So this is a talk about gene drives, but I'm going to start by telling you a brief story. 20 years ago, a biologist named Anthony James got obsessed with the idea of making mosquitos that didn't transmit malaria.
Előadásom témája az önző gén, de előbb elmesélek egy rövid történetet. 20 éve Anthony James biológust megszállta a gondolat, hogy olyan szúnyogokat állítson elő, amelyek nem terjesztik a maláriát.
It was a great idea, and pretty much a complete failure. For one thing, it turned out to be really hard to make a malaria-resistant mosquito. James managed it, finally, just a few years ago, by adding some genes that make it impossible for the malaria parasite to survive inside the mosquito.
Ragyogó ötlet volt, és szinte teljes kudarc. Egyfelől, kiderült, hogy elég nehéz maláriának ellenálló szúnyogot létrehozni. Jamesnek idővel – csak pár éve – ez úgy sikerült, hogy a maláriaélősködők életben maradását akadályozó géneket juttatott be a szúnyogba.
But that just created another problem. Now that you've got a malaria-resistant mosquito, how do you get it to replace all the malaria-carrying mosquitos? There are a couple options, but plan A was basically to breed up a bunch of the new genetically-engineered mosquitos release them into the wild and hope that they pass on their genes. The problem was that you'd have to release literally 10 times the number of native mosquitos to work. So in a village with 10,000 mosquitos, you release an extra 100,000. As you might guess, this was not a very popular strategy with the villagers.
De ebből egy másik gond keletkezett. Most, hogy megvolt a maláriának ellenálló szúnyog, hogyan érhetjük el, hogy a maláriahordozó szúnyog helyébe lépjen? Több lehetőség van rá. Az A terv szerint kitenyésztünk egy csomó, génsebészetileg létrehozott új szúnyogot, szabadon engedjük őket, s reménykedünk, hogy génjeiket továbbadják. Az volt a bökkenő, hogy ennek elérésére a meglévőknél pont tízszer több szúnyogot kellene szabadon engedni. A faluban meglévő 10 000 szúnyog mellé még százezret kiengedni? Képzelhetik, hogy a falusiaknak nagyon nem tetszett a stratégia.
(Laughter)
(Nevetés)
Then, last January, Anthony James got an email from a biologist named Ethan Bier. Bier said that he and his grad student Valentino Gantz had stumbled on a tool that could not only guarantee that a particular genetic trait would be inherited, but that it would spread incredibly quickly. If they were right, it would basically solve the problem that he and James had been working on for 20 years.
Aztán, 2015 januárjában Anthony James kapott egy emailt Ethan Bier biológustól. Bier azt írta, hogy ő és Valentino Gantz, a végzős diákja rábukkant egy eszközre, amely nemcsak azt garantálja, hogy egy bizonyos genetikai jellegzetesség öröklődjön, hanem elképesztő gyorsaságú terjedését is. Ha igazuk van, a probléma, amelyen ő és James már 20 éve dolgoznak, meg van oldva.
As a test, they engineered two mosquitos to carry the anti-malaria gene and also this new tool, a gene drive, which I'll explain in a minute. Finally, they set it up so that any mosquitos that had inherited the anti-malaria gene wouldn't have the usual white eyes, but would instead have red eyes. That was pretty much just for convenience so they could tell just at a glance which was which.
Ellenőrzésként két szúnyogba bejuttatták a maláriaellenes gént, és az új eszközt, az önző gént is. Az önző gént rögtön elmagyarázom. Úgy intézték, hogy bármely szúnyog, amely maláriaellenes gént örökölt, nem fehér szemű, mint rendesen, hanem vörös szemű lett. Ezt főként kényelmi szempontból tették, hogy ránézésre el tudják dönteni, melyik milyen.
So they took their two anti-malarial, red-eyed mosquitos and put them in a box with 30 ordinary white-eyed ones, and let them breed. In two generations, those had produced 3,800 grandchildren. That is not the surprising part. This is the surprising part: given that you started with just two red-eyed mosquitos and 30 white-eyed ones, you expect mostly white-eyed descendants. Instead, when James opened the box, all 3,800 mosquitos had red eyes.
Fogtak tehát két vörös szemű maláriaellenes szúnyogot, berakták őket egy dobozba másik 30, fehér szemű mellé, s hagyták őket szaporodni. Két nemzedék alatt ezek 3800 unokát hoztak létre. De nem ez a meglepő! A meglepő rész a következő: feltéve, hogy csak két vörös szemű szúnyoggal s 30 fehér szeművel kezdtünk, többségében fehér szemű utódokra számítanának. Mikor James kinyitotta a dobozt, mind a 3800 szúnyog vörös szemű volt.
