Specie invasiva: una crisi ecologica crescente

Le specie invasive sono organismi non nativi che, quando sono stati presentati a nuovi ambienti, causano danni all'economia, all'ambiente o alla salute umana. Ora sono riconosciuti come uno dei primi cinque driver della perdita di biodiversità globale, accanto alla distruzione di habitat, sovrasfruttamento, inquinamento e cambiamento climatico. Il costo economico è in aumento: uno studio del 2021 in ]Nature[FLT: 1400] stima che le specie a costo globale invas

Ecologicamente, gli invasivi degradano gli habitat nativi, l'outcompete o la preda sulle specie native, introducono le malattie e disgregano i servizi ecosistemici. Esempi classici includono il serpente a albero bruno a Guam, che ha sradicato la maggior parte degli uccelli selvatici dell'isola; le cozze zebra nei corsi d'acqua nordamericani, che coprono l'infrastruttura e alterano le reti di cibo acquatiche; e la maggior parte delle canne in Australia, che avvelenano in Australia, che avvelenano le specie native predatori in cui sono state coinvolte.

I metodi di controllo tradizionali, il contatto, la trapping, la sparatoria, il controllo biologico (introdurre i nemici naturali), e la gestione dell'habitat, possono essere efficaci ma devono affrontare gravi limitazioni. I pesticidi chimici spesso danneggiano le specie non target, causano la contaminazione ambientale e possono portare alla resistenza.

Cosa sono i sistemi di trasmissione di Gene?

I sistemi di azionamento genetico sono elementi genetici che hanno un'eredità bias in modo che un tratto particolare si diffonda attraverso una popolazione più veloce di quanto si possa verificare sotto la normale eredità mendelica. In genetica mendelica, una variante genica (allele) ha una probabilità del 50% di essere passata dal genitore alla prole. Un'unità genica può aumentare questa probabilità fino al 100%, assicurando che la modifica genetica desiderata venga passata praticamente a tutte le prole, anche se riduce il fitness dell'organismo in altri modi.

Il meccanismo di base si basa su una nucleasi specifica della sequenza (come CRISPR-Cas9) che è integrata nel genoma insieme a un carico utile desiderato (ad esempio, un gene che conferisce infertilità). Durante la riproduzione, la nucleasi taglia il cromosoma omologo in un determinato sito.

Le unità genetiche possono essere progettate per scopi diversi: la soppressione della popolazione (riduzione o eliminazione di una specie), la modifica della popolazione (alterando un tratto, come la fabbricazione di zanzare resistenti ad un patogeni), o anche inversione di tratti ingegnerizzati (unità di retro). La tecnologia è stata dimostrata per la prima volta con successo in Drosophila]]] nel 2015 e da allora è stata mostrata al lavoro in mischi di laboratorio.

Componenti chiave di un'unità di generazione

  • CRISPR-Cas9 nucleasi:[ Le “forbici molecolari” che tagliano il DNA ad una specifica sequenza di destinazione.
  • Guida RNA (gRNA):] Dirige la nucleasi al locus di destinazione nel genoma.
  • Payload:[] La modifica genetica desiderata da diffondere (ad esempio, un gene di sterilità).
  • Promotori:[] Sequenze regolamentari che controllano l'espressione della nucleasi e del carico di paga.

I ricercatori stanno sviluppando anche “azionamenti split”, “azionamenti a catena secca”, e “sistemi di sottodominio” che offrono un controllo più fine e un rischio ecologico potenzialmente ridotto, che mirano a limitare la diffusione a una popolazione mirata o a rendere l’auto-limitante nel tempo.

Come Gene Drives può combattere le specie invasive

Le unità genetiche sono ideali per il controllo delle specie invasive perché possono propagare un tratto deleterio attraverso una popolazione senza dover ripetere l'intervento umano. L'obiettivo è quello di sopprimere la popolazione (ridurre i suoi numeri al di sotto di una soglia di danno o portarla all'estinzione locale) o di modificare la popolazione (ad esempio, renderla meno dannosa).

Per le specie invasive, l'applicazione più comunemente discussa è la soppressione con le unità di sterilità femminile. Disturbando un gene essenziale per la fertilità femminile o la fattibilità, l'unità può causare un crash della popolazione. Poiché i maschi non sono tipicamente direttamente danneggiati, continuano ad accoppiarsi e trasmettere l'unità, esercitando un forte effetto soppressore. I modelli matematici suggeriscono che un'unità genica ben progettata può eliminare una popolazione isolata di una molecola di un topo invasquito meno di 20 generazioni.

