Prever a eficácia da estratégia de substituição População Usando Modelagem Matemática

Você não pode fazer experimentos na escala ecológica porque isso não é um experimento. É o lançamento real. E se algo der errado?

Lembre-se de que esses mosquitos transmitem uma série de doenças muito graves. E se eles se tornarem superbactérias e começarem a transmitir de forma ainda mais eficaz? Talvez eles comecem a transmitir outras doenças que não conseguiram transmitir no passado.

Nós realmente temos que formular nossas políticas com base em modelos de computador, assim como ter modelos de computador para todas as contingências ao pousar alguém na lua. Da mesma forma, temos que ter simulações de todas as contingências para o que acontece depois que liberamos mosquitos modificados por macacos genéticos. Meu nome é Charles Taylor.

Sou universitário da Califórnia em Los Angeles no Departamento de Ecologia e Biologia Evolutiva com meus alunos e pós-doutorandos. Tenho trabalhado em aspectos matemáticos da tentativa de usar mosquitos geneticamente modificados para controlar a malária. Adotamos várias abordagens diferentes para fazer isso para diferentes partes do problema.

E hoje vou mostrar um pouco do nosso trabalho que fizemos nos últimos anos e vou apresentá-lo a um dos meus alunos, John Marshall. A modelagem que estamos fazendo é de vários tipos diferentes. Em primeiro lugar, existem apenas características básicas da biologia que precisam ser compreendidas e que requerem modelagem.

Por exemplo, qual é o tamanho da população, a sobrevivência e o movimento, e você verá alguns exemplos disso. Então, a próxima coisa é entender se vamos liberar um elemento transponível, sabemos que existem pelo menos 2050 variáveis que provavelmente serão importantes. A importância às vezes é difícil de julgar apenas por argumentos verbais, e gostaríamos de ter bons modelos matemáticos para serem realmente precisos e fazer declarações como, se isso vai funcionar, então a aptidão do trans do mosquito transposto tem que ser assim e assim, ou o movimento do mosquito tem que ser assim.

E então, e você verá que estamos fazendo algum trabalho analítico a esse respeito. O próximo tipo de problema é não apenas derivar expectativas, mas sim avaliar o que acontece após o lançamento inicial. Se fizermos um teste e obtivermos alguns resultados, o que isso significa?

Isso significa que fomos bem-sucedidos ou fracassamos? E então simulações mais complicadas são necessárias para isso. Entre parênteses, foi isso que fomos trazidos pela primeira vez para o modelo, este grupo quatro.

E então temos os problemas mais sérios, especialmente problemas sérios de, de considerações éticas. O que pode dar errado? Quão sérias são as coisas que podem dar errado?

Se tivermos uma boa regra de parada, teremos que ser muito claros sobre isso e saber o que faremos para limpar a bagunça se algo der errado. Digamos que fazemos um super mosquito. O primeiro tipo de estudo que fizemos foi apenas identificar os parâmetros centrais e seus valores no, para as populações.

Quais são os tamanhos da população? Quanto fluxo gênico existe? Qual é a sobrevivência diária dos mosquitos nesta área?

Usamos um método tradicional muito bem estabelecido chamado Mark Release recapture. Para fazer isso, a maneira como a recaptura de liberação de marca funciona é primeiro capturar um grande número de mosquitos, digamos mil. Nós saímos para as aldeias, aspiramos das paredes, colocamos em um frasco e, em seguida, colocamos um pouco de poeira que fluoresce sob UV, assim como é usado na fabricação de tintas para lojas ou para parafernália psicodélica.

E então, depois de marcá-los, nós os liberamos novamente e depois capturamos das paredes nas noites subsequentes e com base em quantos são recapturados e onde podemos fazer inferências usando modelos matemáticos sobre o tamanho da população, até onde eles se movem e quão bem eles sobrevivem. E neste primeiro vídeo, você verá os principais resultados de nossos primeiros experimentos resumidos. Bem, existem várias maneiras pelas quais a modelagem pode ajudar o programa para mosquitos geneticamente modificados.

Uma delas é simplesmente ajudar a entender a biologia básica dos mosquitos. E este é um dos nossos primeiros trabalhos na área, tentando estimar o que, quanta dispersão está acontecendo, qual é o tamanho da população, qual é a sobrevivência dos mosquitos? E olhando para isso, que é um resumo dos resultados de nossa pesquisa, existem algumas partes básicas da biologia que podem ser de interesse para os espectadores.

Em primeiro lugar, vemos uma aldeia, a aldeia do corpo inferior, onde fizemos grande parte do nosso trabalho no Mali. Consiste em aproximadamente 70 compostos diferentes que podem ter várias casas para dormir, e estes são mostrados aqui. Eles são basicamente feitos de lama e os mosquitos podem entrar e sair à vontade.

A biologia diária é refletida pelas cores aqui. Esta é a noite. Suponha que o crepúsculo, o amarelo seja o dia e o padrão dos mosquitos seja diferente para cada um.

