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.
Šī runa ir par gēnu dziņiem, bet sākšu es ar īsu stāstu. Pirms 20 gadiem biologs vārdā Entonijs Džeimss kļuva kā apsēsts ar domu radīt odus, kas nepārnēsātu malāriju.
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.
Tā bija lieliska doma, bet viņam faktiski nekas neizdevās. Pirmkārt, radīt malārijizturīgu odu izrādījās ļoti grūti. Džeimss to beidzot paveica tikai pirms dažiem gadiem, pievienojot dažus gēnus, kas malārijas parazīta izdzīvošanu odā padara neiespējamu.
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.
Bet tas tikai radīja citu problēmu. Kad nu malārijizturīgais ods ir rokā, kā lai ar to aizvieto visus malāriju pārnēsājošos odus? Bija pāris iespēju, bet plāns A būtībā bija izaudzēt krietnu daudzumu jauno, ģenētiski pārveidoto odu, izlaist tos brīvībā un cerēt, ka tie nodos tālāk savus gēnus. Nelaime tāda, ka būtu jāizlaiž burtiski 10 reižu vairāk odu nekā vidē jau esošie. Tātad ciemā ar 10 000 odiem būtu jāizlaiž vēl 100 000. Kā noprotat, ciematnieku vidū šī stratēģija nebija diez ko lielā cieņā.
(Laughter)
(Smiekli)
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.
Tad, pagājušajā janvārī, Entonijs Džeimss saņēma e-pastu no biologa vārdā Ītens Biers. Biers teica, ka kopā ar savu maģistrantu Valentino Gancu viņi uzdūrušies kādam rīkam, kas ne tikai garantē, ka noteikta ģenētiskā iezīme tiks mantota, bet tā arī izplatīsies neticami ātri. Ja viņiem bija taisnība, tas būtībā atrisinātu problēmu, ko viņš un Džeimss bija risinājuši 20 gadus.
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.
Izmēģinājumam viņi radīja divus odus ar pretmalārijas gēnu un arī jaunu rīku – gēnu dzini, ko es pēc brīža izskaidrošu. Visbeidzot viņi izkārtoja tā, ka tiem odiem, kas mantojuši pretmalārijas gēnu, būtu nevis kā parasti baltas, bet gan sarkanas acis. Tas lielākoties bija tikai ērtības dēļ, lai uzreiz varētu atšķirt, kurš ir kurš.
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.
Tā nu viņi paņēma divus savus sarkanacainos pretmalārijas odus un ievietoja tos kārbā kopā ar 30 parastajiem baltacainajiem, un ļāva tiem vairoties. Pēc divām paaudzēm tie bija radījuši 3800 mazbērnu. Tas nav nekas pārsteidzošs. Pārsteidzošais ir, lūk, kas: ņemot vērā, ka sākām ar tikai diviem sarkanacainiem odiem un 30 baltacainiem, lielākajai daļai pēcnācēju vajadzētu būt baltacainiem. Bet, kad Džeimss atvēra kārbu, visiem 3800 odiem bija sarkanas acis.
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.
Kad par šo jautāju Ītenam Bieram, viņš satraucās tik ļoti, ka klausulē burtiski kliedza. Tas ir tāpēc, ka tikai sarkanacainu odu iegūšana pārkāpj likumu, kas ir absolūts bioloģijas pamatakmens – Mendeļa ģenētiku. Es runāšu īsi, bet Mendeļa ģenētika nosaka, ka, tēviņam un mātītei pārojoties, bērns no katra vecāka iegūst pusi DNS. Tātad, ja sākotnējais ods bija aa un jaunais ods ir aB, kur B is pretmalārijas gēns, bērniem vajadzētu būt četrās permutācijās: aa, aB, aa, Ba. Tā vietā, ar jaunā gēnu dziņa palīdzību, tie visi piedzima ar aB. Bioloģiski tam nevajadzētu būt iespējamam.
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.
