8 월 뉴욕의 콜드 스프링 하버 실험실의 붐비는 강당에서 코넬 대학의 인구 유전 학자 인 필립 메서 (Philipp Messer)는 유전자 공학에 대한 강력하고 논란의 여지가있는 새로운 응용 프로그램에 대해 논의하기 위해 무대에 올랐습니다.
유전자 드라이브는 일반적인 상속 규칙을 무시하면서 인구를 통해 특성을 강요 할 수 있습니다. 특정 특성은 일반적으로 다음 세대에 50-50의 확률로 전달 될 가능성이 있습니다. 유전자 드라이브는 그 속도를 거의 100 %로 밀어 넣을 수 있습니다. 유전 적 우세는 모든 미래 세대에서 계속 될 것입니다. 실험실의 모든 과일 파리가 가벼운 눈을 갖기를 원하십니까? 눈 색깔을위한 드라이브를 엔지니어링하고 곧 과일 파리의 자손은 자손과 마찬가지로 모든 미래 세대에 대한 가벼운 눈을 가질 것입니다. 유전자 드라이브는 성적으로 재생산하는 모든 종에서 작용할 수 있으며 질병 통제, 농업, 보존 등을 혁신 할 가능성이 있습니다. 과학자들은 예를 들어 모기가 말라리아를 퍼 뜨리지 못하거나 침습적 인 종을 근절 할 수 있습니다.
이 기술은 역사상 처음으로 인간이 야생 인구의 유전자를 엔지니어링 할 수있는 능력을 가지고 있습니다. 따라서 비평가뿐만 아니라 그와 함께 일하는 과학자들로부터 강렬한 윤리적이고 실용적인 관심사를 제기합니다.
Messer의 프레젠테이션은 Wild Ecosystems를 엔지니어링 할 계획에 대한 잠재적 인 걸림을 강조했습니다. 병원체는 항생제 내성을 진화시킨다. 곤충과 잡초는 살충제를 막기 위해 진화합니다. 유전자 드라이브로 재 프로그래밍 된 모기와 침습성 종은 특히 유전자 드라이브가 유기체에 해로운 경우에도 적응할 수 있습니다.
.매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)의 진화 엔지니어 인 케빈 에스 벨트 (Kevin Esvelt)는“장기적으로 유전자 드라이브가 있더라도 진화는 결국 승리한다. “진화론 적 시대의 경우, 우리는 아무것도 중요하지 않습니다. 물론 멸종. 진화는 그게 돌아 오지 않습니다.”
유전자 드라이브는 젊은 기술이며 야생으로 방출되지 않았습니다. 소수의 실험실 연구에 따르면 유전자 운전은 과일 파리, 모기 및 효모에서 실제로 작동합니다. 이들 실험의 대부분은 유기체가 유전자 드라이브를 방해 해야하는 진화 적 저항을 발전시키기 시작한다는 것을 발견했다. 그러나 이러한 개념 증명 연구는 소수의 유기체 인구를 따릅니다. 야생의 수백만 개의 곤충 무리와 같이 유전 적 다양성을 가진 대규모 인구는 등장에 대한 저항의 가장 많은 기회를 제공합니다.
방대한 야생 인구에서 유전자 드라이브를 테스트하여 꼬임을 분류하는 것은 불가능하고 비 윤리적입니다. 유전자 드라이브가 방출되면 되돌릴 방법이 없을 수 있습니다. (일부 연구자들은 두 번째 유전자 드라이브를 도로 하나를 폐쇄 할 가능성을 제안했습니다. 그러나 그 접근법은 가설 적이며, 그 동안에도 걸렸다 고해도 그 동안의 생태 학적 손상은 변하지 않을 것입니다.)
.다음으로 가장 좋은 옵션은 야생 인구가 유전자 드라이브의 도입에 어떻게 반응 할 수 있는지에 대한 모델을 구축하는 것입니다. Messer와 다른 연구자들은 바로 그렇게하고 있습니다. Messer는“우리에게는 이러한 불일치가 있다는 것이 분명했습니다. 많은 유전 학자들이 이러한 시스템을 구축하려고 노력했지만 인구 수준에서 일어나는 일에 대해서는 걱정하지 않았습니다. 대신, 그는“인구 수준에서 어떤 일이 일어날 것인지, 이런 것들을 자유롭게 설정하고 여러 세대 동안 진화 할 수 있다면 저항이 발생하는 곳입니다.”
