Introduzione: La crisi delle specie invasive

Le specie invasive sono tra i più devastanti driver della perdita di biodiversità globale, che costano centinaia di miliardi di dollari all'anno e che spingono le specie native verso l'estinzione. Dal serpente a albero bruno in Guam al toad della canna in Australia, questi organismi non graditi disgregano i servizi ecosistemici, alterano i regimi di fuoco e la diffusione delle malattie emergenti.

Cosa sono le unità Gene basate su CRISPR?

I geni basati su CRISPR sono elementi genetici progettati per ereditare il bias in modo che un allele specifico - la variante di un gene - sia passato a quasi tutti i prole, piuttosto che il 50% Mendelian. Essi lo ottengono sfruttando il sistema CRISPR-Cas9: un RNA guida dirige l'enzima Cas9 per tagliare il cromosomico di tipo selvaggio in un sito specifico, e la cellula' riparazione macchine copie del cromo

Componenti chiave di un'unità di generazione

  • CRISPR-Cas9 system:[ Le forbici molecolari che tagliano la sequenza del DNA di destinazione.
  • Guida RNA (gRNA):[] Una breve molecola di RNA che dirige Cas9 alla precisa posizione genomica da tagliare.
  • Geni di Cargo:[] Eventuali sequenze genetiche aggiuntive che conferiscono un tratto desiderato, come un gene che causa infertilità femminile o un marcatore fluorescente per il monitoraggio.
  • Bracci di omologazione:[] sequenze di DNA che fiancheggiano il Cas9 e il gRNA che permettono alla cellula di copiare l'unità nel cromosoma rotto.

Il primo test di codecisione per un gene drive basato su CRISPR è stato dimostrato nel 2015 in mosche di frutta ([[[Drosophila melanogaster[[[]), dove i ricercatori hanno raggiunto quasi il 100% di eredità di un allele di trasmissione.

Come funziona Gene Drives per l'eradicazione delle specie invasive?

La strategia per l'utilizzo di unità genetiche contro le specie invasive cade in genere in due categorie: soppressione della popolazione o modifica della popolazione. In unità di soppressione, il gene di carico riduce l'uscita riproduttiva dell'organismo o la sopravvivenza dell'organismo bersaglio, causando la popolazione a declino e potenzialmente collasso. Ad esempio, un'unità può essere progettata per interrompere lo sviluppo embrionale, causare la sterilità femminile, o bias il rapporto sessuale in modo che poche o non femmine siano prodotte.

Nella modifica della popolazione, l'unità porta un gene che rende l'organismo meno dannoso, ad esempio, rendendo i topi invasivi resistenti a un patogenio che trasportano, o rendendo le piante invasive meno competitive.

Passos nella progettazione di un drive di soppressione per una specie invasiva

  1. Selezione del regolamento:[] Identificare un gene o una regione genomica che, quando disturbata, provoca un forte costo di fitness (ad esempio, un gene di determinazione sessuale, un fattore di fertilità o un gene essenziale dello sviluppo).
  2. Costruzione di un drive:[]] Assemblare la cassetta di espressione CRISPR-Cas9, gRNA che mira al locus scelto e alle braccia omeologiche del genoma della specie.
  3. Test di lavoro:[] Introdurre l'unità in colonie di laboratorio e misurare i tassi di eredità, gli effetti di fitness e la stabilità su molte generazioni.
  4. Modellazione di simulazione:[[]] Utilizzare modelli computazionali per prevedere come l'unità si diffonderà in diversi scenari di rilascio, tra cui varie frequenze iniziali, tassi di migrazione e la presenza di alleli di resistenza.
  5. Prova di prova sul campo:[] Test in ambienti fisicamente o ecologicamente isolati (ad esempio, isole remote, grandi gabbie) per convalidare modelli e valutare le interazioni ecologiche prima di qualsiasi rilascio aperto.

Il progresso reale comprende un impulso “femmina fertilità” che mira alla zanzara della febbre gialla (Aedes aegypti[]) e un “ ratio sessuale” drive progettato per la mosca di frutta invasiva Drosophila suzukii]].

Applicazioni in Eradicazione delle specie invasive

Le applicazioni più promettenti di unità geniche per l'eradicazione si concentrano su popolazioni isolate, come quelle sulle isole, dove il rischio di diffondersi oltre l'area di destinazione è minimo. Le isole sono punti caldi per gli impatti delle specie invasive e offrono anche confini naturali che rendono il contenimento più fattibile.