Kas tad notika? Pirmais, kas notika, bija jauna gēnu rediģēšanas rīka – <i>CRISPR</i> – parādīšanās 2012. gadā. Daudzi, iespējams, ir dzirdējuši par <i>CRISPR</i>, tāpēc tikai īsi pateikšu, ka <i>CRISPR</i> ir rīks, kas pētniekiem ļauj ļoti precīzi, viegli un ātri rediģēt gēnus. Tas notiek, izmantojot baktērijās jau esošu mehānismu. Būtībā ir olbaltumviela, kas darbojas kā šķēres un sagriež DNS, un ir RNS molekula, kas šķēres vada uz jebkuru vēlamo genoma punktu. Rezultāts būtībā ir kā gēnu <i>Word</i> redaktors. Var izņemt veselu gēnu, ievietot to vai pat rediģēt vienu pašu gēna burtu. Un to var izdarīt gandrīz jebkurai sugai.
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.
Labi, atceraties, ka teicu, ka gēnu dziņiem sākotnēji bija divas problēmas? Pirmā ir tā, ka grūti ir konstruēt odu, kas būtu izturīgs pret malāriju. Tas, pateicoties <i>CRISPR</i>, nu būtībā ir atrisināts. Bet otra problēma bija loģistikā. Kā lai jauno ģenētisko iezīmi izplata? Risinājums ir izdomas bagāts.
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.
Pirms dažiem gadiem Hārvardas biologs Kevins Esvelts prātoja, kas notiktu, ja liktu <i>CRISPR</i> ievietot ne tikai jauno gēnu, bet arī griezēj- un līmējošo mehānismu. Citiem vārdiem sakot, ja nu <i>CRISPR</i> grieztu un ielīmētu arī pats sevi? Mēs iegūtu gēnu rediģēšanas mūžīgo mehānismu. Un tieši tā arī notika. Šis Esvelta radītais <i>CRISPR</i> gēnu dzinis ne tikai garantē, ka iezīme tiks pārnesta, bet, ja to ievieto dzimumšūnās, tas jaunizveidoto gēnu automātiski iekopēs katra īpatņa abās hromosomās. Tā ir kā automātiskā meklēšanas funkcija datorā jeb, zinātnes valodā runājot, tas pārvērš heterozigotiskas iezīmes homozigotiskās.
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.
Ko tad tas nozīmē? Pirmkārt jau, mums ir ļoti jaudīgs, bet arī nedaudz satraucošs, jauns rīks. Līdz šim tas, ka gēnu dziņi īpaši labi nedarbojās, īstenībā bija zināms atvieglojums. Parasti, kad kaut ko darām ar kāda organisma gēniem, mēs to padarām evolucionāri mazspējīgāku. Tāpēc biologi var radīt jebkādus augļu mušiņu mutantus, neraizējoties par sekām. Ja dažas izbēg, dabiskā izlase par to parūpēsies.
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.
Gēnu dziņos nozīmīgākais, jaudīgākais un biedējošākais ir, ka tas tā vairs nebūs. Ja vien jaunajai ģenētiskajai iezīmei nepiemīt milzīga evolucionāra nepilnība, piemēram, ods, kas nespēj lidot, <i>CRISPR</i> bāzētais gēnu dzinis jauno izmaiņu nepielūdzami izplatīs, līdz tā būs ikkatrā populācijas īpatnī. Izveidot tik labi strādājošu gēnu dzini nav viegli, bet Džeimss un Esvelts domā, ka to spējam.
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.
Labā ziņa ir tāda, ka tas paver durvis brīnumainām lietām. Ja ievietosim pretmalārijas gēnu dzini tikai vienā procentā Malārijas odu, kas ir malārijas pārnēsātāju suga, zinātnieki uzskata, ka tas gada laikā izplatītos pa visu populāciju. Tātad gada laikā varētu burtiski likvidēt malāriju. Praktiski runājot, lai to paveiktu, vajadzīgi vēl daži gadi, bet tomēr – no malārijas ik dienu mirst 1000 bērnu. Viena gada laikā šis skaitlis varētu kļūt par gandrīz nulli. Tas pats attiecas uz tropu drudzi, Čikungunjas vīrusu, dzelteno drudzi.