를 배우고 싶어합니다.Cold Spring Harbor Laboratory에서 열린 회의에서 Messer는 팀이 개발 한 컴퓨터 모델에 대해 논의했으며 6 월 과학적 사전 인쇄 사이트 Biorxiv.org에 게시 된 논문에서 설명했습니다. 이 작업은 지난 5 개월 동안 Biorxiv.org에 제출 된 Gene Drive 저항에 관한 3 가지 이론 논문 중 하나입니다. 다른 것은 텍사스 대학교, 오스틴 대학의 연구원과 Harvard University 및 MIT의 공동 팀에서 출신입니다. (저자는 모두 전통적인 동료 검토 저널을 통해 연구를 발표하기 위해 노력하고 있습니다.) Messer에 따르면, 그의 모델은“저항은 표준 유전자 드라이브 시스템에서 거의 불가피하게 진화 할 것”이라고 제안합니다.
.저항과 유전자 드라이브 사이 의이 모든 상호 작용이 어디에서 끝날지는 여전히 불분명합니다. 저항은 유전자 구동을 무력화시킬 수 있습니다. 한편으로, 이것은 드라이브를 방출하는 것이 무의미한 운동임을 의미 할 수 있습니다. 반면에 일부 연구자들은 저항이 중요한 자연 안전 기능이 될 수 있다고 주장합니다. 진화는 본질적으로 예측할 수 없지만 소수의 생물 학자들은 수학적 모델과 신중한 실험실 실험을 사용 하여이 강력한 유전자 도구가 야생에서 느슨해 질 때 어떻게 행동 할 것인지 이해하려고 노력하고 있습니다.
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저항은 무의미하지 않습니다
유전자 드라이브는 독점적으로 인간 기술이 아닙니다. 그들은 때때로 자연에 나타납니다. 리버 사이드 캘리포니아 대학교의 분자 생물학 박사 연구원 인 Anna Buchman은 리버 사이드 (Riverside)의 분자 생물학 (University of California)의 박사후 연구원 인 안나 부치 만 (Anna Buchman)은 연구자들은 처음으로 수십 년 전에“방사선과 같은 조잡한 수단”또는 화학 물질로 다시 창출 할 것을 제안했다고 말했다. 그녀는 이러한 유전 적 이상한 점에서“인구를 통해 유전자를 퍼 뜨리거나 인구를 억제하도록 조작 될 수있다”며 덧붙였다.
2003 년, Imperial College London의 진화 유전 학자 인 Austin Burt는 Homing Endonuclease Gene Drive라는 더 세밀하게 조정 된 접근법을 제안했습니다.
Burt는 저항의 잠재적 인 문제를 언급했으며 그의 정지 논문과 후속 작업 모두에서 일부 해결책을 제안했습니다. 그러나 수년 동안 사용 가능한 기술이 번거롭기 때문에 실험실에서 드라이브를 엔지니어링하기가 어려웠습니다.
유전자 공학의 출현으로 버트의 아이디어는 현실이되었습니다. 2012 년 과학자들은 분자 단어 프로세서로 묘사 된 유전자 편집 도구 인 CRISPR을 공개했습니다. 그것은 과학자들에게 그들이 시도한 모든 유기체에서 유전자 정보를 변경할 수있는 힘을 주었다. CRISPR은 특정 비트의 유전자 코드를 찾은 다음 해당 부위의 DNA 가닥을 파괴하여 유전자를 삭제, 추가 또는 교체 할 수 있습니다.
.CRISPR은 유전자 드라이브를 방출하는 비교적 쉬운 방법을 제공합니다. 먼저, 연구원들은 CRISPREATERED 유전자 드라이브를 유기체에 삽입합니다. 유기체가 짝을 이룰 때, CRISPR 장착 염색체는 다른 부모로부터 나오는 일치하는 염색체를 절단합니다. 자손의 유전자 기계는이 컷을 꿰매려고 시도합니다. 그렇다면 CRISPR 유전자 드라이브를 포함하는 섹션 인 첫 번째 부모의 관련 DNA 섹션을 복사합니다. 이런 식으로, 유전자 드라이브는 두 염색체에서 끝나도록 자체적으로 복제되며, 이것은 원래 유기체의 자손의 거의 모든 하나에서 발생할 것입니다.
CRISPR이 공개 된 지 불과 3 년 만에 샌디에고 캘리포니아 대학교의 과학자들은 CRISPR을 사용하여 상속 가능한 유전자 드라이브를 과일 파리의 DNA에 삽입하여 버트가 제안한 시스템을 구축했습니다. 이제 과학자들은 인터넷에서 필수 생물 도구를 주문하고 몇 주 안에 작업 유전자 드라이브를 구축 할 수 있습니다. Messer는“유전학 지식과 수백 달러가있는 사람은 누구나 할 수 있습니다. "우리 가이 기술을 실제로 연구하는 것이 더욱 중요합니다."
