Zapobieganie rozprzestrzenianiu się malarii i gorączki denga za pomocą genetycznie zmodyfikowanych komarów

Nazywam się Anthony James. Pracuję na wydziałach mikrobiologii i biologii molekularnej, a następnie biologii molekularnej i biochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. Moje laboratorium pracuje nad opracowaniem odpowiedzi na proste pytanie, czy genetyka może w jakikolwiek sposób przyczynić się do zwalczania chorób przenoszonych przez wektory.

W naszym konkretnym przypadku interesują nas choroby przenoszone przez komary, malaria i gorączka denga. Malaria jest największą chorobą przenoszoną przez wektory pod względem śmiertelności ludzi, która zabija jedną osobę co około 20 do 30 sekund, średnio w ciągu roku. Wirus dengi nie jest tak znaczący pod względem śmiertelności ludzi, ale jest poważnym problemem zdrowia publicznego, który dotyka prawie połowę mieszkańców świata, potencjalnie dotykając prawie połowę światowej populacji z około 50 000 stu tysięcy przypadków rocznie.

Na obszarach tropikalnych obecne podejścia do zwalczania chorób przenoszonych przez wektory, w szczególności wirusów malarii i dengi, koncentrują się na zwalczaniu wektora poprzez stosowanie insektycydów lub ograniczanie siedlisk larw, larw i siedlisk rozrodczych. Przypadek malarii, stosowanie leków leczniczych i profilaktycznych oraz środki kontroli, które uniemożliwiają ludziom dostęp do komarów. Obejmuje to stosowanie moskitier i innych środków ochrony osobistej, które uniemożliwiają komarom dostęp do ludzi.

Zadajemy więc pytanie, jak już wspomniałem, czy genetyka ma coś do zaoferowania, czy nie, i są dwa obszary, w których rozważamy genetykę. Jednym z nich jest opracowanie technik genetycznych, które zmniejszą populacje komarów. Nazywa się to redukcją populacji.

Drugim obszarem jest wymiana populacji. Pomysł polega na tym, aby wziąć geny, które nadawałyby odporność na określone patogeny i w jakiś sposób wprowadzić je do populacji z dużą częstotliwością. Nazywamy to wymianą populacji.

Były więc dwie interesujące obserwacje, które pozwoliły nam sądzić, że genetyka ma do odegrania rolę w kontrolowaniu chorób przenoszonych przez wektory. Po pierwsze, jeśli spojrzysz na wszystkie owady lub stawonogi, w tym kleszcze żywiące się krwią, odkryjesz, że nie każdy stawonóg żywiący się krwią przenosi każdą chorobę. Sugeruje to, że istnieją pewne ograniczenia dotyczące gospodarzy tych patogenów i okazuje się, że jest to prawda.

A kiedy myślisz o ograniczeniach gospodarza, zaczynasz myśleć o genetyce. Drugie spostrzeżenie było takie, że jeśli spojrzysz na populację owadów, która przenosi się za pomocą bardzo prostych technik, możesz wybrać z tej grupy owadów populację, która jest bardzo podatna i taką, która jest wysoce ogniotrwała. Robiąc to, możesz wykonać proste krzyżówki genetyczne i odpowiedzieć na pytania o to, ile genów jest zaangażowanych, czy istnieje prosta dominacja, recesywne relacje.

Z tych obserwacji jasno wynika, że genetyka jest ważna dla konkretnego gatunku komarów, aby wspierać rozwój konkretnego patogenu. Pomysł był taki, że czy nie byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli w jakiś sposób rozprzestrzenić te geny, które nadają oporność, we wszystkich populacjach? Zaletą tego byłoby to, że skupilibyśmy się konkretnie na patogenie i unikalibyśmy stosowania takich rzeczy jak insektycydy, które mają duży wpływ na organizmy niebędące celem ataku, lub zarządzanie środowiskiem w celu zmniejszenia liczby miejsc rozrodu, które mają głęboki wpływ na środowisko.

I w przeciwieństwie do stosowania insektycydów i leków profilaktycznych, nie oczekujemy, że te komary kiedykolwiek się rozwiną, a pasożyty, które są w nich hodowane, kiedykolwiek będą miały na nie jakąkolwiek odporność. Chodzi więc o to, aby móc opracować strategię, w której masz całkowicie odpornego na chorobę komara i nie musisz się martwić o skutki niedocelowe. Kiedy więc przyjrzeliśmy się naturalnej, powtarzającej się rasowości, atrakcyjnym podejściem było sprawdzenie, jak gdybyśmy mogli uzyskać niektóre z tych naturalnych genów i zwiększyć ich częstość występowania w populacjach, moglibyśmy mieć populację odporną na choroby.

