Propulsiones genéticas basadas en Crispr para la Erradicación de las Especies Invasivas

Introducción: La crisis de las especies invasivas

Estas especies invasoras pueden eliminar los problemas de conservación de los genes más devastadores de la pérdida de biodiversidad mundial, costando a las economías cientos de miles de millones de dólares anuales y empujando a las especies nativas hacia la extinción. Desde la serpiente de árbol marrón en Guam hasta el sapo en Australia, estos organismos inalterables perturban los servicios de los ecosistemas, alteran los regímenes de fuego y propagan las enfermedades.

¿Qué son las unidades de genes basadas en CRISPR?

Los impulsos genéticos basados en CRISPR son elementos genéticos diseñados para sesgo herencia de modo que un alelo específico - la variante de un gen- se pasa a casi todos los descendientes, en lugar de el 50% Mendelian. Lo logran explotando el sistema CRISPR-Cas9: una guía RNA dirige la enzima Cas9 para cortar el cromosoma de tipo salvaje en un sitio específico, y el gene de control de la célula

Componentes clave de una unidad de genes

CRISPR-Cas9 sistema: Las tijeras moleculares que cortan la secuencia de ADN objetivo.
Guide RNA (gRNA): Una molécula de ARN corta que dirige Cas9 a la ubicación genómica precisa para ser cortada.
genes de cargo: Cualquier secuencia genética adicional que confera un rasgo deseado, como un gen que causa la infertilidad femenina o un marcador fluorescente para el seguimiento.
Armas de laHomología: secuencias de ADN flanqueando el Cas9 y el gRNA que permiten a la célula copiar el disco en el cromosoma roto.

La primera prueba de concepto de una unidad genética basada en CRISPR se demostró en 2015 en las moscas de la fruta (]Drosophila melanogaster), donde los investigadores lograron casi el 100% de la herencia de un aleloducto de la unidad. Desde entonces, las unidades se han desarrollado en mosquitos, ratones y varios otros organismos, con un fuerte enfoque en el control de enfermedades transmitidas por vectores y plagas agrícolas.

¿Cómo funcionan las unidades genéticas para la erradicación de las especies invasivas?

La estrategia para usar unidades genéticas contra especies invasivas normalmente cae en dos categorías: supresión de la población o modificación de la población. En las unidades de supresión, el gen de carga reduce la producción o supervivencia reproductiva del organismo objetivo, causando que la población declive y potencialmente colapse. Por ejemplo, una unidad puede ser diseñada para interrumpir el desarrollo embrionario, causar esterilidad femenina, o sesgo la relación sexual para que pocas o ninguna mujer se produzcan umbrales.

En la modificación de la población, el impulso lleva un gen que hace menos dañino al organismo, por ejemplo, haciendo que los ratones invasivos sean resistentes a un patógeno que llevan, o haciendo que las plantas invasivas sean menos competitivas. Este enfoque es menos común para la erradicación, pero podría ser útil para manejar especies que son demasiado extendidas para eliminar completamente.

Pasos para diseñar una unidad de supresión para una especie invasiva

Etampación de selección: Identificar un gen o región genómica que, cuando se interrumpe, causa un fuerte costo de aptitud (por ejemplo, un gen de determinación del sexo, un factor de fertilidad o un gen esencial para el desarrollo).
Construcción duradera:] Agrupa la caseta de expresión CRISPR-Cas9, el GRNA que apunta al lacus elegido, y los brazos de homología del genoma de la especie.
Pruebas laboratorias: Introducir el impulso a las colonias de laboratorio y medir las tasas de herencia, los efectos de la aptitud y la estabilidad a lo largo de muchas generaciones.
Modelado de la polivalencia: Usa modelos computacionales para predecir cómo se extenderá el disco bajo diferentes escenarios de liberación, incluyendo frecuencias iniciales variables, tasas de migración y la presencia de alelos de resistencia.
Contenidos ensayos de campo: Probando en entornos física o ecológicamente aislados (por ejemplo, islas remotas, grandes jaulas) para validar modelos y evaluar las interacciones ecológicas antes de cualquier lanzamiento abierto.

El progreso del mundo real incluye una unidad de “fecundidad femenina” dirigida al mosquito de fiebre amarilla (]Aedes aegypti) y una unidad de “ex ratio” diseñada para la mosca de la fruta invasiva Drosophila suzukii. En los modelos roedores se han demostrado que las unidades de genes se propagan de manera eficiente en laboratorio.

Aplicaciones en Erradicación de Especies Invasivas

Las aplicaciones tempranas más prometedoras de las unidades de genes para la erradicación se centran en poblaciones aisladas, como las de las islas, donde el riesgo de diseminarse más allá del área objetivo es mínimo. Las islas son puntos de interés para los impactos de las especies invasivas y también ofrecen límites naturales que hacen más factible la contención.