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.
Un ne tikai. Teiksim, gribat tikt vaļā no kādas ievazātas sugas, piemēram, no Āzijas karpas Lielajos ezeros. Jums tikai jāizlaiž gēnu dzinis, kas zivīm liek radīt tikai vīrišķos pēcnācējus. Pēc dažām paaudzēm vairs nebūs mātīšu un nebūs vairs karpu. Teorētiski tas nozīmē, ka varētu atjaunot simtiem vietējo sugu, kas nokļuvušas uz izmiršanas sliekšņa.
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.
Labi, tās ir labās ziņas, bet, lūk, sliktās ziņas. Gēnu dziņi ir tik efektīvi, ka pat nejauša to nokļūšana dabā varētu izmainīt veselas sugas un bieži vien ļoti ātri. Entonijs Džeimss bija ļoti uzmanīgs. Viņš odus pavairoja bioizolētā laboratorijā un izmantoja sugas, kas nav sastopamas ASV, tāpēc, pat ja daži odi tiktu brīvībā, viņi vienkārši nomirtu, tiem nebūtu, ar ko pāroties. Bet tiesa arī, ja kādas desmit Āzijas karpas ar tikai vīrišķajiem gēniem no Lielajiem ezeriem nejauši nokļūtu atpakaļ Āzijā, tās varētu potenciāli iznīcināt vietējo Āzijas karpu populāciju. Un tas nav neiespējami, ņemot vērā, cik saistīta ir mūsu pasaule. Patiesībā tieši tāpēc arī mums ir ievazāto sugu problēma. Un tās ir zivis. Tādus kukaiņus kā odus un augļu mušas burtiski nav iespējams izolēt. Tās nepārtraukti ceļo pāri robežām un okeāniem.
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.
Vēl viena sliktā ziņa ir, ka gēnu dzinis varētu nepalikt ierobežots sugās, ko saucam par mērķa sugām. Jo gēni ceļo, kas ir smalks veids, kā pateikt, ka radniecīgas sugas dažreiz krustojas. Ja tas notiek, ir iespējams, ka gēnu dzinis pāriet uz citu sugu, piemēram, Āzijas karpa varētu inficēt kādu citu karpu. Tas nav tik ļauni, ja dzinis maina tādu iezīmi kā acu krāsu. Patiesībā ir diezgan liela iespējamība, ka tuvākajā nākotnē dabā vērosim dažādas dīvainas augļu mušiņas. Bet tas var izvērsties par katastrofu, ja dzinis ir veidots kādas sugas pilnīgai iznīcināšanai.
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.
Pēdējā satraucošā ziņa ir tā, ka šī tehnoloģija, kā ģenētiski konstruēt organismu un iekļaut tajā gēnu dzini, ir pieejama principā jebkurai pasaules laboratorijai. To varētu paveikt parasts students. Ar vajadzīgo aprīkojumu to varētu paveikt talantīgs vidusskolēns.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Tas noteikti izklausās šausminoši.
(Laughter)
(Smiekli)
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.
Tomēr interesanti, ka gandrīz katrs zinātnieks, ar ko esmu runājusi, domā, ka gēnu dziņi nav nemaz tik šausmīgi vai bīstami. Daļēji tāpēc, ka viņi tic, ka zinātnieki to lietošanā būs ļoti uzmanīgi un atbildīgi.
(Laughter)
(Smiekli)
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.