Por exemplo, durante o dia, eles permanecerão onde estão quando se tornar crepúsculo, então começarão a se mover e sairão em busca de lugares para se alimentar ou botar seus ovos. E então, quando anoitecer, eles entrarão, no meio da noite, eles voltarão e você verá que as áreas ao redor de cada casa são mostradas em uma cor diferente que mostra o gradiente de CO2 e odor corporal que os mosquitos usam para se concentrar. Um dos resultados mais importantes que tivemos durante o primeiro ano e para o qual isso foi usado foi entender que dentro de um pop dentro de uma aldeia, não importa onde o liberamos um dia, dois ou três, os mosquitos são distribuídos de forma homogênea ao longo de vários quilômetros.

Então, do ponto de vista da modelagem subsequente, poderíamos dizer que uma aldeia é uma aldeia, uma aldeia é uma aldeia. Não há distinção dentro da aldeia. E a questão então é quanto movimento ocorre entre as aldeias e entre as diferentes subespécies do mosquito.

E a próxima ilustração mostrará nossa compreensão atual sobre as diferentes formas cromossômicas e sobre o movimento entre as aldeias. Ok, vídeo que acabamos de ver, vemos que há muito movimento dentro de uma aldeia dentro de um ou dois dias. É basicamente homogêneo, mas há muito mais complicações na vida real do que mostrado aqui.

Em primeiro lugar, não há apenas uma espécie de mosquito que transmite a malária. Na verdade, existem vários nesta aldeia e Bonham e Mali, há apenas uma única espécie, anno Gâmbia. Mas essa única espécie tem várias subespécies diferentes, por assim dizer, chamadas formas cromossômicas que estão presentes no mesmo local.

E se inserirmos o gene na população, um elemento transponível em uma forma, ele terá que passar por todos eles. E o que pode ser maneiras muito complicadas, a única maneira de realmente entender isso é usar simulações de computador para entendê-lo melhor. O tamanho da população varia ao longo do ano.

E o movimento de aldeia em aldeia, no qual não pensamos antes, tem que ser incorporado. Então, aqui, deixe-me mostrar um quadro de um dos filmes que meus alunos fizeram que ilustra o problema. Aqui está uma forma cromossômica.

Aqui está outro, aqui está outro. Estes são chamados de formas Mopti Savannah iCal. O tamanho do disco amarelo refere-se ao tamanho da população.

A intensidade da linha preta mostra quanto fluxo gênico está ocorrendo de um lugar para outro neste local. Há o rio Niger Nigel fluindo e o disco em escala é provavelmente de 10, 15, 30 quilômetros daqui até aqui. Então, vamos primeiro ver o que acontece ao longo do ano.

Esta é uma área muito seca. Fica logo abaixo do Saara, Timbuktu não fica muito longe, de modo que fica bem perto da borda do deserto. Durante a estação seca, que é a maior parte do ano, há muito poucos mosquitos porque não há lugar para se reproduzir.

Mas uma vez que a estação chuvosa começa em junho, julho, agosto e se estende até setembro, outubro, podemos atingir um grande número de mosquitos. Uma área em que trabalho, eles recebem mais de 500 bytes por pessoa por noite. Mas nesta área não é tão alto.

No entanto, a variação sazonal é enorme e ajuda ver um filme para entender realmente o que está acontecendo com o tamanho da população em conjunto com as diferentes formas cromossômicas e com o fluxo gênico, tudo isso será importante para o que eventualmente é feito. Se vamos fazer um lançamento. Aqui está um ciclo anual.

Começamos, os tamanhos da população são bastante pequenos, podemos ver aqui também. E então, em setembro, outubro, você vê que temos tamanhos populacionais bastante grandes em cada uma das diferentes aldeias e temos muito fluxo gênico entre as diferentes aldeias. À medida que o ano continua de volta ao período seco, o tamanho da população diminui novamente e o fluxo gênico também diminui gradualmente.

Então você pode ver que há muita coisa acontecendo aqui. E quando introduzimos a genética, a situação é ainda pior. Consequentemente, temos que ver algumas dessas coisas uma a uma, não todas juntas, a fim de obter uma compreensão real, fazer previsões e, principalmente, definir condições que simplesmente devem ser atendidas se quisermos ter sucesso nisso, é realmente útil ter tudo junto, tipo de modelo diferente do que estamos vendo. Agora.

Para isso, é útil ter modelos analíticos como um dos meus alunos em que John Marshall tem trabalhado nos últimos dois anos. Ok, eu sou John Marshall. Sou um estudante de pós-graduação no laboratório de mesa e tenho trabalhado em alguns dos esforços de modelagem de modelos mais focados geneticamente, com foco nos parâmetros de um elemento transponível à medida que se espalha por uma população, um elemento transponível se espalha porque eles se replicam e, à medida que se replicam, são herdados com mais frequência.

Portanto, eles têm a capacidade de serem conduzidos com um impulso e afetar o gene em uma população. Portanto, estamos interessados, por exemplo, na taxa de transposição, na maneira como ela aumenta o custo de adaptação, que geralmente é uma consequência da transposição trans. E também à medida que o elemento transponível aumenta seu número de cópias, ele será transposto com menos frequência.