Especies de destino en investigación activa

]Monedores invasivos (ratas, ratones): Los roedores se han introducido a más del 80% de los grupos isleños del mundo y son responsables de numerosas extinciones. Los métodos actuales de erradicación dependen de gotas de cebo tóxico, que son costosas, no selectivas, y pueden dañar especies nativas no-objetivas.
Mosquidos invasivos: Especies tales como Aedes albopictus (Mosquise de tigre asiático) y Anofía estenensi] (Mosuelo de malaria asiático que se expande a África) están propagando enfermedades y superando los laboratorios de eliminación de los insectos.
]Vuelas invasivas de frutas: La drosophila de punta (]Drosophila suzukii ) causa enormes pérdidas en cultivos de fruta blanda. Los impulsos genéticos podrían reducir las poblaciones de plagas sin necesidad de insecticidas de amplio espectro.
Pescado invasivo y ranas: El carpa común y el sapo son objetivos para el desarrollo futuro de la unidad, aunque persisten obstáculos técnicos como tiempos de generación más largos y genomas complejos.

Estudio de caso: Iniciativa 2050 libre de predadores en Nueva Zelandia

Nueva Zelanda ha establecido un ambicioso objetivo para erradicar ratas invasivas, tacos y zarigüeyas para 2050. Los impulsos genéticos se están explorando como una herramienta potencial para complementar los métodos de control existentes. Investigadores de la Universidad de Otago y AgResearch están desarrollando un impulso de genes del ratón que hace que la relación sexual con los hombres, que podría colapsar efectivamente las poblaciones de las islas.

Ventajas de la Erradicación Basada en Gene Drive

Especificación de las especies: Porque el impulso apunta una secuencia de ADN única a las especies invasivas, organismos nativos que carecen de esa secuencia no son afectados.Esto contrasta con los plaguicidas químicos, que a menudo perjudican a insectos, polinizadores y organismos del suelo beneficiosos.
Medidas autosuficientes: Una vez liberadas, una unidad se extiende y amplifica por sí sola, requiriendo sólo una (o unas pocas) liberaciones, lo que elimina la necesidad de aplicaciones repetidas y los costos logísticos asociados.
La eficacia en función del presupuesto con el tiempo: La inversión inicial en investigación y desarrollo es alta, pero el costo a largo plazo por erradicación puede ser mucho menor que los métodos convencionales, especialmente para las zonas grandes o remotas.
Humanidad y bienestar: Las unidades de supresión que causan infertilidad o fenotipos letales en el desarrollo temprano pueden considerarse más humanas que el envenenamiento, que a menudo causan sufrimiento prolongado.
Potencial para los resultados permanentes: Un impulso bien diseñado puede eliminar a la población objetivo, evitando la reinvasión y evitando la necesidad de un control continuo.

Problemas y consideraciones éticas

A pesar de la promesa, los impulsos genéticos presentan profundos desafíos técnicos, ecológicos y éticos que deben abordarse antes de cualquier uso de campo.

Hurdles técnicos

Evolución de resistencia: El obstáculo más importante es el rápido surgimiento de los alelos de resistencia. Si el corte CRISPR-Cas9 ocurre en una región que tolera mutaciones, los individuos con una secuencia resistente pueden sobrevivir y pasar por la resistencia. Los impulsos deben diseñarse para apuntar regiones genómicas altamente conservadas y esenciales, y a menudo utilizan múltiples gRNAs para reducir la probabilidad de escape.
Inestable: La expresión Cas9 y GRNA se pueden silenciar con el tiempo, o el elemento de conducción se puede perder mediante la recombinación.
Costos de la fisura: Cualquier sanción de la aptitud impuesta por el propio impulso (por ejemplo, debido a los efectos no deseados o a la toxicidad de Cas9) puede frenar su propagación o incluso evitar que alcance el umbral necesario para el colapso de la población.
Contenimiento en organismos no-objetivos: Aunque las unidades pueden ser transferencias de genes horizontales a otras especies (por ejemplo, a través de zonas híbridas o vectores virales) es una teórica, aunque de baja probabilidad, riesgo que requiere una mitigación cuidadosa.

Riesgos ecológicos

cascadas tróficas indeseadas: La eliminación de una especie invasiva de piedra clave podría provocar cambios impredecibles en el ecosistema. Por ejemplo, eliminar una especie invasiva roedora podría causar que la población de presa explote, o la disminución del roedor podría permitir que otras especies invasivas se deten.
Pase más allá de los límites de destino: Incluso si el impulso está destinado a una población de islas, el transporte accidental de individuos (por ejemplo, a través del movimiento humano) podría introducir el impulso a una población continental, con consecuencias desconocidas.
Imponerse en la diversidad genética: Un impulso de supresión que reduce a una población a números muy bajos podría causar un cuello de botella, erosionando la diversidad genética en la población nativa si la especie objetivo no se elimina por completo.

