Wynalazek Zagłady

Malaria zabija każdego roku pół miliona ludzi, głównie dzieci w tropikalnej Afryce. Szacuje się, że cena za zwalczenie choroby wynosi ponad 100 miliardów dolarów w ciągu 15 lat. Aby to zrobić, potrzebne byłyby moskitiery dla wszystkich, dziesiątki tysięcy skrzynek leków przeciwmalarycznych i miliony galonów środków owadobójczych. Ale to wymagałoby czegoś więcej niż rzeczy. Potrzebujesz rzeczy, których nie mają najbiedniejsze kraje świata, takich jak silne rządy, siła nabywcza i funkcjonujące systemy zdrowia publicznego. Więc malaria wciąż zabija.

Ale co, jeśli zamiast tego potrzebujesz tylko wiadra pełnego komarów?

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Widziałem taki wynalazek w Imperial College London. Studentka poprowadziła mnie przez stalowe drzwi, pod silnym podmuchem powietrza, do wilgotnego pomieszczenia ogrzanego do 83°F. Za szybą komary przywarły do ​​boków małych klatek pokrytych białą siatką. Znak ostrzegawczy głosił, TA DOMKI DOMKI GENE DRIVE GM MOSQUITOS. Następnie ostrzega, że ​​DNA owadów zawiera element genetyczny, który ma zdolność rozprzestrzeniania się w nieproporcjonalnie wysokim tempie.

Napęd genowy to sztuczny, samolubny gen, który jest w stanie narzucić 99% potomstwa organizmu zamiast zwykłej połowy. A ponieważ ten konkretny gen powoduje, że samice komarów stają się bezpłodne, w ciągu około 11 pokoleń – lub około roku – jego rozprzestrzenienie się zniszczy każdą populację komarów. W przypadku uwolnienia w teren technologia może doprowadzić do wyginięcia komarów wywołujących malarię i prawdopodobnie do zaprzestania przenoszenia choroby.

Anopheles gambiae komary. Gatunek rozprzestrzenia malarię w Afryce.

Komary, które widziałem, zostały stworzone w ramach Target Malaria, projektu prowadzonego przez Imperial College, który po cichu rozszerzył się na 16 instytucji i obejmuje zespoły we Włoszech i trzech krajach afrykańskich, Mali, Burkina Faso i Ugandzie, gdzie obecnie znajdują się bezpieczne obiekty dla komarów jest wyposażony. Jego praca jest finansowana przez fundację zdrowia miliardera Microsoft Billa Gatesa w Seattle. Urzędnik powiedział, że fundacja uważa teraz napędy genowe za niezbędne do położenia kresu malarii i projektuje, że technologia będzie gotowa na lata przed skuteczną szczepionką. Zgodnie z biznesplanem opracowanym dla Fundacji Gates, samoniszczące komary mogą zostać uwolnione w 2029 roku.

Plan jest taki, żeby się rozproszyć Anopheles gambiae komary niosące egoistyczne geny w Afryce Subsaharyjskiej. Napęd genowy może rozprzestrzenić się na ogromny obszar terytorium, powodując znikanie komarów i blokowanie przenoszenia pasożyta wywołującego malarię. Malaria to problem biedy, niestabilności i braku woli politycznej, mówi Andrea Crisanti, włoski parazytolog i inżynier genetyczny, który wyhodował owady w Imperial College. Prosimy o dążenie do robienia tego, czego nie możemy zrobić politycznie lub ekonomicznie.

Oprócz pomocy w walce z malarią, ekolodzy uważają, że technologia napędu genowego może uratować znikające rodzime ptaki na Hawajach (przed ptasią malarią) lub może uwolnić Australię od inwazyjnych, niszczycielskich ropuch, które skaczą na zachód przez kontynent. Dlaczego nie również wyeliminować Aedes aegypti , komar roznoszący gorączkę denga i Zika w obu Amerykach?

Czy jakikolwiek kraj, agencja lub osoba ma prawo do zmiany natury w sposób, który może wpłynąć na wszystkich?