When I asked Ethan Bier about this moment, he became so excited that he was literally shouting into the phone. That's because getting only red-eyed mosquitos violates a rule that is the absolute cornerstone of biology, Mendelian genetics. I'll keep this quick, but Mendelian genetics says when a male and a female mate, their baby inherits half of its DNA from each parent. So if our original mosquito was aa and our new mosquito is aB, where B is the anti-malarial gene, the babies should come out in four permutations: aa, aB, aa, Ba. Instead, with the new gene drive, they all came out aB. Biologically, that shouldn't even be possible.
Amikor Ethan Biert erről kérdeztem, olyan izgatott lett, hogy úgyszólván üvöltözött a telefonba. Azért, mert ha csak vörös szemű szúnyogunk van, ez kikezdi a mendeli öröklési szabályokat, azaz a biológia talpkövét. Dióhéjban a lényeg. A mendeli genetika szerint amikor a hím s a nőstény párosodik, az utód mindkét szülője DNS-ének felét örökli. Tehát, ha eredeti szúnyogunk <i>aa</i> volt, és az új szúnyogunk <i>aB</i>, ahol <i>B</i> a maláriaellenes gén, az utódok négyféle permutációja lehetséges: <i>aa, aB, aa, Ba</i>. Az új önző génnel ezek helyett valamennyi <i>aB</i> lesz. Biológiailag ez nem történhetne meg.
So what happened? The first thing that happened was the arrival of a gene-editing tool known as CRISPR in 2012. Many of you have probably heard about CRISPR, so I'll just say briefly that CRISPR is a tool that allows researchers to edit genes very precisely, easily and quickly. It does this by harnessing a mechanism that already existed in bacteria. Basically, there's a protein that acts like a scissors and cuts the DNA, and there's an RNA molecule that directs the scissors to any point on the genome you want. The result is basically a word processor for genes. You can take an entire gene out, put one in, or even edit just a single letter within a gene. And you can do it in nearly any species.
Hát akkor mi történt? Először is, az történt, hogy 2012-ben megjelent a CRISPR nevű génszerkesztő eszköz. Talán önök közül sokan hallottak róla, így elég annyit mondanom, hogy a CRISPR-rel a kutatók könnyen, nagyon pontosan és gyorsan szerkeszthetik a géneket. Ezt úgy éri el, hogy igába fogja a baktériumokban már létező mechanizmust. Az olló szerepét egy fehérje játssza, ez vágja el a DNS-t, az ollót pedig egy RNS-molekula irányítja a genom általunk kívánt pontjára. Az eredmény: a génekre szabott szövegszerkesztő. Egy teljes gént kivehetünk, betehetünk, vagy a gén egy betűjét is szerkeszthetjük. Ezt majdnem minden fajnál megtehetjük.
OK, remember how I said that gene drives originally had two problems? The first was that it was hard to engineer a mosquito to be malaria-resistant. That's basically gone now, thanks to CRISPR. But the other problem was logistical. How do you get your trait to spread? This is where it gets clever.
Korábban már mondtam, hogy az önző génekkel eleve két gond van. Az első, hogy nehéz megbütykölni a szúnyogot, hogy malária-ellenálló legyen. A CRISPR-nek hála, ez mára megoldódott. De a másik gond logisztikai jellegű. Hogy terjeszthetők el a tulajdonságok? Itt jön a csavar.
A couple years ago, a biologist at Harvard named Kevin Esvelt wondered what would happen if you made it so that CRISPR inserted not only your new gene but also the machinery that does the cutting and pasting. In other words, what if CRISPR also copied and pasted itself. You'd end up with a perpetual motion machine for gene editing. And that's exactly what happened. This CRISPR gene drive that Esvelt created not only guarantees that a trait will get passed on, but if it's used in the germline cells, it will automatically copy and paste your new gene into both chromosomes of every single individual. It's like a global search and replace, or in science terms, it makes a heterozygous trait homozygous.
Pár éve Kevin Esvelt harvardi biológus azon agyalt, hogy mi lenne, ha a CRISPR nemcsak az új gént juttatná be, hanem a vágást és beillesztést végző mechanizmust is. Más szavakkal: mi lenne, ha a CRISPR saját magát is lemásolná és beillesztené? Ez lenne a génszerkesztés örökmozgója. Így is történt. Az Esvelt által létrehozott önző CRISPR-gén nemcsak azt garantálja, hogy a tulajdonság továbbadódjon, hanem ha ezt csíravonal sejtekben alkalmazzuk, akkor ez automatikusan másolja és beilleszti az új gént minden egyed mindkét kromoszómájába. Ez olyan, mint az általános keresés + csere, vagy tudományosan: a heterozigótás tulajdonság homozigótás lesz.