Obiettivi prioritari per le unità di generazione

  • [LTT:0] I roditori invasivi delle isole: I ratti e i topi sono tra le più distruttive invasivi delle isole, causando estinzioni di uccelli marini, rettili e piante. L'eradicazione tradizionale usando i rodentici è possibile su piccole isole disabitate, ma è costoso, logisticamente impegnativo e pericoloso per la fauna non-target.
  • Le zanzare invasive ] Mentre la maggior parte delle ricerche di zanzare si concentra sulla soppressione dei vettori di malattia (ad esempio, Anopheles gambiae per la malaria, le zanzare invasive come
  • Pesce invasivo:[] Nei sistemi d'acqua dolce, i pesci invasivi come la carpa comune ([[[Cyprinus carpio[[]]]) hanno decimato le comunità di pesci nativi in Nord America e Australia.
  • I parassiti agricoli invasivi:[] Il telo dell'esercito fallito ([[]]], una falena nativa delle Americhe, invase l'Africa nel 2016 e l'Asia nel 2018, causando perdite di colture maggiori.
  • Invasive plants:[] L'ingegneria genetica offre possibilità di sopprimere le piante invasive, ad esempio, mirando ai geni necessari per la produzione di semi o per la vitalità del polline. Tuttavia, il gene vegetale fa fronte ad ostacoli aggiuntivi a causa di poliploidi, genoma complessi, e la difficoltà di ingegneria unità stabili in molte specie vegetali.

Studi di casi nello sviluppo

Controllo del mouse sulle isole

La conservazione dell'isola fornisce il caso di uso più avvincente a breve termine per le unità genetiche. Molte specie di uccelli marini minacciati dipendono dalle isole prive di predatori da allevare. La rimozione dei roditori invasivi è stata dimostrata per innescare un rapido recupero dell'ecosistema, ma le tecniche attuali sono limitate.

Suppressione della zanzara nel laboratorio

Nel 2018, gli scienziati dell'Imperial College di Londra hanno riferito un gene drive basato su CRISPR in Anopheles gambiae che si diffuse con l'eredità super-mendelian e ha causato l'infertilità femminile al 100% quando entrambe le copie del gene target sono state interrotte.

Sfide e rischi

Nonostante la promessa, la tecnologia di impulso genico affronta ostacoli significativi prima che possa essere implementata in natura.

Sfide tecniche

  • Evoluzione della resistenza:[ L'ostacolo tecnico più grave è l'evoluzione della resistenza. Quando la nucleasi taglia un cromosoma, il processo di riparazione può a volte introdurre mutazioni al sito di destinazione che impediscono il taglio futuro, rendendo l'unità inefficace.
  • Efficienza e stabilità del motore:[] Non tutti gli azionamenti raggiungono il valore desiderato dell'eredità al 100%. Effetti off-target, mutazioni non volute e copia incompleta possono ridurre la diffusione dell'unità.
  • Contenimento e confinamento:[ Per la ricerca di laboratorio, il contenimento fisico (ad esempio, gli insetti, le strutture di roditore sicure) è essenziale per prevenire il rilascio accidentale. Molti laboratori hanno costruito più barriere, ma possono verificarsi incidenti. L'NIH e altri organismi di finanziamento richiedono rigorosi protocolli di valutazione del rischio e di contenimento per gli esperimenti di unità geniche.

Rischi ecologici

  • Impatti non voluti sulle specie non target: Un gene drive progettato per sopprimere una specie invasiva potrebbe potenzialmente diffondersi ad un congenere nativo (pecie correlate) tramite ibridazione o flusso genico. Questa è una particolare preoccupazione per roditori e pesci, dove le specie correlate possono essere simpatrico.
  • Disturbo ecosistema:[] Anche se la specie bersaglio è sradicata, le conseguenze ecologiche possono essere complesse. La rimozione di una specie invasiva potrebbe innescare invasioni secondarie, cascate trofiche o altri cambiamenti imprevedibili.
  • Spread oltre l'area prevista:[ Le unità genetiche sono progettate per diffondersi, e se rilasciate in un'area, potrebbero potenzialmente spostarsi verso altre popolazioni o paesi attraverso il trasporto naturale o umano.