Technologia stwarza zagrożenia, których społeczeństwo nigdy wcześniej nie musiało brać pod uwagę. Czy usuwanie komarów zaburzyłoby ekosystemy? Czy grozi nam epidemia genetyczna, jeśli samolubne DNA przeskoczy barierę gatunku, by wpłynąć na inne owady? Najbardziej kłopotliwe: jaki kraj, agencja lub osoba ma prawo zmieniać naturę w sposób, który może wpłynąć na cały glob? To dlatego nienawidzę problemu malarii, mówi Kevin Esvelt, biolog z MIT, który ostrzegał przed bezprecedensowymi dylematami, jakie stworzą napędy genowe. To sprawia, że ​​technologia jest tak kusząca w użyciu.

Te pytania wymagają wkrótce odpowiedzi. Jeszcze 12 miesięcy temu technologia napędu genowego wciąż była obiecującą teorią. Nigdy więcej. Szybki postęp techniczny następuje dzięki CRISPR, nowej technice edycji genów. W laboratorium Imperial spojrzałem przez mikroskop na niedojrzałego komara, zwanego poczwarką, makabryczne stworzenie, które wygląda jak świąteczna szynka z przyczepionym ogonem homara. Wewnątrz jego ciała widziałem ogniste, fluorescencyjne plamki, w których sztuczny, samolubny gen był zajęty kopiowaniem samego siebie. Potencjalnie zmieniające ekosystem transformacje zostały przeprowadzone głównie przez 27-letniego studenta o imieniu Andrew Hammond podczas kilku miesięcy późnych nocy w laboratorium. Jest tak wiele fajnych sposobów na ich zbudowanie, radował się Hammond. Jest tak wiele łatwych rzeczy do zrobienia.

I to tylko problem. Urzędnicy w Stanach Zjednoczonych i innych krajach martwią się, że może to być trochę za łatwe. FBI zastanawia się, czy napędy genowe mogą być nadużywane, powiedzmy, do stworzenia plagi projektantów. W maju tego roku amerykańska Narodowa Akademia Nauk ma opublikować zalecenia dotyczące ograniczania zagrożeń ekologicznych i innych przed jakimkolwiek testem terenowym. Dwudziestu siedmiu badaczy napisało do: Nauka z ostrzeżeniami przed przypadkowym uwolnieniem organizmów napędzanych genami, coś, czego obawiają się, zniszczyłoby zaufanie publiczne. Inni stwierdzili, że badania powinny zostać utajnione, chociaż jest na to za późno.

Pogardzane gatunki

Spośród 3500 gatunków komarów około 30 rozprzestrzeniało malarię, chociaż trzy prawie nieodróżnialne podtypy Anopheles gambiae wyrządzić najwięcej szkód w Afryce. Ukąszenie samicy komara rozprzestrzenia pasożyta Plasmodium, który wywołuje u ludzi gorączkę i dreszcze poprzez eksplodowanie czerwonych krwinek. Crisanti mówi, że te trzy komary są celem eliminacji Imperialnych, machając okularami na czubku i podskakując z krzesła.

Crisanti przyznaje, że technologia napędzania genów generuje napięcie. Wzrośnie presja, aby zastosować tę technikę, biorąc pod uwagę korzyści zdrowotne i społeczne, jakie może przynieść zakończenie malarii. Z drugiej strony nie ma jeszcze uzgodnionych przepisów ani procedur dotyczących opracowania technologii zdolnej do rozprzestrzeniania się wśród dzikich organizmów. Napęd genowy jest kontrowersyjny ze względu na możliwość wyniszczenia gatunku, mówi. Więc powinna być wyraźna korzyść.

We włoskiej placówce Target Malaria, kobieta Widliszek komary biorą posiłek z krwi. Trzy dni później złożą jajka.

