Torej, z genskim inženiringom ste izdelali komarja, odpornega na malarijo, kaj zdaj? Koliko komarjev bi potrebovali, da bi nadomestili divji tip, ki prenaša bolezen? Kateri je najučinkovitejši vzorec distribucije? Kako bi lahko ustavili prezgodnji izpust ustvarjenih komarjev?
Spuščanje gensko spremenjenih organizmov v okolje brez poznavanja odgovorov na ta vprašanja bi lahko povzročilo nepopravljivo škodo ekosistemu. Toda kako odgovorite na ta vprašanja brez terenskih poskusov?
Aplikacijski matematiki in fiziki z univerz Harvard in Princeton so uporabili matematično modeliranje za usmerjanje načrtovanja in distribucije gensko spremenjenih genov, ki lahko učinkovito nadomestijo divje komarje in jih varno nadzorujemo.
Raziskava je bila nedavno objavljena v Proceedings of the National Academy of Sciences.
V normalnem poteku evolucije ima katera koli specifična lastnost le skromno možnost, da jo podedujejo potomci. Toda z razvojem sistema za urejanje genov CRISPR-Cas9 lahko raziskovalci zdaj načrtujejo sisteme, ki povečajo verjetnost dedovanja želene lastnosti na skoraj 100 odstotkov, tudi če ima ta lastnost selektivno pomanjkljivost. Ti tako imenovani genski pogoni bi lahko nadomestili divje gene v kratkih generacijah.
Ti zmogljivi sistemi povzročajo resne varnostne pomisleke, na primer, kaj se zgodi, če gensko spremenjen komar po nesreči pobegne iz laboratorija?
"Naključna ali prezgodnja sprostitev konstrukta genskega pogona v naravno okolje bi lahko nepopravljivo poškodovala ekosistem," je dejal Hidenori Tanaka, prvi avtor članka in podiplomski študent na Harvard John A. Paulson School of Engineering in Oddelek za uporabne znanosti in fiziko.
Za zaščito pred takšnimi izpusti je Tanaka skupaj s soavtorji Davidom Nelsonom, profesorjem biofizike Arthur K. Solomon in profesorjem fizike in uporabne fizike ter Howardom Stoneom s Princetona, predlagal ozek nabor selektivnih pomanjkljivosti, ki bi omogočilo širjenje genov, vendar šele potem, ko je bil dosežen kritični prag.
Raziskovalci so uporabili nelinearne reakcijsko-difuzijske enačbe za modeliranje, kako se bodo geni premikali skozi vesolje. Ti modeli so zagotovili okvir za razvoj družbeno odgovornih genskih pogonov, ki uravnovešajo gensko spremenjene lastnosti z vgrajenimi slabostmi, ki bi zaščitile pred nenamernim izpustom in nenadzorovanim širjenjem.
"V bistvu lahko zgradimo stikala, ki sprožijo in končajo val genskega pogona," je dejal Tanaka. "V enem, skrbno izbranem režimu se prostorsko širjenje vala začne ali napreduje šele, ko parametri inokulacije presežejo kritične vrednosti, ki jih lahko izračunamo."
Da bi dosegli to kritično maso, so raziskovalci ugotovili, da je treba gene intenzivno sproščati v določeni regiji - kot je genetska bomba - namesto da bi se tanko razširili po večjih regijah. Geni se širijo šele, ko jedro genetske eksplozije preseže kritično velikost in intenzivnost.
Raziskovalci so tudi ugotovili, da lahko z ovirami, kot so pesticidi, preprečijo širjenje genskih pogonov, če so genski pogoni občutljivi na spojino, neškodljivo za divje vrste.
"Ta raziskava ponazarja, kako lahko fiziki in uporabni matematiki gradijo na rezultatih bioloških eksperimentov in teorije, da bi prispevali k naraščajočemu področju genetike prostorske populacije," je dejal Nelson..
Naslednje, raziskovalci upajo, da bodo razumeli vpliv genetskih mutacij in nihanj števila organizmov na genske pogone.