Okazało się jednak, że przynajmniej na początku fizyczne zdobycie tych genów było bardzo trudne. Tak więc nasza grupa i wiele innych osób przyjęło całkowicie syntetyczne podejście, w którym pomysł polegał na zbudowaniu zasadniczo genu, który mógłby nadawać oporność. W tych okolicznościach podzieliliśmy gen na dwa proste składniki, część kontrolną, która powie ci, kiedy, gdzie i ile danej substancji należy wyprodukować.

A następnie infekcyjna część efektorowa, która jest rzeczywistym produktem wytwórzonym przez ten gen, który może nadawać oporność. W naszej analizie tego, jak zamierzamy zbudować te geny, zdecydowaliśmy, że byłoby ważne i mądre, gdyby części kontrolne faktycznie umieściły cząsteczkę efektora w tej części komara, w której faktycznie znajdowały się pasożyty. Szukaliśmy więc genów regulowanych rozwojowo, które pozwoliłyby nam umieścić coś we właściwym miejscu.

A to coś, po raz kolejny, to jest cząsteczka efektorowa, a to jest rzeczywista część cząsteczki wytwarzana przez gen, która bezpośrednio interferuje albo z pasożytami malarii, albo z wirusami. Na potrzeby badań nad malarią opracowaliśmy tak zwane przeciwciała jednołańcuchowe, które zakłócają wiązanie się z pasożytami i zakłócają ich zdolność do atakowania tkanek komarów. W przypadku wirusów dengi rozwijamy tak zwaną strategię RNAi, która wykorzystuje właściwości komórkowe komara do rozkładania wirusów, gdy próbują się replikować w komarze.

Więc kiedy po raz pierwszy rozważaliśmy stworzenie tych syntetycznych genów, rozłożyliśmy problem na części składowe. Pierwszą częścią składową było zademonstrowanie w laboratorium, że możemy stworzyć komara, który normalnie przenosiłby patogen, na takiego, który nie może. Aby to zrobić, jak już wcześniej wspominałem, potrzebowaliśmy sekwencji kontrolnych, które wyrażałyby cząsteczkę efektorową, której potrzebowaliśmy, aby móc wytworzyć cząsteczkę efektorową, a następnie potrzebowaliśmy pewnej technologii, technologii transgenezy, która pozwoliłaby nam wprowadzić ten sztuczny gen do komara.

Przez ostatnie dziesięć lat pracowaliśmy nad tym i ja, którzy są tym bardzo zainteresowani, nasi koledzy poczynili spore postępy w tej dziedzinie. Jednak po opracowaniu tych komarów w laboratorium, potrzebowaliśmy mechanizmu, który przeniósłby ten gen z laboratorium w teren. Potrzebowaliśmy jakiegoś procesu, który pozwoliłby na wzrost tego genu z taką częstotliwością w populacji, jaka była, która wykraczałaby poza rodzaje wzrostu, które można zaobserwować w przypadku doboru naturalnego.

Tego typu mechanizmy nazywane są systemami napędu genowego, a ich zadaniem jest selekcja owadów, które są nosicielami interesującego nas genu, i mają wiele właściwości, ale dwie główne właściwości to to, że są zaangażowane w coś, co rzeczywiście występuje w wyniku kojarzenia, ale zwiększa częstość występowania genów w tempie znacznie wyższym, niż można by się spodziewać po doborze naturalnym, aby uzyskać pewną selektywną przewagę na tym genie. Kiedy więc pomyśleliśmy o stworzeniu tych systemów napędu genowego, od razu zauważyliśmy, że mówimy o wprowadzeniu organizmów modyfikowanych genetycznie do otwartego środowiska. I nie jest zbyt zaskakujące, że istniały poważne obawy i niepokoje związane z redu, z wypuszczaniem genetycznie modyfikowanych materiałów na wolność.

Było dla nas ważne, aby określić, jakie poważne obawy będą związane z użyciem organizmów modyfikowanych genetycznie, a następnie połączyć je z nauką, którą dysponujemy, aby zmniejszyć problemy związane z ich stosowaniem. Opracowaliśmy więc coś, co nazywamy kryteriami projektowymi, które uwzględniają nie tylko biologiczną naturę organizmów, które opracowujemy w kryteriach laboratoryjnych, ale także kryteria związane z problemami socjologicznymi, kulturowymi i innymi, które ludzie mogą mieć. Stają się one więc kryteriami projektowymi.