So, what does this mean? For one thing, it means we have a very powerful, but also somewhat alarming new tool. Up until now, the fact that gene drives didn't work very well was actually kind of a relief. Normally when we mess around with an organism's genes, we make that thing less evolutionarily fit. So biologists can make all the mutant fruit flies they want without worrying about it. If some escape, natural selection just takes care of them.
Mit jelent ez? Először is azt, hogy van egy nagyon hatékony, ám elég hátborzongató új eszközünk. Mostanáig az, hogy az önző gének nemigen működnek, valahogy megnyugtatólag hatott. Amikor belepiszkálunk egy szervezet génjeibe, evolúció szempontjából kevésbé rátermett lesz. Úgyhogy a biológusok bármilyen muslicát gond nélkül elő tudnak állítani. Ha valamelyik kiszabadulna, a természetes kiválasztódás végez vele.
What's remarkable and powerful and frightening about gene drives is that that will no longer be true. Assuming that your trait does not have a big evolutionary handicap, like a mosquito that can't fly, the CRISPR-based gene drive will spread the change relentlessly until it is in every single individual in the population. Now, it isn't easy to make a gene drive that works that well, but James and Esvelt think that we can.
Az önző gén esetében az a lényeges és ijesztő, hogy ez már mind nem igaz. Tegyük föl: a kérdéses tulajdonság nem hátrányos evolúciós szempontból, mint pl. ha egy szúnyog röpülésre képtelen. A CRISPR-alapú önző gén könyörtelenül terjeszteni fogja a változást, mindaddig, amíg a populáció minden egyedében meg nem jelenik. Nem könnyű ilyen hatékonyan működő önző gént csinálni, de James és Esvelt szerint ez megoldható.
The good news is that this opens the door to some remarkable things. If you put an anti-malarial gene drive in just 1 percent of Anopheles mosquitoes, the species that transmits malaria, researchers estimate that it would spread to the entire population in a year. So in a year, you could virtually eliminate malaria. In practice, we're still a few years out from being able to do that, but still, a 1,000 children a day die of malaria. In a year, that number could be almost zero. The same goes for dengue fever, chikungunya, yellow fever.
A jó hír, hogy ez utat nyit egy pár figyelemre méltó dolog felé. Ha maláriaellenes önző gént juttatunk Anopheles szúnyogok csupán 1%-ába, a maláriaterjesztő szúnyogfajba, akkor az az egész populációban egy év alatt elterjed – állítják kutatók. Egy év alatt fölszámolhatnánk a maláriát. A gyakorlati megvalósítástól még évekre vagyunk, de naponta 1000 gyerek hal bele a maláriába. Egy év alatt e számot kb. nullára vihetnénk le! Ugyanez áll a dengue-lázra, sárgalázra és a chikungunya-lázra.
And it gets better. Say you want to get rid of an invasive species, like get Asian carp out of the Great Lakes. All you have to do is release a gene drive that makes the fish produce only male offspring. In a few generations, there'll be no females left, no more carp. In theory, this means we could restore hundreds of native species that have been pushed to the brink.
A helyzet javul. Mondjuk, meg akarunk szabadulni egy invazív fajtól, pl. a Nagy-tavakban élő ázsiai pontytól. Csak rá kell szabadítanunk az önző gént, ennek hatására a halnak csak hím utódai lesznek. Néhány nemzedék múlva nem lesznek nőstények, a hal kipusztul. Elméletileg helyreállíthatunk több száz őshonos fajt, amelyeket a kipusztulás fenyeget.
OK, that's the good news, this is the bad news. Gene drives are so effective that even an accidental release could change an entire species, and often very quickly. Anthony James took good precautions. He bred his mosquitos in a bio-containment lab and he also used a species that's not native to the US so that even if some did escape, they'd just die off, there'd be nothing for them to mate with. But it's also true that if a dozen Asian carp with the all-male gene drive accidentally got carried from the Great Lakes back to Asia, they could potentially wipe out the native Asian carp population. And that's not so unlikely, given how connected our world is. In fact, it's why we have an invasive species problem. And that's fish. Things like mosquitos and fruit flies, there's literally no way to contain them. They cross borders and oceans all the time.