Portanto, existem essas dinâmicas contrárias e modelos matemáticos podem ser usados para capturar isso. Então, aqui vamos olhar para os modelos mais complicados, desta vez seguindo-o por dois anos, não apenas um. E teremos o recurso adicional de que a frequência do elemento transponível é ilustrada pela cor da população.

Portanto, lembre-se, o tamanho da população é o tamanho do disco e que a cor do disco é a frequência do elemento transponível. Começamos aqui com frequências muito baixas em todas as populações. E à medida que o ano avança lentamente, vemos que, à medida que entramos na estação chuvosa, vemos que o tamanho da população está ficando maior e, inicialmente, apenas o lado da proibição de soltura é vermelho.

E aqui está para todos os efeitos práticos, cem por cento. Os outros ainda receberam fluxo gênico insuficiente, de modo que ainda não estão todos transformados, mas apesar das baixas taxas de fluxo gênico, vemos que no segundo ano quase tudo terá o elemento transponível. Então, no final desta simulação com esses valores, a frequência do elemento transponível está entre 99 e cem por cento em todas as áreas que, em todas as aldeias que estão sendo exploradas.

Você deve se lembrar que os estudos de John Marshall com os modelos analíticos mostram que a taxa de transposição é uma característica crítica na forma como o elemento transponível se move pela população. Da mesma forma, qual forma cromossômica você libera e também faz uma grande diferença. E esse cenário alternativo, apenas um dos muitos que estudamos, vemos que quando o liberamos na forma Abaco, não na forma mopti, e que usamos uma taxa de transposição menor do que a que mostrei originalmente.

Este é talvez mais razoável, mais facilmente alcançado, que o resultado é muito diferente depois de dois anos. Aqui está um ciclo de dois anos, e vou pausá-lo no meio do caminho para que você possa ver a diferença notável. Novamente, a população aumenta, mas como desta vez a liberamos na forma de baco, não na forma de MTI.

E quando, no segundo ano, quando o tamanho da população aumentou no meio da estação chuvosa, veja aqui, não é vermelho em todos os lugares como era antes. E, além disso, toda a transposição parece estar localizada aqui. Isso porque há muito menos fluxo gênico entre a forma iCal e a forma MTI do que entre a savana e a mti.

Então, aqui, à medida que avançamos para o resto do ano, em vez de ser cem por cento, temos que a área de uma forma iCal agora é de apenas 20%A savana é de apenas 8%E o mopti, para fins práticos, não recebeu nenhum dos elementos transponíveis do ponto de vista de projetar o experimento ou avaliá-lo. Veja bem, é fundamental que tenhamos essas simulações e que não apenas para orientar nossas expectativas, mas também para avaliá-las. Finalmente, há um aspecto disso que não recebeu nem de perto a atenção que merece.

E essa é a consideração ética. A maior parte do trabalho até agora tem sido na engenharia genética, tentando fazer algo que funcione. Mas, na verdade, mesmo que tenhamos, isso funciona.

O que acontecerá se for lançado? E se algo der errado? Lembre-se de que esses mosquitos transmitem uma série de doenças muito graves.

E se eles se tornarem superbactérias e começarem a transmitir de forma ainda mais eficaz? Ou se tiverem, eles se tornam, eles têm antibióticos e espalham isso para outras espécies. Ou, alternativamente, talvez eles comecem a transmitir outras doenças que não conseguiram transmitir no passado.

Essas são apenas três de um grande número de coisas horríveis que podem acontecer. E como não temos nenhuma base experimental para estudar, realmente temos que formular nossas políticas com base em modelos de computador. Existem várias maneiras de fazer isso.

John está olhando para apenas um aspecto das coisas que dão errado, mas obviamente há muitos mais. E uma coisa que teremos que fazer e ainda não fizemos é fazer modelos que digam que os problemas são ruins o suficiente, temos que parar e aqui está como remediamos o que deu errado no passado. Espero que nunca tenhamos que agir com base nessas informações, mas assim como ter modelos de computador para todas as contingências e pousar alguém na lua, também temos que ter simulações de todas as contingências para o que acontece depois que liberamos mosquitos geneticamente modificados.

Portanto, esses esforços de modelagem e os outros esforços de modelagem sobre os quais foram falados neste segmento são importantes para avaliar se o projeto pode funcionar ou não. Você não pode fazer experimentos em escala ecológica porque isso não é um experimento, é a liberação real. Portanto, é importante ter algumas medições de parâmetros e, em seguida, algum conceito de como as coisas estão funcionando no modelo e, em seguida, dar uma ideia se não vai, se vai funcionar ou não.

Além disso, é importante para os esforços de modelagem fazer recomendações aos biólogos moleculares sobre quais parâmetros devem ser medidos, quais parâmetros são importantes para medir e, quando eles os estão medindo, que tipo de valores são importantes para o sucesso do projeto.