Zapobieganie rozprzestrzenianiu się malarii i dengi z wykorzystaniem genetycznie zmodyfikowanych komarów

Nazywam się Anthony James. Jestem pracownikiem łączonym wydziałów mikrobiologii i biologii molekularnej oraz biologii molekularnej i biochemii tutaj, na University of California Irvine. Moje laboratorium dąży do znalezienia odpowiedzi na proste pytanie, czy genetyka ma jakikolwiek wpływ na kontrolę chorób przenoszonych przez wektory.

W naszym konkretnym przypadku interesują nas choroby przenoszone przez komary: malaria oraz dengue. Malaria jest najgroźniejszą chorobą przenoszoną przez wektory pod względem śmiertelności ludzi; średnio w skali roku zabija ona jedną osobę co około 20 do 30 sekund. Wirus dengue nie jest aż tak znaczący pod względem śmiertelności, lecz stanowi poważny problem zdrowia publicznego, potencjalnie dotykając niemal połowy populacji świata, z liczbą od 50 000 do 100 000 przypadków rocznie.

W obszarach tropikalnych obecne podejścia do zwalczania chorób przenoszonych przez wektory, w szczególności malarii oraz wirusów dengi, koncentrują się na kontroli wektora poprzez stosowanie insektycydów lub redukcję siedlisk larwalnych i rozrodczych. W przypadku malarii stosuje się leki terapeutyczne i profilaktyczne oraz środki kontrolne ograniczające kontakt ludzi z komarami. Obejmuje to stosowanie moskitier oraz innych środków ochrony osobistej, które zapobiegają dostępowi komarów do ludzi.

Zadajemy zatem pytanie, o którym wspomniałem, czy genetyka ma do zaoferowania jakieś rozwiązania. Rozważamy zastosowanie genetyki w dwóch obszarach. Pierwszym z nich jest opracowanie technik genetycznych służących do redukcji populacji komarów. Metoda ta została określona mianem redukcji populacji.

Drugim obszarem jest zastąpienie populacji. Idea polega tutaj na wykorzystaniu genów, które nadają odporność na konkretne patogeny, i wprowadzeniu ich do populacji w wysokich częstotliwościach. Nazywamy to zastąpieniem populacji.

Pojawiły się dwie ciekawe obserwacje, które pozwoliły nam przypuszczać, że genetyka odgrywa rolę w kontrolowaniu chorób przenoszonych przez wektory. Pierwszą z nich jest fakt, że analizując wszystkie owady lub stawonogi, w tym kleszcze żerujące na krwi, można zauważyć, iż nie każdy stawonóg krwiopijny przenosi każdą chorobę. Sugeruje to istnienie pewnych ograniczeń gospodarza dla tych patogenów, co okazuje się prawdą.

Kiedy rozważa się ograniczenia gospodarza, zaczyna się analizować genetykę. Drugą obserwacją było to, że badając populację owadów, u których transmisja odbywa się za pomocą bardzo prostych technik, można wyodrębnić w obrębie tej grupy populację wysoce podatną oraz populację wysoce refrakterną. Po wykonaniu tej selekcji można przeprowadzić proste krzyżówki genetyczne, aby odpowiedzieć na pytania dotyczące liczby zaangażowanych genów oraz tego, czy występują proste relacje dominacji i recesywności.

Na podstawie tych obserwacji otrzymaliśmy bardzo wyraźną wskazówkę, że genetyka ma kluczowe znaczenie dla zdolności konkretnego gatunku komara do wspierania rozwoju określonego patogenu. Pojawił się pomysł: czy nie byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli w jakiś sposób sprawić, aby geny zapewniające odporność rozprzestrzeniły się we wszystkich populacjach? Zaletą takiego rozwiązania byłoby ukierunkowanie działań konkretnie na rozpatrywany patogen oraz uniknięcie stosowania środków takich jak insektycydy, które mają duży wpływ na organizmy nietarczowe, lub zarządzania środowiskiem w celu redukcji miejsc lęgowych, co może wywrzeć głęboki wpływ na środowisko naturalne.

W przeciwieństwie do stosowania insektycydów i leków profilaktycznych, nie spodziewamy się, aby komary lub pasożyty w nich rozwijające się kiedykolwiek wykształciły jakiejkolwiek odporności na te metody. Idea polega zatem na opracowaniu strategii, dzięki której otrzymamy całkowicie odpornego na choroby komara, bez konieczności obawiania się o efekty pozatargetowe. Kiedy analizowaliśmy naturalnie występującą odporność, atrakcyjnym podejściem było sprawdzenie, czy poprzez pozyskanie niektórych z tych naturalnych genów i zwiększenie ich częstotliwości w populacjach, będziemy w stanie uzyskać populację odporną na choroby.