Obiettivo Specie sotto indagine attiva

  • Invasivi roditori (ratti, topi): I roditori sono stati introdotti a oltre l’80% dei gruppi isolani del mondo e sono responsabili di numerose estinzioni. I metodi di eradicazione attuali si basano su gocce di esca tossica, che sono costose, non selettive specie alternative e possono danneggiare le specie non target autoctone.
  • Le specie come Aedes albopictus[] (Squito della tigre asiatica) e Anopheles stephensi] (La malaria asiatica sta sviluppando il laboratorio di analisi in Africa) sono malattie avanzate e disordini.
  • La drosofila (] causa enormi perdite nelle colture di frutta morbida. Le unità genetiche potrebbero ridurre le popolazioni di parassiti senza la necessità di insetticidi ad ampio spettro.
  • Pesce e rane invasive:[] La carpa comune e il rospo di canna sono obiettivi per lo sviluppo futuro del drive, anche se gli ostacoli tecnici come i tempi di generazione più lunghi e genoma complessi rimangono.

Case study: L'iniziativa neozelandese Predator-Free 2050

La Nuova Zelanda ha fissato un obiettivo ambizioso per sradicare i ratti invasivi, le stoat e i possum entro il 2050. Le unità genetiche sono esplorate come strumento potenziale per integrare i metodi di controllo esistenti. I ricercatori dell'Università di Otago e AgResearch stanno sviluppando un'unità genica del mouse che fa scorrere il rapporto sessuale verso i maschi, che potrebbe effettivamente crollare le popolazioni dell'isola.

Vantaggi dell'eradicazione basata su Gene Drive

  • Species specificity:[] Poiché l'unità mira ad una sequenza del DNA unica per le specie invasive, organismi nativi che non hanno alcuna influenza su quella sequenza, che contrasta con i pesticidi chimici, che spesso danneggiano insetti benefici, impollinatori e organismi del suolo.
  • Azione di auto-susuring:[] Una volta rilasciato, un'unità si diffonde e amplifica da sola, richiedendo solo una (o poche) releases, eliminando così la necessità di applicazioni ripetute e i costi logistici associati.
  • L'efficacia dei costi nel tempo: L'investimento iniziale nella ricerca e nello sviluppo è alto, ma il costo a lungo termine per l'eradicazione può essere molto inferiore ai metodi convenzionali, soprattutto per le aree grandi o remote.
  • L'umanità e il benessere:[ Le spinte di soppressione che causano infertilità o fenotipi letali in fase di sviluppo precoce possono essere considerate più umane che avvelenamento, che spesso causa una sofferenza prolungata.
  • Potential per risultati permanenti:[ Un'unità ben progettata può eliminare la popolazione target, impedendo la reinvasione e l'obviazione della necessità di un controllo continuo.

Sfide e considerazioni etiche

Nonostante la promessa, i geni presentano profonde sfide tecniche, ecologiche ed etiche che devono essere affrontate prima di qualsiasi uso del campo.

Hurds tecnico

  • Evoluzione della resistenza:[ L'ostacolo più significativo è la rapida apparizione di alleli di resistenza. Se il taglio CRISPR-Cas9 si verifica in una regione che tollera mutazioni, gli individui con una sequenza resistente possono sopravvivere e passare sulla resistenza.
  • Instabilità del motore:[ L'espressione Cas9 e gRNA possono essere silenziosamente disattivati, o l'elemento di azionamento può essere perso attraverso la ricombinazione.
  • Costi di fortuna:[] Qualsiasi penalità di fitness imposta dall'unità stessa (ad esempio, a causa di effetti off-target o di tossicità Cas9) può rallentare la sua diffusione o addirittura impedirgli di raggiungere la soglia necessaria per il crollo della popolazione.
  • Contenimento in organismi non target:[ Sebbene le unità possano essere specifico-specifico, trasferimento di geni orizzontali ad altre specie (ad esempio, tramite zone ibride o vettori virali) è un rischio teorico, anche se a bassa probabilità, che richiede una attenta mitigazione.

Rischi ecologici

  • Cacche trofee non volute:[] La rimozione di una specie invasiva chiave potrebbe innescare cambiamenti imprevedibili nell'ecosistema. Ad esempio, l'eliminazione di una specie invasiva roditrice potrebbe causare l'esplosione di popolazioni prede, o il declino del roditore potrebbe consentire ad altre specie invasive di prendere possesso.
  • Spread oltre i confini di destinazione:[ Anche se l'unità è destinata a una popolazione isolana, il trasporto accidentale di persone (ad esempio, attraverso il movimento umano) potrebbe introdurre l'unità a una popolazione continentale, con conseguenze sconosciute.
  • Impatto sulla diversità genetica:[] Un'unità di soppressione che riduce una popolazione a numeri molto bassi potrebbe causare un collo di bottiglia, erosiva la diversità genetica nella popolazione nativa se la specie di destinazione non è completamente eliminata.