Napęd genowy niekoniecznie skazałby te gatunki komarów na wyginięcie. Kieszenie komarów mogą pozostać lub można je przechowywać w laboratorium, jeśli ktoś zechce je sprowadzić. Ale eliminacja jest możliwym rezultatem, mówi Crisanti, zwłaszcza jeśli uwolnienie napędu genowego zbiegło się z warunkami, takimi jak susza lub przeziębienie. Gatunki oczywiście wymierają nieustannie, ale zastanawiałem się: czy etyczne jest celowe eliminowanie jakiejkolwiek części przyrody? Pytasz w sposób darwinowski czy teologiczny? Crisanti odpowiedział. Myślę, że to rywalizacja gatunkowa między nami a komarem. I nie sądzę, żeby gatunek miał prawo istnieć lub nie istnieć. Mówi, że gatunki mają sprawność – przystosowały się do rozkwitu w swojej niszy środowiskowej. W przypadku gatunków, które mamy nadzieję uratować, możemy użyć napędów genowych, aby dodać korzystne geny, takie jak te odpowiedzialne za odporność na choroby. Do gatunków, którymi pogardzamy, możemy dodać takie, które czynią je niezdolnymi do przetrwania.

Samolubne geny

Target Malaria jest kierowany przez Austina Burta, teoretyka ewolucji z Imperial College, którego specjalnością są samolubne elementy genetyczne. Są to geny pasożytnicze, występujące u wielu gatunków, które tworzą dodatkowe kopie samych siebie. (Jeden, zwany pierwiastkiem P, zdołał nawet dostać się autostopem do genomu każdej muszki owocowej na Ziemi w XX wieku.) Burt interesował się szczególnym rodzajem samolubnego genu obecnego w śluzowcach, zwanym endonukleazą. Rozcinają one DNA w bardzo precyzyjnych miejscach, które rozpoznają, a następnie, oferując siebie jako szablon naprawy, mogą skłonić komórkę do ich skopiowania. Burt doszedł do wniosku, że prostota tego procesu pozostawiła go otwartym na ludzkie sztuczki, aw artykule z 2003 r. opisał, jak można go przekształcić w urządzenie do wygaszania.

Paradoks, który Burt musiał rozwiązać, polega na tym, że coś bardzo złego dla komarów może być również przez nie rozprzestrzeniane. Zauważył, że jedną z odpowiedzi był samolubny gen, który jest nieszkodliwy, jeśli obecna jest jedna kopia, ale powoduje bezpłodność, jeśli są dwie kopie. (Podobnie jak ludzie, komary mają dwa zestawy chromosomów, po jednym od każdego z rodziców.) Zaczynając od samca komara z jedną kopią, samolubny gen zapewnia, że ​​trafi do każdego z jego plemników, a nie tylko do połowy. W ten sposób każde potomstwo z dzikim komarem będzie również nosicielem, podobnie jak całe potomstwo ich potomstwa. W rezultacie gen ten rozprzestrzeni się w populacji.

Ostatecznie staje się prawdopodobne, że każda parująca się para komarów będzie nosicielem – a ich potomstwo, z dwoma kopiami, będzie bezpłodne. Populacja szybko się załamie, zataczając się od genetycznej trucizny. Na moim egzemplarzu artykułu Burta z psimi uszami podkreśliłem jego końcowe zdania: Jasne jest, że opisywanej tutaj technologii nie należy lekceważyć. Biorąc pod uwagę cierpienie powodowane przez niektóre gatunki, nie można go oczywiście ignorować.

Burt jest Kanadyjczykiem na emeryturze, którego znalazłem w biurze, które było prawie puste, z wyjątkiem komputera. Podał herbatę, której nikt nie pił, i odpowiedział na kilka moich najbardziej prowokacyjnych sformułowań o ogromnej mocy biotechnologii, mówiąc: Um, tak. Zwierzył się, że próbował opatentować swój pomysł. Ale został odrzucony, ponieważ miał wtedy niewiele dowodów eksperymentalnych, aby udowodnić, że może działać. Chciałem wierzyć, że coś wymyśliłem, mówi.