Sfide etiche e di governo

  • Consenso e decisione:[] Chi decide se rilasciare un'unità genica che potrebbe influenzare un'intera regione o specie? La gestione delle specie invasive spesso coinvolge più stakeholder, tra cui comunità indigene, residenti locali, organizzazioni di conservazione e governi.
  • Le considerazioni morali di sradicare una specie: Anche quando la specie è invasiva, causando deliberatamente la sua estinzione solleva questioni etiche. Alcuni sostengono che abbiamo la responsabilità di proteggere la biodiversità nativa, che può giustificare l'eliminazione. Altre avvertenze contro azioni irreversibili e la perdita di potenziale valore della specie nella sua gamma nativa.
  • I framework regolamentari: La maggior parte dei paesi non hanno ancora sviluppato regolamenti specifici per le unità geniche. Il Protocollo Cartagena sulla Biosicurezza e altri accordi internazionali forniscono una certa guida, ma sono stati creati prima che le unità geniche fossero una prospettiva realistica.
  • Dual-use concerns: The same technology that can suppress invasive species couldpotentially be used maliciously to harm agriculture or ecosystems. Safeguards, such as designing drives that are self-limiting or require specific conditions to function, are being explored.

Prospettive e percorsi futuri per una distribuzione sicura

The field of gene drive research is advancing rapidly, driven by improvements in genome editing, synthetic biology, and ecological modeling. Several key milestones are needed before field trials can proceed.

Approccio di fase alla prova di campo

I ricercatori sostengono un processo di valutazione graduale: studi di laboratorio con alto contenimento → prove a campo aperto controllate in aree isolate (ad esempio, piccole isole) → spiegamenti monitorati. L'uso di azionamenti reversibili o auto-limitanti può servire come primo passo per ridurre il rischio.

Miglioramento della valutazione della modellazione e del rischio

Modelli computazionali che integrano genetica della popolazione, ecologia e comportamento aiutano a prevedere la diffusione dell'unità, la resistenza potenziale e i risultati ecologici. Questi modelli stanno diventando più sofisticati e possono incorporare dati spaziali, schemi di accoppiamento e variabilità ambientale.

Impegno e governo

I progetti come Target Malaria]] hanno stabilito i precedenti lavorando a stretto contatto con le comunità in Africa, fornendo informazioni, sollecitando feedback e ottenendo il consenso.

Nel 2018, il CBD ha adottato una decisione che richiede un approccio precauzionale per gli organismi di azionamento genico e ha esortato che “ogni rilascio di organismi contenenti unità geniche ingegnerizzate nell’ambiente dovrebbe essere soggetto a una valutazione approfondita del rischio” (L’Unione Africana e l’Unione Europea hanno anche rilasciato dichiarazioni che sostengono un’attenta regolamentazione) e, come la ricerca si muoverà più vicino al campo, le decisioni nazionali comprendono.

Conclusioni

I sistemi di azionamento genetico rappresentano un cambiamento di paradigma nella nostra capacità di gestire le specie invasive. Attraverso l'eredità di diffondere un tratto attraverso una popolazione, offrono la possibilità di un controllo altamente mirato, efficiente e umano, soprattutto per gli ecosistemi isolati in cui i metodi tradizionali cadono a corto. La tecnologia si basa sulla potenza rivoluzionaria di CRISPR e viene testata in laboratori di tutto il mondo.

Tuttavia, il percorso di una distribuzione sicura è ripida: gli ostacoli tecnici come l'evoluzione della resistenza, le incertezze ecologiche e le profonde questioni etiche e di governance rimangono irrisolti. Lo sviluppo responsabile delle unità geniche richiederà un investimento sostenuto nella ricerca, una valutazione del rischio robusto, un dialogo pubblico trasparente e una cooperazione internazionale.

Altre letture: Accademie nazionali di scienze, ingegneria e relazione di medicina sulle unità geniche; progetto Target Malaria; partenariato GBIRd; e la Convenzione sulle decisioni della diversità biologica sulla biologia sintetica.

Rapporto sulle Accademie nazionali [[FLT:]]] | ] Progetto di Malattia di Chirurgia[ | Biocontrollo genetico dei roditori invasivi (GBIRd)]]