Terobosan 'Gene drive' menciptakan strain kepunahan nyamuk yang dipersenjatai

Berikut adalah pertanyaan yang hanya muncul pada orang gila dan ahli genetika: Bagaimana Anda mendapatkan gen yang membunuh suatu organisme untuk menyebar ke seluruh populasi organisme itu? Anda bisa membuat gen Anda mematikan, dan dengan demikian tidak mungkin diteruskan, atau tidak, dan dengan demikian tidak berguna sebagai vektor serangan. Solusinya telah lama mencoba gen 'diam' yang dapat menyebar tanpa efek negatif, baik memperkenalkan kelemahan mematikan pada bahan kimia buatan manusia yang kita tahan untuk sementara, atau dengan menunggu aktivasi mematikan oleh bahan kimia semacam itu. Namun baru-baru ini, dengan munculnya baru yang canggih in vivo teknologi pengeditan gen, menjadi mungkin untuk membuat gen yang tampaknya menentang evolusi - dan itu berarti kita dapat segera mulai melepaskan hewan yang membawa gen kiamat yang menyebar dengan kecepatan yang mencengangkan, dengan cepat membunuh seluruh populasi.

Hewan seperti itu saat ini duduk di laboratorium di Imperial College London, seekor nyamuk kiamat membawa gen yang suatu hari bisa mengakhiri seluruh spesiesnya. Ini merupakan proposal kontroversial untuk mengakhiri momok malaria, yang membunuh ratusan ribu orang setiap tahun, dengan memusnahkan nyamuk yang menyebarkan penyakit. Itu juga mewakili kemampuan fundamental baru bagi umat manusia: kekuatan untuk dengan mudah dan selektif memadamkan subkategori kehidupan di Bumi. Nama kekuatan ini disebut penggerak gen.

Laboratorium nyamuk di Imperial College London. Kredit: MIT Technology Review.

Laboratorium nyamuk di Imperial College London. Kredit: MIT Technology Review



Gene drive hanyalah penggunaan beberapa strategi untuk meningkatkan tingkat pewarisan gen secara artifisial. Strategi semacam itu ditemukan di seluruh alam, tetapi meskipun berteori selama puluhan tahun, tidak ada yang benar-benar memiliki cara yang layak bagi umat manusia untuk memanfaatkan fungsi ini melalui bioteknologi. Itu berubah berkat kemajuan luar biasa dalam pengeditan gen langsung yang telah kami lihat selama setengah dekade terakhir, khususnya rangkaian pengeditan gen CRISPR / Cas9.

“Gunting molekuler” ini sebenarnya dipinjam dari virus, memungkinkan para ilmuwan untuk menukar gen dalam organisme hidup dengan salah satu pilihan mereka, mengeditnya langsung ke dalam genom sehingga akan diteruskan saat sel berkembang biak. Jika Anda dapat memasukkan gen Anda ke dalam 'sel germinal', sel pra-sperma atau sel-sel telur dari organisme ini, Anda bahkan dapat memperkenalkan peluang bahwa gen tersebut akan diturunkan ke generasi berikutnya - secara klasik, tanpa penggerak gen, Anda dapat memperkenalkan peluang 50%.

nyamuk kiamat 2

Penyebaran gen melalui: A) Tingkat pewarisan 50%; B) tingkat warisan 100%. Kredit: Universitas Harvard

Kemungkinannya adalah 50% karena sel germinal, seperti hampir semua jenis sel lain pada manusia dan nyamuk, memiliki dua salinan genom kita. Saat kita menyambungkan gen penyerang kita, gen itu akan berada di seberang salinan gen normal kedua yang baru saja diganti. Ini berarti bahwa ketika dua salinan itu ditarik terpisah untuk membentuk setengah genom dari dua sel sperma baru yang terpisah, hanya satu dari sel sperma baru itu yang akan memiliki urutan yang disambung. Yang lain akan membawa gen yang sama, apapun itu.

Jadi, jika gen kita yang disambung menurunkan kebugaran evolusioner, maka yang akan terjadi hanyalah lain setengah dari keturunannya akan berkembang biak, dan individu yang terinfeksi akan segera keluar dari populasi. Dan bahkan jika itu adalah gen diam yang tampaknya tidak berbahaya yang tidak melakukan apa-apa pada awalnya, itu masih akan menyebar terlalu lambat untuk mengubah populasi secara keseluruhan sama sekali (lihat gambar di atas).

Perangkat kiamat nyamuk kami mengatasi masalah ini dengan menerapkan dua inovasi.

Pertama, ia memaksa dirinya menjadi 99% sel sperma nyamuk, dan dengan demikian menjadi 99% keturunannya. Hal ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan proses alami pembacaan bukti genom. Setelah gen sintetis kita disambungkan untuk menggantikan gen target, kita dapat merancang sistem untuk secara sengaja merusak salinan alami gen target lainnya. Lakukan kerusakan yang cukup, dan mesin sel muncul untuk memperbaikinya kembali normal. Tapi apa yang normal? Nah, heliks ganda menyediakan templat - dan enzim perbaikan akhirnya menggunakan gen kami yang disambung sebagai panduan untuk tampilan versi alami.

nyamuk kiamat 3

Ilustrasi tentang bagaimana penggerak gen menyalin gen ke kedua sisi genom yang terinfeksi. Kredit: Universitas Harvard

Begitu versi alami dari gen kita telah 'diperbaiki' menjadi versi yang direkayasa, kedua salinan ('alel') gen tersebut memiliki urutan buatan manusia. Sekarang, ketika sel germinal membelah menjadi dua sel sperma, kedua sel-sel sperma itu mendapatkan versi gen kami yang dimodifikasi. Jadi sekarang, tidak peduli sel sperma mana yang membuahi sel telur, nyamuk yang dihasilkan akan mewarisi gen penyerang yang dimasukkan. Dan sel germinal dari keturunannya mendapatkan efek penggerak gen, membawanya ke generasi berikutnya, generasi berikutnya, dan berikutnya.