Trzy z nich, o których opowiem pokrótce, nakładają się na siebie w tych obszarach. Pierwszym z nich jest to, że wszystko, co opracujemy w kategoriach systemu napędu genowego, musi działać w czymś, co można by nazwać ludzkimi ramami czasowymi, a nie ewolucyjnymi. Jest to więc coś, co musi rozprzestrzenić gen na tyle szybko, abyśmy mogli zobaczyć, że coś się dzieje w jego konsekwencji.

Myślimy o tym, powiedzmy, od 5 do 10 lat. To był pomysł po raz pierwszy opracowany przez Norę pki, która uznała, że biorąc pod uwagę 10 000 lat, możemy coś zrobić, ale system napędu genowego, o którym mówimy, musi działać w znacznie bardziej ludzkich ramach czasowych. Drugim i prawdopodobnie największym zmartwieniem i kryterium, które mamy, jest to, że cokolwiek opracujemy, działa na organizm docelowy tylko w tym sensie, że nie ma zdolności lub jest wyłączony, jeśli faktycznie wydostanie się poza naszego docelowego owada.

Jest to ważne, ponieważ większość ludzi obawia się, że wyprodukuje się coś w laboratorium i pomyślą, że to jest w porządku, ale że to przedostanie się do natury i w jakiś sposób rozprzestrzeni się na gatunki docelowe niebędące celem. Jednym z naszych głównych problemów projektowych jest to, że budujemy coś, co będzie funkcjonować tylko u gatunku docelowego i będzie wyłączone, jeśli w jakiś sposób zostanie skreślone z gatunku docelowego. Trzecią rzeczą, która jest dość istotna, jest oczywiście to, że to musi działać.

Praca to coś więcej niż tylko nauka i ograniczanie się do gatunków. Musi być opłacalny. Musi to być coś, co faktycznie działa w rozsądnych ramach i aby było to coś, co może być przystępne cenowo.

To jest kilka kryteriów projektowych, którym się przyjrzeliśmy. To nie są wszyscy. Wyobrażam sobie, że niektóre kryteria zmienią się wraz z postępem naszych doświadczeń, ale wyobrażam sobie, że te trzy, które się zmienią, pozostaną takie same.

Tak więc, zanim cała ta idea i praktyki będą mogły zostać wdrożone, musi się wydarzyć kilka rzeczy. Wracając do tej idei, że przede wszystkim to musi działać. Musimy być w stanie wykazać w laboratorium, że owady, które hodujemy, są naprawdę odporne na patogeny, które atakujemy.

A potem musimy być w stanie pokazać, że mechanizm napędu genowego działa tak, jak tego oczekujemy. W tym drugim przypadku planujemy przeprowadzić próby w klatkach, przeprowadzić próby w klatkach, aby nie było uwolnienia w terenie, które wprowadziłoby gen do endogennego komara lub pochodzącego od endogennych komarów w miejscu docelowym, a następnie pytamy, czy ma on zdolność do poruszania się? Będzie to więc dla nas ważne.

Myślę jednak, że bardzo ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że to nie naukowiec taki jak ja będzie zalecał, aby kiedykolwiek przeprowadzić próbę terenową. Będzie to w rzeczywistości wynikiem prac specjalistów od modelowania matematycznego, którzy korzystając z opracowanych przez siebie parametrów, które dostarczamy, mogą dać instytucji zdrowia publicznego mocne wyobrażenie o tym, czy to, co opracowaliśmy, będzie rzeczywiście działać w opłacalny sposób. Tak więc, zalecenia będą pochodzić od specjalistów ds. zdrowia publicznego, którzy mają doświadczenie w modelowaniu i to oni będą w stanie powiedzieć, że coś jest na nie, lub nie iść.

Nie spodziewamy się, że ludzie z laboratorium, tacy jak ja, będą mieli duży wkład poza dostarczaniem surowych danych modelarzom, aby mogli z nich korzystać. Kiedy po raz pierwszy zaczęliśmy wykonywać tę pracę, rozejrzeliśmy się dookoła, kiedy mówiliśmy my, ponieważ moi koledzy i ja pracujemy w tym jako zespół, ale rozejrzeliśmy się za istniejącymi wcześniej strukturami, które pozwoliłyby nam ocenić, co musielibyśmy zrobić, jeśli chodzi o zajęcie się etyczną sytuacją stosowania organizmów modyfikowanych genetycznie. I chociaż dostępnych jest całkiem sporo danych na temat zastosowań rolniczych i wykorzystania roślin i tak dalej, w opublikowanej literaturze było bardzo niewiele informacji na temat stosowania genetycznie modyfikowanych owadów.