Okazało się jednak, przynajmniej w początkowym okresie, że fizyczne pozyskanie tych genów było bardzo trudne. Dlatego nasza grupa oraz wiele innych przyjęły całkowicie syntetyczne podejście, którego ideą było zbudowanie w zasadzie genu mogącego nadać oporność. W tych okolicznościach podzieliliśmy gen na dwa proste komponenty: część kontrolną, która określała, kiedy, gdzie i w jakiej ilości ma zostać wytworzona dana substancja.

Następnie mamy część efektora infekcyjnego, która jest właściwym produktem wytworzonym przez ten gen, mogącym nadać odporność. Zatem w naszej analizie tego, jak zbudujemy te geny, zdecydowaliśmy, że byłoby istotne i zasadne, gdyby części kontrolne faktycznie umieściły cząsteczkę efektora w tej części komara, w której znajdowały się pasożyty. Szukaliśmy więc genów regulowanych rozwojowo, które pozwoliłyby nam umieścić dany element w odpowiednim miejscu.

I tym czymś, raz jeszcze, jest cząsteczka efektorowa, czyli właściwa część cząsteczki wytwarzana przez gen, która bezpośrednio zakłóca funkcjonowanie pasożytów malarii lub wirusów. W przypadku prac nad malarią opracowaliśmy tak zwane przeciwciała jednoketnowe, które zakłócają wiązanie z pasożytami i upośledzają ich zdolność do naciekania tkanek komara. Natomiast w przypadku wirusów dengue opracowaliśmy strategię RNAi, która wykorzystuje właściwości komórkowe komara do rozkładu wirusów w momencie, gdy te próbują replikować się w organizmie komara.

Kiedy po raz pierwszy rozważaliśmy stworzenie tych syntetycznych genów, rozbiliśmy ten problem na poszczególne etapy. Pierwszym elementem było wykazanie w warunkach laboratoryjnych, że jesteśmy w stanie przekształcić komara, który normalnie przenosi patogen, w osobnika, który nie jest do tego zdolny. Aby to osiągnąć, tak jak wspomniałem wcześniej, potrzebowaliśmy sekwencji kontrolnych, które wyrakowałyby cząsteczkę efektorową; musieliśmy być w stanie wytworzyć tę cząsteczkę efektorową, a następnie potrzebowaliśmy odpowiedniej technologii transgenezy, która pozwoliłaby nam wprowadzić ten sztuczny gen do organizmu komara.

W związku z tym przez ostatnią dekadę zajmowaliśmy się tymi zagadnieniami, co budziło duże zainteresowanie moje oraz moich współpracowników i pozwoliło na osiągnięcie wielu postępów w tej dziedzinie. Jednak po opracowaniu tych komarów w laboratorium potrzebowaliśmy mechanizmu, który pozwoliłby przenieść ten gen z warunków laboratoryjnych do środowiska naturalnego. Potrzebowaliśmy procesu, który umożliwiłby zwiększenie częstotliwości występowania tego genu w populacji w stopniu przekraczającym wzrosty obserwowane przy selekcji naturalnej.

Takie mechanizmy nazywa się systemami napędu genowego (gene drive), a ich działanie polega na selekcji owadów przenoszących wybrany gen. Posiadają one szereg właściwości, z których dwie główne są następujące: proces ten zachodzi w wyniku kojenia oraz zwiększa częstotliwość występowania genu w tempie znacznie wyższym, niż można by oczekiwać w przypadku doboru naturalnego wynikającego z jakiejkolwiek przewagi selekcyjnej tego genu. Kiedy planowaliśmy opracowanie tych systemów napędu genowego, natychmiast zdaliśmy sobie sprawę, że mamy do czynienia z wprowadzaniem organizmów modyfikowanych genetycznie do środowiska otwartego. Nie jest zaskakujące, że z uwalnianiem materiałów modyfikowanych genetycznie do natury wiązały się znaczące obawy i niepokoje.

Ważne było dla nas zidentyfikowanie istotnych obaw związanych z wykorzystaniem organizmów modyfikowanych genetycznie, a następnie powiązanie ich z posiadaną przez nas wiedzą naukową w celu zredukowania problemów towarzyszących ich stosowaniu. Opracowaliśmy zatem tzw. kryteria projektowe, które biorą pod uwagę nie tylko naturę biologiczną organizmów opracowywanych w laboratorium, ale także kryteria związane z obawami socjologicznymi, kulturowymi i innymi kwestiami, jakie mogą pojawić się u ludzi. Stały się one naszymi kryteriami projektowymi.