Cuestiones éticas y de gobernanza

Consentimiento y compromiso: La liberación de un impulso genético es un tema transfronterizo. Requiere un amplio consenso entre naciones, grupos indígenas y comunidades locales que puedan verse afectadas. En el caso de la erradicación invasiva de especies en las islas, la jurisdicción es a menudo clara, pero para objetivos continentales, el marco ético es mucho más complejo.
Principio preventivo vs. urgencia: Algunos argumentan que los beneficios ecológicos potenciales justifican los riesgos, mientras que otros exigen que no se libere ninguna unidad hasta que se estudie cada contingencia posible, que puede tardar décadas.
Precedent for genetic modification of wild populations: Los discos genéticos serían la primera liberación intencional de los organismos autopropagados genéticamente modificados (OMG) en el medio ambiente, lo que dificulta los marcos regulatorios existentes de los OGM, diseñados para versiones estacionarias o contenidas.
Preocupaciones de usos corporales: La misma tecnología que podría erradicar una especie invasiva podría reutilizarse para dañar una especie beneficiosa o incluso una población humana, elevando las consideraciones de seguridad nacional.

“El poder de las unidades de genes trae consigo una obligación moral de proceder con humildad, transparencia y un compromiso inquebrantable con la seguridad. No debemos dejar que la urgencia de la crisis de las especies invasivas nos lleve a atajos que socavan la confianza pública.” — Dr. Kevin Esvelt, MIT Gene Drive Researcher

Marco normativo y de seguridad

Recognizing the potential and the risks, multiple international bodies have begun to develop guidelines for gene drive research. The Convention on Biological Diversity (CBD) has discussed gene drives undersu Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología, y en 2018 se propuso una moratoria sobre las liberaciones de campo y se ven reducidas. En cambio, se aprobó un llamado a evaluaciones de riesgo de riesgo de causa por caso. U.S. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine publicó un informe completo en 2016 en el que se esbozaba una vía para el desarrollo responsable de los vectores.

Varios organismos de financiación y consorcios de investigación, como el Gene Drive Research Consortium] y Target Malaria, han asumido públicamente el compromiso de abrirse y desarrollar “daisy-chain” u otros autolimitadores que no pueden persistir indefinidamente.Estos incluyen unidades divididas, donde los componentes están separados en unidades de herencia

Future Directions and Emerging Technologies

El campo está evolucionando rápidamente. Las unidades genéticas de segunda generación están diseñadas para superar el problema de resistencia mediante múltiples variantes Cas9, dirigidas a secuencias altamente repetitivas, o incorporando elementos de “cargo” que suprimen activamente la resistencia. Además, el “daisy-chain” sintético impulsa la división del sesgo hereditario en múltiples loci genómicos, por lo que el sesgo es sólo eficaz para un número controlado de generaciones, haciéndolos reversible y más seguro para las liberaciones experimentales.

También se están desarrollando enfoques alternativos como los sistemas de “control de plagas basados en el género utilizando los sistemas de antidoto de la toxina o “sustitución de población autolimitada” que no causan colapso de la población sino que se extienden un gen neutral o beneficioso, que más tarde puede ser revertido al detener la liberación del impulso.

El aprendizaje de máquinas y el modelado ecológico están desempeñando un papel cada vez más importante en la predicción de los resultados de la unidad. Al simular cientos de miles de escenarios evolutivos, los investigadores pueden identificar los diseños de impulso más robustos y los sitios de destino más vulnerables, reduciendo drásticamente el trabajo de laboratorio requerido.

Conclusión: Una herramienta, no una panacea

Las unidades genéticas basadas en CRISPR representan un cambio de paradigma en nuestra capacidad de gestionar especies invasivas. Ofrecen la posibilidad de erradicar a algunos de los invasores más dañinos del mundo con precisión quirúrgica y mínimo daño colateral. Sin embargo, las mismas propiedades que los hacen poderosos - autopropagación, persistencia y potencial para alta eficacia - también demandan extrema precaución. La tecnología no está todavía lista para la aplicación de campo, y los objetivos de genes inadecuados

En última instancia, el éxito y la ética de las unidades de genes dependerá del diálogo público sostenido, inclusivo, la supervisión científica rigurosa y un reconocimiento claro de que ninguna tecnología puede sustituir estrategias más amplias de prevención, detección temprana y restauración del hábitat. A medida que los cambios climáticos y el comercio mundial continúan recortando especies a través de las fronteras, la necesidad de soluciones innovadoras nunca ha sido mayor.