Dlatego w ramach naszego dużego projektu musieliśmy uwzględnić komponent, który zajmował się etycznymi, społecznymi i prawnymi aspektami stosowania genetycznie modyfikowanych komarów. W związku z tym, była to niesamowita krzywa uczenia się, jeśli chodzi o uświadomienie każdemu członkowi grupy tego, co jest wymagane, aby to się stało. Pozwólcie, że podam kilka przykładów.

Większość krajów na świecie, które cierpią na te poważne choroby, nie ma struktur regulacyjnych, które mogłyby wydawać krytyczne osądy na temat stosowania organizmów modyfikowanych genetycznie. Dlatego niezwykle ważne stało się dla nas zidentyfikowanie krajów, które mają odpowiednią infrastrukturę regulacyjną, z którymi możemy, możemy się konsultować i wchodzić w interakcje. Historia takiej sytuacji jest taka, że kraje często musiały ponownie wprowadzać organizmy modyfikowane genetycznie, głównie w produktach rolnych, takich jak genetycznie modyfikowana kukurydza, papaja czy ryż.

A kraj, w którym brakuje struktury regulacyjnej, aby sobie z tym poradzić, szybko uchwaliłby prawo, które w ogóle uniemożliwiłoby wprowadzanie jakichkolwiek organizmów modyfikowanych genetycznie. Jeśli myślisz o tym w sensie politycznym, to jest to mądre posunięcie. To znaczy, jeśli nie jesteś gotowy, aby sobie z tym poradzić, wyłącz to i daj sobie szansę na rozwinięcie profesjonalisty, niezbędnej struktury, aby to przeanalizować i zdecydować, czy jest tu problem, czy nie.

A kiedy to się stanie, kraje wprowadzają odpowiednią strukturę regulacyjną, a następnie odwracają prawo i zaczynają pozwalać, aby cokolwiek to jest genetycznie zmodyfikowany organizm, przynajmniej zostało poddane przeglądowi i być może ostatecznie wykorzystane. Tak więc, myśląc o naszej pracy, nie mogliśmy wybrać kraju, w którym będziemy dla nich wydarzeniem przyspieszającym rozwój infrastruktury regulacyjnej. Musieliśmy znaleźć kraje, które już przeszły przez ten proces i mają już solidny system regulacyjny.

Powodem, dla którego chcieliśmy to zrobić, jest to, że nie mielibyśmy na to czasu, aby po raz kolejny stać się wydarzeniem przyspieszającym. To powiedziawszy, chcieliśmy być również w kraju, w którym istnieje bardzo dobrze zintegrowany pionowo system opieki zdrowotnej, co oznacza, że będziemy rozwiązywać problemy zarówno na szczeblu lokalnym, jak i dalej, aż do większego szczebla miejskiego, powiatowego, stanowego lub federalnego odpowiednika w strukturze regulacyjnej. Chcieliśmy mieć pewność, że podjęte decyzje, które, na przykład, aby mogły być kontynuowane, zostały zatwierdzone na każdym poziomie.

To nie było coś, co rząd centralny lub federalny zamierzał postawić w stosunku do samorządu lokalnego. Chcieliśmy, żeby to było coś, na co wszyscy się zgodzą. Musieliśmy więc znaleźć się w sytuacji, w której istniał naprawdę dobrze zintegrowany pionowy system opieki zdrowotnej.

A potem zajmujemy się kwestiami, na przykład, co to znaczy mieć zgodę społeczności. Jak definiujesz społeczność? Społeczność w tym momencie definiujemy jako wszystkie osoby, na które, które są lub potencjalnie mogą mieć bezpośredni wpływ praca, którą wykonujemy.

Ale ten zwrot, zwrot okazuje się nie być trywialny, do zdefiniowania i w okolicznościach, w których dąży się do zgody społeczności, co to znaczy faktycznie mieć zgodę społeczności? Czy jeden głos przeciwny wystarczy, aby go zamknąć? Co, wiesz, to są rzeczy, które trzeba wypracować.

To są niektóre z kwestii etycznych, z którymi się mierzymy. Jednym z naszych głównych wysiłków w tej pracy jest upewnienie się, że od samego początku mamy pełne uczestnictwo ludzi na terenie terenu, w naszych obradach, w naszych wysiłkach i w tym, aby tak się stało. Na przykład mamy stronę internetową, która jest naprawdę dostępna dla wszystkich i mamy pełne uczestnictwo naszych potencjalnych laboratoriów pracy, współpracujących laboratoriów z ludźmi na miejscu w terenie, dzięki czemu są częścią procesu planowania i procesu wdrażania.