Z trzech z nich, o których wspomnę tutaj krótko, te obszary się pokrywają. Po pierwsze, każdy opracowany przez nas system napędu genowego musi działać w tak zwanym ludzkim przedziale czasowym, a nie w przedziale ewolucyjnym. Oznacza to, że gen musi rozprzestrzeniać się wystarczająco szybko, abyśmy mogli faktycznie zaobserwować wynikające z tego skutki.

Przewidujemy ten proces w przedziale czasowym od około pięciu do 10 lat. Pomysł ten został opracowany pierwotnie przez Norę pki, która zauważyła, że choć w perspektywie 10 000 lat moglibyśmy coś osiągnąć, system napędu genowego, o którym mówimy, musiałby zadziałać w znacznie bardziej ludzkim horyzoncie czasowym. Drugim i prawdopodobnie najważniejszym kryterium oraz kwestią, która nas nurtuje, jest to, aby opracowane przez nas rozwiązanie działało wyłącznie na organizmie docelowym, co oznacza, że nie posiada ono zdolności działania lub zostaje dezaktywowane, jeśli przedostanie się poza nasz docelowy gatunek owada.

Jest to istotne, ponieważ obawy większości ludzi dotyczą sytuacji, w której tworzy się coś w laboratorium i wydaje się to dopuszczalne, lecz następnie produkt ten przedostaje się do natury i w jakiś sposób rozprzestrzenia na gatunki nietarczowe. Dlatego jednym z naszych głównych założeń projektowych jest zbudowanie czegoś, co funkcjonowałoby wyłącznie u gatunku docelowego i zostałoby dezaktywowane, gdyby w jakiś sposób przeniosło się poza ten gatunek. Trzecią, oczywiście równie istotną kwestią jest to, że rozwiązanie to musi po prostu działać.

Skuteczność oznacza coś więcej niż tylko aspekt naukowy czy ograniczenie do konkretnych gatunków. Metoda musi być opłacalna. Musi to być rozwiązanie, które w rzeczywistości działa w rozsądnych ramach czasowych i finansowych, tak aby jego realizacja była dostępna kosztowo.

Oto szereg kryteriów projektowych, które przeanalizowaliśmy. Nie wyczerpują one wszystkich możliwości. Przewiduję, że niektóre z tych kryteriów ulegną zmianie wraz z nabywaniem przez nas doświadczenia, ale sądzę, że te trzy pozostaną niezmienne.

Zanim zatem cały ten pomysł i praktyki zostaną wdrożone, musi wydarzyć się szereg rzeczy. Wracając do tej kwestii – po pierwsze, rozwiązanie to musi działać. Musimy być w stanie wykazać w laboratorium, że owady, które hodujemy, są rzeczywiście odporne na patogeny, które są naszym celem.

Następnie musimy być w stanie wykazać, że mechanizm gene drive działa w sposób, czego oczekujemy. W tym drugim przypadku planujemy przeprowadzić próby klatkowe, kontrolowane próby klatkowe, aby zapobiec uwolnieniu do środowiska, co mogłoby wprowadzić gen do endogennego komara lub pochodnego od endogennych komarów w miejscu docelowym, a następnie sprawdzić, czy posiada on zdolność do rozprzestrzeniania się. Będzie to dla nas istotne do zrealizowania.

Uważam jednak za kluczowe uświadomienie sobie, że to nie naukowiec taki jak ja będzie rekomendował wdrożenie prób polowych. Będzie to w rzeczywistości wynik pracy matematyków zajmujących się modelowaniem, którzy – wykorzystując opracowane przez siebie parametry oraz dostarczone przez nas dane – będą mogli przekazać instytucji zdrowia publicznego wiarygodną opinię na temat tego, czy opracowane przez nas rozwiązanie będzie w rzeczywistości działać w sposób kosztowo efektywny. Zatem rekomendacje będą pochodzić od specjalistów z obszaru zdrowia publicznego, którzy posiadają doświadczenie w modelowaniu i to oni będą w stanie podjąć decyzję, czy dany projekt jest wykonalny, czy też nie.

Nie przewidujemy, aby personel laboratoryjny, taki jak ja, miał większy wpływ poza dostarczeniem surowych danych modelarzom, aby mogli z nich skorzystać. Kiedy zaczynaliśmy tę pracę — mówiąc „my”, mam na myśli moich współpracowników i mnie, ponieważ pracujemy w tym zespole — szukaliśmy istniejących struktur, które pozwoliłyby nam ocenić, co powinniśmy zrobić w kwestii etyki wykorzystywania organizmów modyfikowanych genetycznie. I choć dostępnych jest całkiem sporo danych dotyczących zastosowań w rolnictwie oraz wykorzystania roślin i tak dalej, w literaturze publikowanej było bardzo mało informacji na temat wykorzystania modyfikowanych genetycznie owadów.

