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.
Będę mówić o napędach genowych, ale rozpocznę od krótkiej historii. 20 lat temu biolog Anthony James, dostał obsesji na punkcie idei stworzenia komarów, które nie przenosiłyby malarii.
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.
Był to świetny pomysł i całkowita porażka. Okazało się, że stworzenie komarów odpornych na malarię jest naprawdę trudne. Jamesowi w końcu się to udało, zaledwie parę lat temu, dzięki dodaniu pewnych genów, które uniemożliwiają zarodźcowi malarii przetrwanie w organizmie komara.
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.
Stworzyło to kolejny problem. Mamy już komary odporne na malarię, jak jednak zastąpić nimi wszystkie gatunki roznoszące chorobę? Istnieje kilka możliwości. Plan A zakładał rozmnożenie genetycznie zmodyfikowanych komarów i wypuszczenie ich do środowiska z nadzieją, że przekażą swoje geny. Problem w tym, że musielibyśmy wypuścić ich 10-krotnie więcej, niż żyje naturalnie, żeby to zadziałało. Do wioski o populacji 10 tysięcy komarów wypuszczamy dodatkowe 100 tysięcy. Można się domyślić, pomysł nie cieszył się dużą popularnością wśród mieszkańców.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
W styczniu Anthony James dostał e-maila od biologa Ethana Biera. Bier napisał, że wspólnie z doktorantem Valentino Gantzem natrafili na narzędzie, które nie tylko zapewni, że dana cecha genetyczna będzie dziedziczona, ale też będzie się rozprzestrzeniała niewiarygodnie szybko. Jeśli mieli rację, rozwiązałoby to problem, nad którym on i James pracowali przez 20 lat.
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.
W ramach testu zmodyfikowali dwa komary, żeby miały gen odporności na malarię, a także nowe narzędzie, napęd genetyczny, który wyjaśnię za moment. Zmodyfikowali to tak, żeby każdy komar dziedziczący gen przeciwko malarii nie miał zwykłego, białego koloru oczu, ale czerwony. Głównie dla wygody, żeby można je rozróżnić na pierwszy rzut oka.
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.
Te dwa czerwonookie, odporne na malarię komary przeniesiono do pudełka z 30 zwykłymi, białookimi komarami, umożliwiając im rozmnażanie. W dwóch pokoleniach uzyskano 3800 wnucząt. Nie jest to zaskakujące. Zaskakujące jest to, że zaczynając od dwóch czerwonookich i 30 białookich komarów, oczekiwano głównie białookich potomków. Zamiast tego, gdy James otworzył pudełko, wszystkie 3800 komarów miało czerwone oczy.
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.
Gdy spytałam o to Ethana Biera, był tak podniecony, że krzyczał do słuchawki. Ponieważ uzyskanie jedynie czerwonookich komarów to pogwałcenie zasady, która jest absolutnym kamieniem węgielnym biologii, genetyki mendlowskiej. W skrócie, genetyka mendlowska mówi, że gdy samiec i samica parzą się, ich potomek dziedziczy połowę swojego DNA od każdego rodzica. Jeśli zatem pierwotny komar był aa, a nowy komar to aB, gdzie B to gen odporności na malarię, to można uzyskać potomków o czterech permutacjach: aa, aB, aa, Ba. Tymczasem, z nowym napędem genetycznym, wszyscy potomkowie to aB. Biologicznie nie powinno być to możliwe.
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.
Co się zatem stało? Po pierwsze, w 2012 roku odkryto narzędzie edycji genów CRISPR. Wielu zapewne słyszało o CRISPR. Powiem tylko krótko, że CRISPR to narzędzie, które pozwala naukowcom na edycję genów w bardzo precyzyjny, prosty i szybki sposób. To możliwe dzięki wykorzystaniu mechanizmu, który wykorzystują bakterie. To proteina działająca jak nożyce, która tnie DNA oraz cząsteczka RNA, która naprowadza nożyce na dowolnie wybrany punkt genomu. W efekcie otrzymujemy edytor tekstu dla genów. Można usunąć cały gen, wprowadzić nowy, czy nawet wymienić pojedynczą literę genu. Można to zrobić w niemal każdym gatunku.