W tamtym czasie laboratorium Crisanti właśnie ustaliło, jak przeprowadzić inżynierię genetyczną Widliszek komary – warunek wstępny, aby pomysły Burta zadziałały. Zwrócili się do Fundacji Gatesa o finansowanie i od tego czasu Gates wydał na ten projekt 44 miliony dolarów, co jest z pewnością największą sumą wydaną do tej pory na badania nad napędem genowym.

Jednak inżynieria samolubnego genu, który działałby zgodnie z przewidywaniami równań na ekranie komputera Burta, okazała się trudna. Zespół Crisanti próbował zaadaptować samolubne geny śluzowatych pleśni, ale trudno było zmusić je do wycięcia bardzo różnych genów komarów. Do 2011 roku zespół miał częściowy prototyp, ale nic nie było w stanie rozprzestrzenić się na wolności.

Następnie, w marcu 2015 roku, dwóch biologów-lotów z Kalifornii, Ethan Bier i jego uczeń Valentino Gantz, ogłosili, że stworzyli samolubny gen, który spełnił proroctwo Burta. Rozprzestrzenił się w populacji much laboratoryjnych, powodując zmianę genetyczną, która zmieniła kolor owadów na żółty. Zamiast zmagać się ze śluzowcami, Bier i Gantz użyli Cas9, cząsteczki tnącej DNA, która stała się znana ze swojej roli w technologii edycji genów zwanej CRISPR. Zaletą Cas9 jest to, że można go łatwo skierować do wycięcia dowolnej sekwencji DNA, którą lubisz. Dodali więc Cas9 do genomu muszki owocowej i powiedzieli jej, gdzie ma ciąć.

To rywalizacja gatunkowa między nami a komarem.

Oznaczało to, że dzięki CRISPR nawet dwuosobowy zespół może teoretycznie zmienić cały gatunek. W grudniu zeszłego roku grupa Crisanti i inna, kierowana przez Biera i eksperta od komarów Anthony'ego Jamesa, wykorzystali CRISPR do zbudowania napędów genowych zdolnych do rozprzestrzeniania cech w populacjach komarów w klatkach – i prawdopodobnie również na wolności.

Ponieważ coraz więcej naukowców pracuje nad napędami genowymi, ryzyko przypadkowego uwolnienia stało się problemem. Gdyby jeden z owadów Biera uciekł do sadów Kalifornii, wszystkie muchy mogłyby zmienić kolor na żółty. W sierpniu Burt, Bier i 25 innych osób napisali list do Nauka uzgodnienie potrzeby rygorystycznych strategii odosobnienia w celu uniknięcia wycieku genetycznego i wezwanie naukowców do odrzucania próśb o udostępnienie organizmów, które stworzyli, dopóki nie zostaną ustalone pewne zasady.

Laboratorium komarów Imperial w Londynie zdecydowanie nie jest Fortem Knox, a studenci przychodzą i odchodzą. Zamiast tego kluczowym środkiem bezpieczeństwa jest jego lokalizacja z dala od obecnego zakresu Anopheles gambiae . Wszelkie uciekające komary – uczniowie nazywają je lotnikami – prawdopodobnie zostaną zdezorientowane przez suche powietrze i zimno, gdy tylko trafią na korytarze laboratorium. I nawet jeśli ktoś w jakiś sposób dotarłby 200 jardów na Queen's Lawn, nie znalazłby innego komara, z którym mógłby się kojarzyć. W każdym razie komary, które widziałem w Londynie, nie są jeszcze gotowe do wypuszczenia. Nie są zbyt zdrowe — trudno byłoby im konkurować i rozmnażać się na wolności. W dwóch klatkach napęd genowy, który początkowo szybko się rozprzestrzeniał, zaczął zanikać po kilku pokoleniach komarów. Prawdopodobnym powodem jest opór. Jeden lub więcej komarów mogło rozwinąć odporność na popęd, być może przez przypadkową mutację DNA, a potomstwo tych komarów szybko się rozmnożyło.