Questioni etiche e di governo

  • Consenso e impegno:[] Il rilascio di un'unità genica è un problema transfrontalico. Richiede un ampio consenso tra le nazioni, i gruppi indigeni e le comunità locali che possono essere interessate. Nel caso di eradicazione delle specie invasive sulle isole, la giurisdizione è spesso chiara, ma per gli obiettivi continentali, il quadro etico è molto più complesso.
  • Principio precauzionale contro il bisogno urgente:[ Alcuni sostengono che i potenziali benefici ecologici giustificano i rischi, mentre altri chiedono che non venga rilasciato alcun mezzo finché ogni possibile contingenza venga studiata, che può richiedere decenni.
  • Precedente per la modifica genetica delle popolazioni selvatiche:[] Le unità genetiche sarebbero la prima liberazione intenzionale di organismi geneticamente modificati (OGM) autopropaganti nell'ambiente.
  • Dual-use preoccupazioni:[] La stessa tecnologia che potrebbe sradicare una specie invasiva potrebbe essere riadattata per danneggiare una specie benefica o anche una popolazione umana, sollevando considerazioni di sicurezza nazionale.
“Il potere delle unità geniche porta con sé un obbligo morale di procedere con umiltà, trasparenza e un impegno inaspettato alla sicurezza. Non dobbiamo lasciare che l’urgenza della crisi delle specie invasive ci spinga a scorciatoie che minano la fiducia pubblica.” — Dr. Kevin Esvelt, MIT Gene Drive Researcher

Quadri normativi e di sicurezza

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 underIl suo progetto di Cartagena Protocol sulla Biosicurezza, e nel 2018 è stato proposto e ridotto il rilascio di una moratoria sul campo. Invece, è stata adottata una chiamata per “valutazioni precauzionali, caso per caso di rischio” .

Diversi enti di finanziamento e consorzi di ricerca, come il Gine Drive Research Consortium e Target Malaria[], hanno pubblicamente impegnato l'apertura e lo sviluppo di “daisy-chain” o di altri auto-limitanti che non possono persistere indefinitamente.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

I geni di seconda generazione sono progettati per superare il problema della resistenza utilizzando più varianti Cas9, mirando a sequenze altamente ripetitive, o incorporando elementi “cargo” che sopprimano attivamente la resistenza. Inoltre, i drive sintetici “daisy-chain” divideranno l’eredità in più loci genomici, quindi il pregiudizio è efficace solo per un numero controllato di generazioni, rendendoli reversibili e più sicuri per i rilasci sperimentali.

Gli approcci alternativi come il “controllo dei parassiti basato sul gene usando tossina-antidoto[[]] sistemi” o “auto-limitante sostituzione della popolazione” sono anche in fase di sviluppo, che non causano il crollo della popolazione, ma piuttosto diffondono un gene neutro o benefico, che può essere invertito impedendo il rilascio dell’unità.

L'apprendimento automatico e la modellazione ecologica stanno svolgendo un ruolo sempre più importante nella predizione dei risultati delle unità. simulando centinaia di migliaia di scenari evolutivi, i ricercatori possono identificare i progetti di unità più robusti e i siti di destinazione più vulnerabili, riducendo drasticamente il lavoro di laboratorio richiesto.

Conclusione: Uno strumento, Non una Panacea

Le unità gene basate su CRISPR rappresentano un cambiamento di paradigma nella nostra capacità di gestire le specie invasive. Offrono la possibilità di sradicare alcuni degli invasori più dannosi del mondo con precisione chirurgica e danni collaterali minimi. Tuttavia, le stesse proprietà che li rendono potenti - autopropagazione, persistenza e potenziale di alta efficacia - richiedono anche estrema cautela. La tecnologia non è ancora pronta per l'applicazione sul campo, e potrebbe mai essere appropriato per tutti i metodi convenzionali di riduzione di riduzione del contesto

In definitiva, il successo e l'etica distribuzione di geni dipenderà dal dialogo pubblico sostenuto, inclusivo, dalla rigorosa supervisione scientifica, e da un chiaro sguardo al riconoscimento che nessuna tecnologia può sostituire le strategie più ampie di prevenzione, di rilevamento precoce e di ripristino dell'habitat.

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