Namun masih ada masalah: jika nyamuk yang terinfeksi melahirkan 99% nyamuk yang lemah, nyamuk tersebut akan dibiakkan oleh individu normal dari orang tua yang benar-benar terpisah, dan serangan kita tidak akan berhasil. Kunci dari bom nyamuk ini adalah bahwa 99% keturunan mendapatkan gen yang direkayasa, yaitu gen itu tidak menimbulkan masalah ketika hanya ada satu salinan.

Jadi, cobalah untuk mengikuti penghitungan di sini: Ilmuwan membelah satu salinan gen eksperimental mereka langsung ke dalam sel germinal, lalu menghancurkan dan menggantikan salinan lainnya dan menjadikan dirinya sendiri sebagai versi satu-satunya dari gen tersebut. Kemudian, sel germinal membelah menjadi dua sel sperma, yang masing-masing memiliki satu salinan yang terinfeksi dalam genomnya yang berukuran setengah. Setengah genom yang terinfeksi ini kemudian membuahi sel telur yang tidak terinfeksi melalui perkembangbiakan normal dengan nyamuk lain, menggabungkan untuk membuat nyamuk baru dengan satu salinan gen sintetis kita (dari sel sperma laki-laki yang terinfeksi) dan satu salinan gen alami (dari sel telur wanita yang tidak terinfeksi).

hari kiamat mozzySekarang, 99% dari keturunan laki-laki kita yang terinfeksi terinfeksi dengan satu salinan gen yang kita masukkan, dan karenanya menjadi pembawa yang tidak menunjukkan efek samping. Sebagian besar gen biasa yang menyebar melalui populasi nyamuk melalui proses alami harus menyebar tanpa kemampuan penggerak gen untuk memberdayakan mereka menjadi 99% keturunan dengan sangat cepat, yang berarti bahwa gen yang sangat menguntungkan pun tidak akan dapat menyebar secepat kita yang diam, tampaknya. yang tidak berguna. Tanpa sisi negatif dari evolusi yang bias terhadapnya, gen kita akan menyebar ke seluruh populasi hanya dalam beberapa generasi.

Akhirnya, itu akan mencapai tingkat kejenuhan dalam populasi sehingga nyamuk pembawa yang berfungsi penuh ini akan mulai kawin satu sama lain melalui kesempatan belaka, setiap menyumbangkan sperma atau sel telur yang terinfeksi 99% dari waktu, dan dengan demikian memunculkan hampir semua keturunan yang terinfeksi ganda. Nya ini keturunan, dengan kedua salinan gen yang terinfeksi sejak pembuahan, yang mengekspresikan serangan genetik kita: betina dari peristiwa kawin seperti itu benar-benar steril, sementara jantan bebas untuk terus berkembang biak dan menularkan penyakit.

crispr

Artinya, pada saat gen drive mulai menghasilkan sejumlah besar nyamuk steril yang terinfeksi ganda, keseluruhan populasi sudah akan terinfeksi terlalu parah untuk membiakkannya. Dengan penggerak gen untuk menjaga agar gen tetap menyebar meskipun telah berevolusi, proses tersebut harus berlanjut sampai tidak ada lagi nyamuk betina yang layak untuk berkembang biak. Menurut perhitungan tim Imperial College, pendekatan penggerak gen ini dapat sepenuhnya menghancurkan populasi nyamuk hanya dalam 11 generasi, atau sekitar satu tahun.

nyamuk

Setiap orang - dan maksud saya semua orang - membenci nyamuk.

Sekarang, ada kemungkinan juga bahwa pendekatan penggerak gen akan gagal total - kita tidak dapat mengetahuinya sampai kita melepaskannya. Di laboratorium, dalam populasi kecil nyamuk yang terisolasi, itu kebanyakan tampaknya menyebabkan jatuhnya populasi persis seperti yang kita harapkan. Beberapa dari populasi ini menurun dan kemudian pulih dengan cepat, bagaimanapun, kemungkinan karena beberapa mutasi kompensasi yang mengimbangi efek sterilitas gen kita. Diperlukan lebih banyak penelitian, tetapi efeknya sudah mengesankan, dan potensinya tidak dapat disangkal.

Tentu saja, karena kita bisa melepaskan ketegangan ini tidak berarti bahwa kita Sebaiknya.

Beberapa ahli ekologi berpendapat bahwa nyamuk benar-benar dapat digantikan di sebagian besar lingkungan dan membunuh semuanya tidak akan menyebabkan reaksi bencana dalam rantai makanan. Yang lain hanya menolak untuk menerima ini, menunjukkan bahwa kita hanya memiliki pemahaman yang sangat parsial tentang jaring makanan ini dan tidak dapat secara akurat memprediksi konsekuensi urutan kedua dan ketiga dari intervensi besar semacam ini.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com