유전자 드라이브가 실제로 작동 할 수있는 여러 가지 방법이 있지만, 두 가지 접근 방식이 가장 많은 관심을 얻었습니다 :대체 및 억제. 대체 유전자 드라이브는 특정 특성을 변경합니다. 예를 들어, 말라리아 항-말라리아 유전자 드라이브는 모기의 게놈을 변화시켜 곤충이 더 이상 말라리아 기생충을 집어들 수 없도록 할 수 있습니다. 이 상황에서, 새로운 유전자는 야생 개체군을 통해 빠르게 퍼져서 모기가 기생충을 가지고 다닐 수 없어 질병의 확산을 효과적으로 막을 수있게되었습니다.
.억제 유전자 드라이브는 전체 인구를 삭제합니다. 예를 들어, 모든 자손을 남성으로 강요 한 유전자 드라이브는 번식을 불가능하게 만들 것입니다.
그러나 야생 인구는 유전자 드라이브에 저항 할 수없는 방식으로 저항 할 수 있습니다. 하버드 T.H. 찬 공중 보건 학교. “그 모기는 우리가 만드는 것보다 훨씬 탄력적입니다. 그리고 엔지니어링은 우리가 생각하는 것보다 더 어려울 것입니다.” 사실, 그러한 예측 불가능 성 모든 종에서는 발견 될 수 있습니다.
3 개의 새로운 biorxiv.org 논문은 다른 모델을 사용하여 최소한 가장 간단한 수준 에서이 예측 불가능 성을 이해하려고 노력합니다.
Cornell Group은 기본 수학적 모델을 사용하여 대체 유전자 드라이브에서 진화 저항이 어떻게 나타날지를 매핑했습니다. CRISPR이 파손 된 후 DNA가 어떻게 치유되는지에 중점을 둡니다 (유전자 드라이브는 각 새로운 유기체로 CRISPR 구조를 밀어서 자체 자체 자체를 자르고 복사하고 붙여 넣을 수 있습니다). 휴식 후 DNA는 자동으로 자체를 수리합니다. 정확히 어떻게 그렇게하는지는 우연히 결정됩니다. 하나의 옵션을 비 동성애자 종말 결합이라고하며, 부러진 두 끝이 무작위로 다시 꿰매어집니다. 결과는 문장을 취하고 문구를 삭제 한 다음 사전의 임의의 단어 세트로 교체하면 얻을 수있는 것과 비슷합니다. 여전히 문장이있을 수 있지만 아마도 의미가 없을 것입니다. 두 번째 옵션은 상 동성 지향 복구이며, 이는 유전자 주형을 사용하여 깨진 DNA를 치유합니다. 이것은 문장에서 문구를 삭제하는 것과 같습니다. 그런 다음 알려진 문구를 대체품으로 복사하는 것과 같습니다.
비 동종 최종 결합은 저항을위한 레시피입니다. CRISPR 시스템은 특정한 DNA를 찾도록 설계되었으므로 중간에 무의미한 단어와 동등한 섹션을 인식하지 못합니다. 유전자 드라이브는 DNA에 들어 가지 않으며 다음 세대에 전달되지 않습니다. 상 동성 지향 수리를 사용하면 템플릿에는 유전자 드라이브가 포함되어있어서 계속 될 수 있습니다.
코넬 모델은 두 시나리오를 테스트했습니다. 캔자스 대학교 (University of Kansas)의 진화론 적 유전학자인 로버트 UNCKLESS는“우리가 발견 한 것은 실제로 두 가지에 의존한다는 것입니다. “통제하에 비상 학적 종말을 얻을 수 없다면 저항은 불가피합니다. 그러나 저항은 확산하는 데 시간이 걸릴 수 있습니다. 즉, 달성하고자하는 목표를 달성 할 수 있습니다.” 예를 들어, 목표가 도시 주변에 질병 방지 모기의 거품을 만드는 것이라면, 유전자 드라이브는 저항이 시작되기 전에 그 일을 할 수 있습니다.
.Harvard와 MIT의 팀은 또한 비 동종 최종 결합을 보았지만, 동일한 유전자에서 여러 부위를 대상으로하는 유전자 드라이브를 설계함으로써 주위의 방법을 제안함으로써 한 걸음 더 나아갔습니다. 하버드의 박사 학위 학생이자 논문의 첫 번째 저자 인 찰스턴 노블 (Charleston Noble)은“그들 중 누구라도 사이트에서 잘라 내면 유전자 드라이브는 복사 할 것입니다. "당신은 그것이 일할 기회가 많습니다."
유전자는 또한 유기체가 잃을 여유가없는 유전자를 대상으로 할 수 있다고 Noble은 말했다. 유기체는 유전자 드라이브를 쫓아 내고 싶을 수도 있지만 생명에 필수적인 유전자를 변경하는 데 드는 비용은 아닙니다.
