono almeno 2050 variabili che probabilmente saranno importanti. L'importanza a volte è difficile da giudicare solo con argomenti verbali, e ci piacerebbe avere buoni modelli matematici per essere davvero precisi e fare affermazioni come, se questo deve funzionare, allora l'idoneità del trans della zanzara trasposta deve essere così e così, o il movimento della zanzara deve essere così.

E così, e vedrete che abbiamo fatto un po' di lavoro analitico in questo senso. Il prossimo tipo di problema non è solo quello di derivare le aspettative, ma piuttosto di valutare ciò che accade dopo il rilascio iniziale. Se poi facciamo un test e otteniamo dei risultati, allora cosa significa?

Significa che abbiamo avuto successo o siamo stati un fallimento? E quindi sono necessarie simulazioni più complicate per questo. Tra parentesi, questo è ciò che ci ha portato per la prima volta nel modello, questo gruppo quattro.

E poi abbiamo i problemi più seri, soprattutto seri problemi di considerazioni etiche. Cosa potrebbe andare storto? Quanto sono serie le cose che potrebbero andare storte?

Se abbiamo una buona regola di stop, allora dobbiamo essere molto chiari al riguardo e sapere cosa faremo per ripulire il pasticcio se qualcosa va storto. Diciamo che facciamo una super zanzara. Il primo tipo di studi che abbiamo fatto è stato quello di identificare i parametri fondamentali e i loro valori per le popolazioni.

Qual è la dimensione della popolazione? Quanto flusso genico c'è? Qual è la sopravvivenza quotidiana delle zanzare in questa zona?

Abbiamo usato un metodo tradizionale molto ben consolidato chiamato Mark Release recapture. Per fare ciò, il modo in cui funziona la ricattura del rilascio del segno è catturare prima un gran numero di zanzare, diciamo un migliaio. Andiamo nei villaggi, li aspiriamo dai muri, li mettiamo in una fiala e, e poi mettiamo un po' di polvere su quella che diventa fluorescente sotto i raggi UV, proprio come viene usata per fare le vernici per i negozi o per l'armamentario psichedelico.

E poi, dopo averli marcati, li rilasciamo di nuovo e poi catturiamo dalle pareti nelle notti successive e in base a quanti vengono ricatturati e dove possiamo fare inferenze usando modelli matematici su quanto sia grande la dimensione della popolazione, quanto lontano si muovano e quanto bene sopravvivono. E in questo primo video, vedrete riassunti i principali risultati dei nostri primi esperimenti. Bene, ci sono diversi modi in cui la modellazione può aiutare il programma per le zanzare geneticamente modificate.

Uno di questi è semplicemente quello di aiutare a capire la biologia di base delle zanzare. E questo è uno dei nostri primi lavori nell'area, cercando di stimare quanta dispersione sta avvenendo, qual è la dimensione della popolazione, qual è la sopravvivenza delle zanzare? E guardando questo, che è un riassunto dei risultati della nostra ricerca, ci sono alcune parti fondamentali della biologia che potrebbero essere di interesse per gli spettatori.

Prima di tutto, vediamo un villaggio, il villaggio del corpo inferiore dove abbiamo fatto gran parte del nostro lavoro in Mali. Si compone di circa 70 diversi composti che possono avere diverse case per dormire, e questi sono mostrati qui. Sono fondamentalmente fatti di fango e le zanzare possono muoversi dentro e fuori a piacimento.

La biologia quotidiana si riflette nei colori qui fuori. Questa è notte. Supponiamo il crepuscolo, il giallo è il giorno e il modello delle zanzare è diverso per ciascuno.

Ad esempio, durante il giorno, rimarranno dove si trovano quando si fa il crepuscolo, poi inizieranno a muoversi e usciranno alla ricerca di posti dove nutrirsi o per deporre le uova. E poi, quando diventa sera, nel cuore della notte, tornano e si vede che le aree intorno a ogni casa sono mostrate in un colore diverso che mostra il gradiente di CO2 e l'odore corporeo che le zanzare usano per affinarsi. Uno dei risultati più importanti che abbiamo avuto durante il primo anno e per cui è stato utilizzato è stato capire che all'interno di un pop, all'interno di un villaggio, non importa dove lo rilasciamo un giorno o due o tre, le zanzare sono distribuite in modo omogeneo su diversi chilometri.

Quindi, dal punto di vista della modellazione successiva, potremmo dire che a a a un villaggio è, Un villaggio è un villaggio. Non c'è distinzione all'interno del villaggio. E il problema quindi è quanto movimento avviene tra i villaggi e tra le diverse sottospecie della zanzara.

E la prossima illustrazione vi mostrerà come la nostra attuale comprensione delle diverse forme cromosomiche e del movimento tra i villaggi. Ok, il video che abbiamo appena visto, vediamo che c'è un sacco di movimento all'interno di un villaggio nel giro di uno o due giorni. È fondamentalmente omogeneo, ma c'è molta più complicazione nella vita reale di quanto mostrato qui.