Ez volt a jó hír. Most jön a rossz hír. Az önző gén olyan hatékony, hogy még a véletlen elszabadulása is egy teljes fajt megváltoztathat, s gyakran igen gyorsan. Anthony James nagyon elővigyázatos volt. Szúnyogjait biológiailag zárt laborban tenyésztette, és az USA-ban nem őshonos fajt használt, s ha néhányuk mégis kiszabadulna, kihalnának, mert nem lenne kivel párzaniuk. De az is igaz, hogy ha egy tucat "önző hímgénű" ázsiai ponty a Nagy-tavakból véletlenül visszajutna Ázsiába, kipusztíthatnák az őshonos populációt. Ez nem is olyan valószínűtlen, hiszen világunk egy nagy falu. Ezért jelentenek gondot az invazív fajok. Mint az a hal. A szúnyogokat, muslicákat és hozzájuk hasonlókat nem tudjuk láncra verni. Folyton átkelnek a határon és a tengeren.
OK, the other piece of bad news is that a gene drive might not stay confined to what we call the target species. That's because of gene flow, which is a fancy way of saying that neighboring species sometimes interbreed. If that happens, it's possible a gene drive could cross over, like Asian carp could infect some other kind of carp. That's not so bad if your drive just promotes a trait, like eye color. In fact, there's a decent chance that we'll see a wave of very weird fruit flies in the near future. But it could be a disaster if your drive is deigned to eliminate the species entirely.
A másik rossz hír, hogy az önző gén lehet, hogy nem korlátozódik az ún. célfajokra. Ez a génáramlás miatt áll elő, ami aranyos kifejezés arra, hogy a közeli fajok néha egymás közt is párzanak. Ekkor lehet, hogy az önző gén átjut, ahogy az ázsiai ponty megfertőzhet más pontyfajtákat. Ez nem okoz zűrt, ha a szemszínhez hasonló tulajdonságról van szó. Jó esélyünk van rá, hogy a közeljövőben nagyon fura muslicákkal találkozzunk. De katasztrófa lenne, ha az önző génünk egész fajokat tüntetne el.
The last worrisome thing is that the technology to do this, to genetically engineer an organism and include a gene drive, is something that basically any lab in the world can do. An undergraduate can do it. A talented high schooler with some equipment can do it.
Még egy aggasztó dolog: az erre szolgáló technológia, hogy génsebészettel önző gént juttassanak be egy szervezetbe, a világ bármely laborjában kivitelezhető. Egy diák is meg tudja tenni. Némi fölszereléssel egy tehetséges gimnazista is.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Sejtem, hogy ez elég rémisztően hangzik.
(Laughter)
(Nevetés)
Interestingly though, nearly every scientist I talk to seemed to think that gene drives were not actually that frightening or dangerous. Partly because they believe that scientists will be very cautious and responsible about using them.
Bár érdekes, hogy akármelyik tudóssal beszélek is, az önző gént nem tartják annyira ijesztőnek vagy veszélyesnek. Részben, mert alkalmazásuk során szerintük a kutatók nagyon felelősségteljesek és óvatosak lesznek.
(Laughter)
(Nevetés)
So far, that's been true. But gene drives also have some actual limitations. So for one thing, they work only in sexually reproducing species. So thank goodness, they can't be used to engineer viruses or bacteria. Also, the trait spreads only with each successive generation. So changing or eliminating a population is practical only if that species has a fast reproductive cycle, like insects or maybe small vertebrates like mice or fish. In elephants or people, it would take centuries for a trait to spread widely enough to matter.
Mostanáig ez igaz volt. De az önző géneknek megvannak a korlátaik. Az egyik, hogy csak az ivarosan szaporodó fajokban működnek. Hála istennek, vírusok és baktériumok alakítására nem használhatók. A tulajdonság csak az egymást követő nemzedékekben terjed. Egy populációt megváltoztatni vagy eltüntetni csak akkor célszerű, ha a fajnak rövid a szaporodási ciklusa, mint a rovaroké vagy kis gerinceseké, pl. egereké, halaké. Elefántok vagy emberek esetén évszázadokig tartana, míg egy tulajdonság észlelhetően elterjedne.