UT Austin 팀의 세 번째 Biorxiv.org 논문은 다른 접근 방식을 취했습니다. 그것은 DNA의 표적 서열보다는 행동을 통해 인구 수준에서 저항이 어떻게 나타날 수 있는지를 조사했다. 대상 집단은 예를 들어 엔지니어링 된 개인과의 번식을 중단 할 수있어 유전자 구동을 막을 수 있습니다.
오스틴의 논문의 저자이자 진화 생물 학자 인 제임스 불 (James Bull)은“수학은 인구가 적어도 어느 정도까지 근무하는 경우 유전자 드라이브는 무작위 인구뿐만 아니라 무작위 인구에서도 효과가 없을 것이라고 밝혔다. “그것은 단지 시퀀스 진화가 아닙니다. 여기에는 모든 종류의 일이 일어나고 있는데,이를 통해 인구는 [유전자 드라이브]를 차단할 수 있습니다.”라고 Bull은 덧붙였습니다. "이것이 빙산의 일각이라고 생각합니다."
저항은 진화 적 창의성의 한계에 의해서만 제한됩니다. 표적 유기체의 게놈을 따라 어느 곳에서나 나타날 수 있습니다. 그리고 주변 환경으로도 확장됩니다. 예를 들어, 모기가 말라리아를 견딜 수 있도록 설계되면 기생충 자체가 저항력이 커지고 새로 전염성이있는 형태로 돌연변이 될 수 있다고 Noble은 말했다.
버그가 아니라 기능?
유전자 드라이브의 요점이 원하는 특성을 모집단을 통해 밀어내는 것이라면 저항은 나쁜 것 같습니다. 예를 들어, 모기의 전체 인구가 말라리아 방지되기 전에 운전이 작동하지 않으면 질병이 여전히 퍼집니다. 그러나 콜드 스프링 하버 실험실 회의에서 Messer는 그 반대를 제안했습니다.“저항을 받아들이자. 귀중한 안전 제어 메커니즘을 제공 할 수 있습니다.” 드라이브가 특정 지역에서 질병을 막기에 충분히 멀리 움직일 수 있지만 전 세계 모든 모기로 퍼지기 전에 멈추고 예상치 못한 환경 파멸의 알 수없는 확률을 가지고 있습니다.
.모든 사람 이이 낙관적 견해가 필요하다고 확신하는 것은 아닙니다. 샌디에고 캘리포니아 대학의 유전 학자 인 에단 비어 (Ethan Bier)는“허위 보안입니다. 그는 그러한 전략이 공부하는 데 중요하지만, 연구자들은 저항의 형태가“더 많은 완충제와 안전망을 제공한다”고 생각하는 것에 속일 것이라고 걱정할 것이라고 말했다.
.수학적 모델이 도움이되지만 연구자들은 모델이 실제 실험을 대체 할 수 없다고 강조합니다. 생태 시스템은 너무 복잡합니다. “우리는 통제 밖에서 진화 할 경험이 없습니다. 우리는 전에는 한 번도 해본 적이 없다”고 Esvelt는 말했다. “그래서 이러한 많은 모델링 연구가 중요한 이유입니다. 일어나다. 그러나 나는 또한 시스템이 복잡 할 때 모델링에 의존하고 미리 예측하려고 노력하는 것을 주저합니다.”
Messer는 그의 이론적 작업을 적어도 실험실에서 실제 환경에 넣기를 희망합니다. 그는 현재 코넬에서 유전자 드라이브 실험을 지시하고 있으며, 각각 약 5,000 개의 과일 파리의 여러 케이지를 추적합니다. 유전자 구동은 모집단을 통해 형광 단백질을 분배하도록 설계되었습니다. 단백질은 특수한 빛 아래에서 붉은 빛을 발합니다. 시각적 인 큐는 저항 앞에서 드라이브가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 보여줍니다.
예를 들어, Esvelt와 Catteruccia는 하버드 의과 대학의 유전 학자 인 조지 교회와 협력하여 저항에 면역이 될 것이라고 말하는 모기에서 유전자 드라이브를 개발하기 위해 저항 실험을 진행하고 있습니다. 그들은 동일한 유전자에 여러 드라이브를 삽입 할 계획입니다. 하버드/MIT 종이가 제안한 전략.
이러한 실험은 차세대 컴퓨터 모델을 안내하여 큰 야생 인구에 더 정확하게 맞춤화 할 수 있도록 도와 줄 것입니다.
Unckless는“이론과 경험적 작품 사이에 이런 종류가되기 때문에 흥미 롭다고 생각합니다. "우리는 아직 초기에 있지만, 양측 모두에게 가치가 있기를 바랍니다. 그리고해야 할 일에 대한 정보를 얻고 윤리적으로 올바른 결정을 내릴 것입니다."
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