Итак, вы генетически создали устойчивого к малярии комара, что теперь? Сколько комаров вам потребуется, чтобы заменить диких переносчиков болезней? Какая схема распространения наиболее эффективна? Как вы можете остановить преждевременное высвобождение искусственных комаров?
Выпуск генетически модифицированных организмов в окружающую среду без знания ответов на эти вопросы может нанести необратимый ущерб экосистеме. Но как ответить на эти вопросы без полевых экспериментов?
Прикладные математики и физики из Гарвардского и Принстонского университетов использовали математическое моделирование для разработки и распространения генетически модифицированных генов, которые могут эффективно заменить диких комаров и с которыми можно безопасно бороться.
Исследование было недавно опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В ходе нормального хода эволюции любой специфический признак имеет лишь скромный шанс быть унаследованным потомством. Но с разработкой системы редактирования генов CRISPR-Cas9 исследователи теперь могут разрабатывать системы, которые увеличивают вероятность наследования желаемого признака почти до 100 процентов, даже если этот признак дает селективный недостаток. Эти так называемые генные драйвы могут заменить гены дикого типа в коротких поколениях.
Эти мощные системы вызывают серьезные опасения по поводу безопасности, например, что произойдет, если генетически модифицированный комар случайно сбежит из лаборатории?
«Случайное или преждевременное высвобождение конструкции генного драйва в естественную среду может нанести необратимый ущерб экосистеме», - сказал Хиденори Танака, первый автор статьи и аспирант Гарвардской школы инженерии имени Джона А. Полсона. Прикладные науки и физический факультет.
Чтобы защититься от таких релизов, Танака вместе с соавторами Дэвидом Нельсоном, профессором биофизики Артура К. Соломона и профессором физики и прикладной физики, а также Говардом Стоуном из Принстона, предложили узкий диапазон выборочных недостатков, которые позволит генам распространяться, но только после того, как будет достигнут критический порог.
Исследователи использовали нелинейные уравнения реакции-диффузии, чтобы смоделировать перемещение генов в пространстве. Эти модели обеспечили основу для разработки социально ответственных генных драйвов, которые уравновешивают генетически модифицированные черты со встроенными слабостями, которые защищают от случайного высвобождения и неконтролируемого распространения.
«Мы можем, по сути, сконструировать переключатели, которые инициируют и прекращают волну генного драйва», - сказал Танака. «В одном тщательно подобранном режиме пространственное распространение волны начинается или прогрессирует только тогда, когда параметры прививки превышают критические значения, которые мы можем рассчитать».
Чтобы достичь этой критической массы, исследователи обнаружили, что гены должны интенсивно высвобождаться в определенном регионе, подобно генетической бомбе, а не распространяться тонким слоем по более крупным регионам. Гены распространяются только тогда, когда ядро генетического взрыва превышает критический размер и интенсивность.
Исследователи также обнаружили, что, делая генные драйвы восприимчивыми к соединениям, безвредным для генов дикого типа, распространение генных драйвов можно остановить с помощью таких барьеров, как пестициды.
«Это исследование показывает, как физики и прикладные математики могут опираться на результаты биологических экспериментов и теории, чтобы внести свой вклад в растущую область генетики пространственных популяций», - сказал Нельсон.
Далее исследователи надеются понять влияние генетических мутаций и колебаний численности организмов на генные драйвы.