Mamy kilka problemów do rozwiązania, ale mamy wiele sztuczek w szafie, mówi Tony Nolan, porucznik naukowy laboratorium Crisanti. Jednym z pomysłów jest połączenie kilku dysków i jednoczesne ukierunkowanie na trzy różne miejsca DNA. Komary mogą w końcu wykształcić odporność na wszystkie trzy, ale może nie przed śmiercią wszystkich.

Na monitorze larwa komara świeci fluorescencyjnym śladem.

Rozmieszczenie wojsk

Fundacja Gatesa wydała 36,7 miliarda dolarów na edukację, zdrowie publiczne i szczepionki od momentu jej powstania w 2000 roku. Część wydana na napędy genowe ledwo się rejestruje, ale technika ta nabrała szczególnego uroku w rozwiązywaniu problemu malarii, od dawna jednego z głównych celów Gatesa. Gdybyś miał wymyślić idealny sposób na rozwiązanie problemu w krajach rozwijających się… byłby to napęd genowy, mówi Fil Randazzo, zastępca dyrektora fundacji.

Jeśli to zadziała, będzie niewiarygodnie tanie, łatwe do dystrybucji i egalitarne, z korzyścią dla wszystkich, bogatych i biednych. Będzie również działał po wydaniu, unikając powszechnego problemu: często najtrudniejszą częścią wykorzenienia choroby jest gra końcowa, kiedy uwaga wędrowała gdzie indziej, a wydatki na każdy przypadek gwałtownie rosną. W scenariuszu, który przedstawił mi Randazzo, wiadra komarów byłyby wypuszczane co około 50 kilometrów, rozpoczynając reakcję łańcuchową, która przez dwa lata przepływała przez lasy, pastwiska i miasta. Liczba komarów, które przeżyły, spadłaby do mniej niż 1% normalnego poziomu. Za pomocą siatek i sprayów ukąszenia byłyby minimalne, przerywając cykl przenoszenia malarii. Kampania narkomanii mogłaby wtedy usunąć ludzki rezerwuar pasożyta — w niektórych krajach Afryki Zachodniej zarażonych jest 25% populacji.

Fundacja Gatesa powiedziała, że ​​nie wierzy już, że malarię można zlikwidować bez napędu genowego. Nie możesz cały czas chodzić z siatką na łóżko. To nie wyeliminuje malarii, mówi Randazzo. Dzięki napędowi genowemu zmiana ludzkiego zachowania nie jest wymagana.

Zespół Imperial rozpoczął tworzenie modeli matematycznych geografii, klimatu i innych czynników, aby zrozumieć, jak napęd genowy może działać w prawdziwym świecie. W Burkina Faso naukowcy wypuszczają Widliszek oblane fluorescencyjnym pyłem w celu ich śledzenia. Burt twierdzi, że wierzy, że popęd może rozprzestrzeniać się od 5 do 20 kilometrów rocznie od dowolnego punktu uwolnienia, a mniej niż 500 komarów może wywołać reakcję.

Pracownik laboratorium przeprowadza testy DNA w Polo d’Innovazione Genomica w Perugii we Włoszech, będącej częścią sieci laboratoriów finansowanych przez Billa Gatesa, które badają napędy genowe.

Niektórzy naukowcy powiedzieli mi, że uważają, że projekt malarii jest skazany na niepowodzenie. Co się stanie, jeśli zamiast tego różne komary przeniosą chorobę? Guy Reeves, biolog ewolucyjny z niemieckiego Instytutu Maxa Plancka, przewiduje, że głównym problemem będą odporne owady, mówiąc, że spowodują załamanie się technologii. Nie możemy za każdym razem wybierać nowych, błyszczących rzeczy, mówi Reeves, który uważa, że ​​owady oparte na teoriach Burta nigdy nie okażą się wystarczająco przewidywalne, aby można je było używać z jakąkolwiek pewnością.