Also, even with CRISPR, it's not that easy to engineer a truly devastating trait. Say you wanted to make a fruit fly that feeds on ordinary fruit instead of rotting fruit, with the aim of sabotaging American agriculture. First, you'd have to figure out which genes control what the fly wants to eat, which is already a very long and complicated project. Then you'd have to alter those genes to change the fly's behavior to whatever you'd want it to be, which is an even longer and more complicated project. And it might not even work, because the genes that control behavior are complex. So if you're a terrorist and have to choose between starting a grueling basic research program that will require years of meticulous lab work and still might not pan out, or just blowing stuff up? You'll probably choose the later.
Még a CRISPR-rel sem könnyű egy pusztító tulajdonságot betuszkolni. Pl. szeretnénk, ha a rohadt gyümölcsön élő légy az egészséges gyümölcsöt enné azért, hogy tönkretegyük az USA mezőgazdaságát. Ehhez először rá kellene jönnünk, mely gének szabályozzák a légy étrendjét; ez nagyon hosszú és bonyolult feladat. Majd módosítanunk kellene őket, hogy a kívánt módon változzon a légy viselkedése. Ez még hosszabb és bonyolultabb lecke. De esetleg nem is válik be, mert a viselkedést szabályzó gének bonyolultak. Ha egy terroristának választania kell egy többéves kimerítő, sziszifuszi és esetleg kudarccal végződő alapkutatási program és egy robbantás között, nyilván az utóbbit választaná.
This is especially true because at least in theory, it should be pretty easy to build what's called a reversal drive. That's one that basically overwrites the change made by the first gene drive. So if you don't like the effects of a change, you can just release a second drive that will cancel it out, at least in theory.
Ez nagyon igaz, mert – legalábbis elméletileg – elég könnyű összehozni egy ún. visszafordító önző gént. Ez olyan, amely átírja az első önző gén által létrehozott változást. Ha nem tetszik a változás hatása, útjára bocsáthatjuk a második gént, amely kioltja az elsőt – legalábbis elvileg.
OK, so where does this leave us? We now have the ability to change entire species at will. Should we? Are we gods now? I'm not sure I'd say that. But I would say this: first, some very smart people are even now debating how to regulate gene drives. At the same time, some other very smart people are working hard to create safeguards, like gene drives that self-regulate or peter out after a few generations. That's great. But this technology still requires a conversation. And given the nature of gene drives, that conversation has to be global. What if Kenya wants to use a drive but Tanzania doesn't? Who decides whether to release a gene drive that can fly?
Hol tartunk most? Képesek vagyunk szándékosan megváltoztatni teljes fajokat. Muszáj? Istenek vagyunk? Nem hinném. Inkább ezt mondom: először is, egy pár okos ember már most is az önző gén megrendszabályozásáról vitázik. Ezzel egy időben más igen okos emberek szorgalmasan dolgoznak a biztonságon, pl. az önszabályzó önző géneken, vagy amelyek pár nemzedék után kimerülnek. Ez ragyogó. De ez a technológia nem nélkülözheti a párbeszédet, amely – mert az önző gén nem ismer határokat –, globálisnak kell lennie. Mi van, ha Kenya használni akar egy gént, de Tanzánia nem? Ki dönti el, hogy kibocsássunk-e egy repülő önző gént?
I don't have the answer to that question. All we can do going forward, I think, is talk honestly about the risks and benefits and take responsibility for our choices. By that I mean, not just the choice to use a gene drive, but also the choice not to use one. Humans have a tendency to assume that the safest option is to preserve the status quo. But that's not always the case. Gene drives have risks, and those need to be discussed, but malaria exists now and kills 1,000 people a day. To combat it, we spray pesticides that do grave damage to other species, including amphibians and birds.
Nem tudom a választ. Csak előre haladhatunk, és becsületesen kell szólnunk a kockázatokról s előnyökről, és viselnünk kell döntésünkért a felelősséget. Nemcsak az önző gén használatáért, hanem a használat elmulasztásáért is. Az emberiség hajlamos azt hinni, hogy a legbiztonságosabb esély a status quo megőrzése. De nem mindig ez a helyzet. Az önző gének kockázatot hordoznak, és azt meg kell vitatni, de a malária ma jelen van, és naponta ezren halnak bele. Úgy küzdünk ellene, hogy rovarirtót permetezünk szét, amely más fajokat, pl. kétéltűeket s madarakat károsít.
So when you hear about gene drives in the coming months, and trust me, you will be hearing about them, remember that. It can be frightening to act, but sometimes, not acting is worse.
Ezért ha az önző gének a közeljövőben szóba kerülnek, s higgyék el, szóba kerülnek, jussanak eszükbe a mondottak. Lehet, hogy a cselekvés ijesztő, de néha a tétlenség a rosszabb.
(Applause)
(Taps)