Līdz šim tas tā ir bijis. Bet gēnu dziņiem ir arī savi ierobežojumi. Pirmkārt, tie der tikai sugām ar dzimumvairošanos. Paldies Dievam, tos nevar izmantot vīrusu vai baktēriju konstruēšanai. Turklāt ģenētiskās iezīmes pārņem tikai katra nākamā paaudze. Tāpēc populācijas izmaiņas vai likvidēšana ir praktiski iespējama tikai sugās ar strauju reproduktīvo ciklu, piemēram, kukaiņos vai varbūt mazos mugurkaulniekos kā pelēs vai zivīs. Ziloņos vai cilvēkos vajadzētu gadsimtus, lai jaunā iezīme izplatītos pietiekoši plaši.
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.
Tāpat pat ar <i>CRISPR</i> konstruēt patiesi iznīcinošu iezīmi nav tik viegli. Teiksim, ja vēlaties radīt augļu mušiņu, kas barojas ar parastiem augļiem nevis puvušiem, ar mērķi sabotēt Amerikas lauksaimniecību. Pirmkārt, būtu jāsaprot, kuri gēni kontrolē, ko mušiņa grib ēst, kas jau ir ļoti ilgs un sarežģīts projekts. Tad šie gēni būtu jāizmaina, lai mainītu mušiņas uzvedību sev vēlamajā virzienā, kas ir vēl ilgāks un vēl sarežģītāks projekts. Un tas var arī neizdoties, jo uzvedību nosakošie gēni ir sarežģīti. Ja esat terorists un jums jāizvēlas, uzsākt apgrūtinošu un pamatīgu izpētes programmu, kas prasīs gadiem smalka darba laboratorijā un galu galā var neizdoties, vai arī kaut ko uzspridzināt, droši vien izvēlēsieties pēdējo.
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.
Tas jo īpaši tā ir, jo vismaz teorijā, būtu jābūt visai viegli konstruēt tā saucamo atpakaļgaitas dzini. Tas ir tāds, kas principā pārraksta pirmā dziņa veiktās izmaiņas. Tāpēc, ja izmaiņu ietekme nepatīk, var vienkārši izlaist otru dzini, kas to atcels, vismaz teorētiski.
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?
Labi, bet ko tad tas mums dod? Nu mēs pēc saviem ieskatiem varam mainīt veselas sugas. Vai vajadzētu? Vai tagad esam dievi? Es diez vai tā teiktu. Bet es teiktu, lūk, ko: pirmkārt, daži ļoti gudri cilvēki pat tagad apspriež gēnu dziņu regulēšanu. Tai pašā laikā daži citi ļoti gudri cilvēki smagi strādā, lai radītu drošinājumus, piemēram, pašregulējošus dziņus vai tādus, kas pēc dažām paaudzēm izzudīs. Tas ir lieliski. Bet par šo tehnoloģiju arvien vēl jādiskutē. Un, ņemot vērā gēnu dziņu raksturu, šai diskusijai jābūt globālai. Ja nu Kenija vēlas izmantot dzini, bet Tanzānija to nevēlas? Kurš izlems, vai izlaist nozīmīgu gēnu dzini?
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.
Man šim jautājumu nav atbildes. Viss, ko, manuprāt, varam darīt, ir godīgi runāt par riskiem un ieguvumiem un uzņemties atbildību par savu izvēli. Ar to es domāju ne tikai izvēli izmantot gēnu dzini, bet arī izvēli to neizmantot. Cilvēkiem ir tieksme uzskatīt, ka drošākais lēmums ir saglabāt pastāvošo kārtību. Bet ne vienmēr tas tā ir. Gēnu dziņiem ir riski, un par tiem ir jārunā, bet malārija pastāv tagad un nogalina 1000 cilvēkus dienā. Lai to apkarotu, mēs smidzinām pesticīdus, kas nodara lielu postu citām sugām, tostarp abiniekiem un putniem.
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.
Tāpēc, kad tuvākajos mēnešos dzirdēsiet par gēnu dziņiem, un, ticiet man, jūs par tiem dzirdēsiet, atcerieties to. Rīkošanās var būt biedējoša, taču dažkārt nerīkošanās var būt sliktāka.
(Applause)
(Aplausi)