W marcu tego roku około 75 ekspertów ds. polityki i naukowców, w tym Burt, wzięło udział w trzydniowym sympozjum na temat napędów genowych w Północnej Karolinie. Ludzie, którzy tam byli, mówią, że obawy były namacalne w związku z perspektywą zmian genetycznych, które mogą rozprzestrzeniać się szeroko, ponad granicami. Esvelt z MIT, który uczestniczył w spotkaniu, mówi, że problem z pomysłem na malarię polega na tym, że będzie on miał wpływ na wszystkich w Afryce, ale nie będzie możliwe doprowadzenie tam wszystkich do zgody na tę technologię. Myślę, że Gates ma zamiar popchnąć to naprzód, mówi. A pytanie brzmi, jak możesz to zrobić etycznie?

Randazzo mówi, że organizacja Gatesa jest zaangażowana w przekazanie technologii napędu genowego Afrykanom i umożliwienie im podjęcia decyzji. Wysiłki w tym kierunku są bardzo zaawansowane. Od 2012 r. Target Malaria zaczął rozwijać operacje naziemne w kilku krajach afrykańskich, szkoląc naukowców, przerabiając laboratoria owadów i wysyłając zespoły do ​​lokalnych społeczności.

Plan przypomina kampanię wojskową, uzupełnioną ćwiczeniami, manewrami i pustymi ładunkami. Obejmuje stopniowe wprowadzanie komarów zmodyfikowanych genetycznie, które nie mają napędu genowego. Chociaż nie pomogą one w walce z malarią, lokalni naukowcy mogą z nimi trenować i stworzyć ścieżkę regulacyjną dla prawdziwych rzeczy. Wniosek o import pierwszych genetycznie zmodyfikowanych komarów w Afryce jest już rozpatrywany w Burkina Faso.

Małe klatki z siatki służą do przechowywania komarów do badań.

Jednak prawdziwe owady napędzane genami pozostaną w Europie, dopóki kraje afrykańskie nie zaakceptują technologii i jej konsekwencji. Powodem jest to, że w tropikalnym miejscu, w przeciwieństwie do Londynu, wypadek laboratoryjny, który pozwala uciec komarom, może mieć nieodwracalne konsekwencje. Nie sprowadzimy ich do Afryki, dopóki nie zostanie to zaakceptowane, ponieważ nie sądzimy, abyśmy mogli zagwarantować 100%, że zostaną zatrzymane, mówi Delphine Thizy, politolog, która zarządza zespołami zajmującymi się badaniem Target Malaria.

Czy ludzie w Afryce będą chcieli tej technologii? Rozmawiałem z kenijskim entomologiem, Richardem Mukabaną, który pracował nad kampanią naziemną w społecznościach wokół Jeziora Wiktorii. Wykorzystując plakaty i diagramy, zespoły odwiedziły obszary wiejskie, aby wyjaśnić pomysł, często osobom niepiśmiennym. Jedna z kreskówek, która przekazywała, co się dzieje, pokazuje jasnowłosego naukowca trzymającego klatkę na komary obok brytyjskiej flagi. Celem prac ziemnych jest ustanowienie społecznej licencji na działanie – rodzaj umowy, mówi Mukabana, która nie jest spisana ani przyklejona do ściany, ale będzie musiała istnieć, jeśli napęd genowy ma kiedykolwiek zostać uwolniony.

Nawet większość naukowców jeszcze nie wie, czym jest napęd genowy ani jak działa. A opisywanie go ludziom w dialekcie Luo (języku, którym mówił ojciec prezydenta Obamy) jest trudne, ponieważ w języku tym brakuje słowa na DNA. Mukabana zapożyczył słowa z języka angielskiego i suahili i używał krwi jako synonimu genów.

Mukabana powiedział mi, że kiedy ludzie w społecznościach, w których dzieci umierają na malarię, słyszą, że tę chorobę można wyeliminować, są za nią. A jeśli wokół Jeziora Wiktorii jest obrońca komarów, to nie spotkał żadnego. Mówi, że ludzie nie będą zawracać sobie głowy wymieraniem komarów.

ukryć