Prima di tutto, non esiste una sola specie di zanzara che trasmette la malaria. In effetti, ce ne sono diversi in questo villaggio e Bonham e Mali, c'è solo una specie, anno Gambia. Ma quella singola specie ha diverse sottospecie, per così dire, chiamate forme cromosomiche che sono presenti nella stessa posizione.

E se inseriamo il gene nella popolazione, un elemento trasponibile in un'unica forma, dovrà passare attraverso tutti loro. E quello che può essere un modo molto complicato, l'unico modo per capirlo davvero è usare le simulazioni al computer per capirlo ulteriormente. La dimensione della popolazione varia durante l'anno.

E il movimento di villaggio in villaggio, a cui non abbiamo mai pensato prima, deve essere incorporato. Quindi, lasciate che vi mostri un fotogramma di uno dei film che i miei studenti hanno realizzato per illustrare il problema. Ecco una forma cromosomica.

Eccone un altro, eccone un altro. Queste sono chiamate forme Mopti Savannah iCal. La dimensione del disco giallo si riferisce alla dimensione della popolazione.

L'intensità della linea nera mostra quanto flusso genico si sta verificando da un luogo all'altro in questa posizione. C'è il fiume Niger Nigel che scorre e il disco in scala è probabilmente di 10, 15, 30 chilometri da qui a qui. Quindi diamo prima un'occhiata a cosa succede durante l'anno.

Questa è una zona molto secca. Si trova appena sotto il Sahara, Timbuctù non è molto lontana, quindi è abbastanza vicina al bordo del deserto. Durante la stagione secca, che è la maggior parte dell'anno, ci sono pochissime zanzare perché non c'è posto dove riprodursi.

Ma una volta che la stagione delle piogge inizia a giugno, luglio, agosto e si estende fino a settembre, ottobre, allora possiamo raggiungere un numero enorme di zanzare. In un'area in cui lavoro, ottengono oltre 500 byte a persona a notte. Ma in questa zona non è così alto.

Ciononostante, la variazione stagionale è enorme e aiuta vedere un film per capire davvero cosa sta succedendo con le dimensioni della popolazione in combinazione con le diverse forme cromosomiche e con il flusso genico, tutti questi saranno importanti per ciò che alla fine verrà fatto. Se abbiamo intenzione di fare una pubblicazione. Ecco un ciclo annuale.

Iniziamo, le dimensioni della popolazione sono piuttosto piccole, si può vedere anche qui. E poi, a settembre, ottobre, abbiamo una popolazione piuttosto grande in ciascuno dei diversi villaggi e abbiamo un sacco di flusso genico tra i diversi villaggi. Man mano che l'anno continua nel periodo di siccità, le dimensioni della popolazione diminuiscono di nuovo e anche il flusso genico diminuisce gradualmente.

Quindi puoi vedere che c'è molto da fare qui. E quando introduciamo la genetica, la situazione è ancora peggiore. Di conseguenza, dobbiamo vedere alcune di queste cose una per una, non tutte insieme, per ottenere una vera comprensione, fare previsioni e, soprattutto, impostare le condizioni che devono essere soddisfatte se vogliamo avere successo per questo, è davvero utile avere tutto insieme, un tipo di modello diverso da quello che abbiamo guardato. Ora.

Per questo, è utile avere modelli analitici, poiché uno dei miei studenti John Marshall ha lavorato negli ultimi due anni. Ok, sono John Marshall. Sono uno studente laureato nel laboratorio da tavolo e ho lavorato su alcuni degli sforzi di modellazione dei modelli più focalizzati sulla genetica, concentrandomi sui parametri di un elemento trasponibile mentre si diffonde attraverso una popolazione, un elemento trasponibile diffuso perché si replicano e mentre si replicano vengono ereditati più frequentemente.

Quindi hanno la capacità di essere guidati con una spinta e di influenzare il gene in una popolazione. Quindi siamo interessati, ad esempio, al tasso di trasposizione, al modo in cui salta l'aumento del costo del fitness, che è spesso una conseguenza della trasposizione. Inoltre, man mano che l'elemento trasponibile aumenta il numero di copie, la trasposizione sarà meno frequente.

Quindi ci sono quelle dinamiche che contrastano e i modelli matematici possono essere utilizzati per catturarle. Quindi qui esamineremo i modelli più complicati questa volta seguendolo per due anni, non solo uno. E avremo la caratteristica aggiuntiva che la frequenza dell'elemento trasponibile è illustrata dal colore della popolazione.