W związku z tym, jako element naszego głównego projektu, musieliśmy uwzględnić komponent dotyczący aspektów etycznych, społecznych i prawnych wykorzystania genetycznie zmodyfikowanych komarów. W konsekwencji była to niesamowita lekcja w zakresie zapoznania każdego członka grupy z tym, co jest rzeczywiście wymagane, aby wprowadzić to w życie. Pozwólcie, że podam kilka przykładów.

Większość krajów na świecie, w których występują te główne choroby, nie posiada struktur regulacyjnych zdolnych do wydawania krytycznych opinii na temat wykorzystania organizmów zmodyfikowanych genetycznie. Dlatego niezwykle ważne stało się dla nas zidentyfikowanie krajów dysponujących odpowiednią infrastrukturą regulacyjną, z którymi moglibyśmy się konsultować i współpracować. Historia takich sytuacji pokazuje, że kraje te często stawały przed faktem wprowadzenia organizmu zmodyfikowanego genetycznie, zazwyczaj w formie produktu pochodzenia rolniczego, takiego jak zmodyfikowana genetycznie kukurydza, papaje lub ryż.

Kraj, któremu brakuje struktur regulacyjnych do radzenia sobie z tym problemem, szybko uchwaliłby prawo zapobiegające wprowadzaniu jakichkolwiek organizmów modyfikowanych genetycznie. Jeśli rozważyć to w sensie politycznym, jest to rozsądne rozwiązanie. Jeżeli nie jest się przygotowanym na radzenie sobie z tym zjawiskiem, należy je zablokować, aby dać sobie szansę na opracowanie niezbędnej struktury do analizy i rozstrzygnięcia, czy istnieje tutaj problem.

Kiedy to następuje, państwa wdrażają odpowiednią strukturę regulacyjną, a następnie zmieniają przepisy i zaczynają dopuszczać dane organizmy modyfikowane genetycznie do przeglądu, a potencjalnie w przyszłości także do stosowania. Planując naszą pracę, nie mogliśmy wybrać kraju, w którym bylibyśmy czynnikiem inicjującym opracowanie infrastruktury regulacyjnej. Musieliśmy znaleźć kraje, które przeszły już ten proces i posiadały już wdrożony solidny system regulacyjny.

Powodem, dla którego chcieliśmy to zrobić, był brak czasu, aby ponownie wywołać zdarzenie inicjujące. Ponadto chcieliśmy działać w kraju z bardzo dobrze zintegrowanym pionowo systemem zdrowia publicznego, co oznaczałoby, że będziemy adresować problemy zarówno na poziomie lokalnym, jak i na wyższych szczeblach — w gminach, powiatach, stanach lub ich federalnych odpowiednikach w strukturze regulacyjnej. Chcieliśmy mieć pewność, że decyzje o kontynuacji działań zostały zatwierdzone na każdym z tych poziomów.

Nie było to coś, co rząd centralny lub federalny miałby narzucić władzom lokalnym. Chcieliśmy, aby było to rozwiązanie, na które wszyscy by się zgodzili. Musieliśmy zatem znaleźć się w okolicznościach, w których istniał naprawdę dobrze zintegrowany, wertykalny system zdrowia publicznego.

Następnie zajmujemy się kwestiami takimi jak, na przykład, znaczenie zgody społeczności. Jak zdefiniować społeczność? Na tym etapie definiujemy społeczność jako wszystkie osoby, które są lub potencjalnie mogłyby zostać w bezpośredni sposób dotknięte prowadzonym przez nasi pracami.

Okazuje się jednak, że ten zwrot nie jest trywialny; należy zdefiniować, co w okolicznościach, w których dąży się do uzyskania zgody społeczności, oznacza w rzeczywistości posiadanie takiej zgody. Czy jeden głos sprzeciwu wystarczy, aby ją zablokować? To są kwestie, które muszą zostać doprecyzowane.

Są to niektóre z kwestii etycznych, z którymi się mierzymy. Jednym z naszych głównych dążeń w tej pracy jest jednak zapewnienie, aby od samego początku w naszych rozważaniach i działaniach w pełni uczestniczyły osoby z terenu badań. Aby to osiągnąć, stworzyliśmy na przykład stronę internetową, która jest dostępna dla każdego, a także zapewniliśmy pełną współpracę między naszymi potencjalnymi laboratoriami badawczymi a osobami z terenu badań, tak aby brały one udział zarówno w procesie planowania, jak i w procesie wdrażania.