Quindi ricorda, la dimensione della popolazione è la dimensione del disco e che il colore del disco è la frequenza dell'elemento trasponibile. Iniziamo da qui con frequenze molto basse in tutte le popolazioni. E man mano che l'anno avanza lentamente, vediamo che, man mano che entriamo nella stagione delle piogge, vediamo che la dimensione della popolazione sta diventando più grande e inizialmente solo il lato del divieto di rilascio è rosso.

E qui è per tutti gli scopi pratici, al cento per cento. Gli altri hanno ancora ricevuto un flusso genico insufficiente in modo che non siano ancora tutti trasformati, ma nonostante i bassi tassi di flusso genico, vediamo che entro il secondo anno quasi tutto avrà l'elemento trasponibile. Quindi, alla fine di questa simulazione con questi valori, la frequenza dell'elemento trasponibile è compresa tra il 99 e il cento per cento in tutte le aree che, in tutti i villaggi che vengono esplorati.

Ricorderete che gli studi di John Marshall con i modelli analitici mostrano che il tasso di trasposizione è una caratteristica critica nel modo in cui l'elemento trasponibile si muove attraverso la popolazione. Allo stesso modo, quale forma cromosomica rilasci fa anche una grande differenza. E questo scenario alternativo, solo uno dei tanti che abbiamo studiato, lo vediamo quando lo rilasciamo nella forma Abaco, non nella forma mopti, e che usiamo un tasso di trasposizione inferiore a quello che vi ho mostrato originariamente.

Questo è forse più ragionevole, più facile da raggiungere, che il risultato è molto diverso dopo due anni. Ecco un ciclo di due anni, e lo metterò in pausa a metà in modo che possiate vedere la notevole differenza. Ancora una volta, la popolazione aumenta, ma questa volta l'abbiamo rilasciata in forma di baco, non in forma MTI.

E quando, nel secondo anno, quando la popolazione è aumentata nel bel mezzo della stagione delle piogge, vedete, non è più rossa dappertutto come prima. E inoltre, tutta la trasposizione sembra essere localizzata qui. Questo perché c'è molto meno flusso genico tra la forma iCal e la forma MTI che tra la savana e l'mti.

Quindi, qui, mentre proseguiamo per il resto dell'anno, invece di essere al cento per cento, abbiamo piuttosto che l'area della forma iCal è ora solo del 20%La savana è solo dell'8%E il mopti, per scopi pratici, non ha ricevuto nessuno degli elementi trasponibili dal punto di vista della progettazione dell'esperimento o della sua valutazione. Vedete, è fondamentale avere queste simulazioni e che non solo guidino le nostre aspettative, ma anche per valutarle. Infine, c'è un aspetto di questo che non ha ricevuto l'attenzione che merita.

E questa è la considerazione etica. La maggior parte del lavoro fino ad ora è stato sull'ingegneria genetica cercando di creare qualcosa che funzioni. Ma in realtà, anche se ce l'abbiamo, funziona.

Cosa succederà se verrà rilasciato? Cosa succede se qualcosa va storto? Ricorda che queste zanzare trasmettono una serie di malattie molto gravi.

E se diventassero super insetti e iniziassero a trasmettersi in modo ancora più efficace? O se lo hanno, diventano, hanno antibiotici e li diffondono ad altre specie. O in alternativa, forse inizieranno a trasmettere altre malattie che non sono stati in grado di trasmettere in passato.

Queste sono solo tre di un gran numero di cose orribili che potrebbero accadere. E poiché ci manca qualsiasi base sperimentale da studiare, dobbiamo davvero formulare le nostre politiche sulla base di modelli computerizzati. Ci sono diversi modi in cui questo potrebbe essere fatto.

John sta esaminando solo un aspetto delle cose che vanno storte, ma ovviamente ce ne sono molte altre. E una cosa che dovremo fare e che non abbiamo ancora fatto è creare modelli che dicano che i problemi sono già abbastanza gravi, dobbiamo smettere ed ecco come rimediare a ciò che è andato storto in passato. Speriamo di non dover mai agire in base a queste informazioni, ma proprio come avere modelli computerizzati per tutte le contingenze e far atterrare qualcuno sulla luna, così dobbiamo anche avere simulazioni di tutte le contingenze per ciò che accade dopo il rilascio di zanzare geneticamente modificate.

Quindi questi sforzi di modellazione e gli altri sforzi di modellazione di cui si è parlato in questo segmento sono importanti per valutare se il progetto può funzionare o meno. Non si possono fare esperimenti su scala ecologica perché non si tratta di un esperimento, ma di un vero e proprio rilascio. Quindi è importante avere alcune misurazioni dei parametri e poi un'idea di come funzionano le cose nel modello, e poi dare un'idea se non funzionerà, se funzionerà o meno.

Inoltre, è importante che gli sforzi di modellazione forniscano raccomandazioni ai biologi molecolari su quali parametri dovrebbero essere misurati, quali parametri sono importanti da misurare e, quando li stanno misurando, quali tipi di valori sono importanti per il successo del progetto.