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.
Wspominałam już, że napędy genetyczne mają początkowo dwa problemy? Pierwszym była trudność stworzenia komara odpornego na malarię. Ten problem obecnie rozwiązuje CRISPR. Drugi problem jest natury logistycznej. Jak spowodować, żeby cecha się rozprzestrzeniała? Tu zastosowano sprytne rozwiązanie.
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.
Parę lat temu Kevin Esvelt, biolog z Harvardu, zastanawiał się, co by się stało, gdyby CRISPR wprowadził nie tylko nowy gen, ale także mechanizm, który dokonuje cięcia i wklejania. Innymi słowy, co by było, gdyby CRISPR sam siebie kopiował i wklejał. Mielibyśmy perpetuum mobile do edycji genów. Tak właśnie się stało. Napęd genowy na bazie CRISPR, stworzony przez Esvelta, nie tylko zapewnia, że dana cecha zostanie odziedziczona, ale jego użycie w komórkach germinalnych, automatycznie skopiuje i wklei nowy gen do obu chromosomów każdego osobnika. To jak globalne "wyszukaj i zamień" lub, w języku naukowym, zmiana cechy heterozygotycznej na homozygotyczną.
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.
Co to oznacza? Po pierwsze, otrzymaliśmy bardzo potężne i nieco niepokojące nowe narzędzie. Aż dotąd fakt, że napędy genowe nie działały najlepiej, był właściwie swego rodzaju ulgą. Zazwyczaj, gdy majstrujemy przy genach organizmu, powodujemy, że jest on gorzej przystosowany ewolucyjnie. Biolodzy mogą modyfikować muszki owocówki, nie martwiąc się o nic. Gdyby któreś uciekły, selekcja naturalna się nimi zajmie.
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.
W przypadku napędów genowych, tych potężnych i przerażających narzędzi, tak już nie będzie. Zakładając, że dana cecha nie będzie nosić dużego upośledzenia ewolucyjnego, jak komar, który nie może latać, napęd genowy oparty na CRISPR będzie bezustannie rozprzestrzeniać zmianę, aż zajdzie się ona w każdym osobniku populacji. Niełatwo stworzyć dobrze działający napęd genowy, jednak James i Esvelt uważają, że jesteśmy w stanie.
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.
Dobrą wiadomością jest fakt, że to otwiera drzwi wielu niezwykłym rzeczom. Jeśli wprowadzić napęd genowy odpowiadający za odporność na malarię do 1 procenta populacji komarów widliszka, gatunku przenoszącego malarię, naukowcy szacują, że rozprzestrzeniłby się on w całej populacji w rok. W ciągu roku można by właściwie wyeliminować malarię. W praktyce brakuje nam jeszcze kilku lat, żeby to osiągnąć, a nadal tysiąc dzieci dziennie umiera. Za rok ta liczba mogłaby być prawie równa zeru. To samo dotyczy gorączki denga, czikungunii, żółtej febry.
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.
To nie wszystko. Chcemy się pozbyć gatunków inwazyjnych, na przykład pozbyć się karpia azjatyckiego z Wielkich Jezior. Wystarczy uwolnić napęd genowy sprawiający, że ryby produkują jedynie męskich potomków. Kilka pokoleń i nie będzie już samic, nie będzie karpia. W teorii moglibyśmy odtworzyć setki rodzimych gatunków, które zostały zepchnięte na skraj wyginięcia.
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.
To była dobra wiadomość. Teraz zła wiadomość. Napędy genowe są tak skuteczne, że nawet przypadkowe wypuszczenie, mogłoby zmienić cały gatunek, często w bardzo szybki sposób. Anthony James dobrze się zabezpieczył. Rozmnażał swoje komary w laboratorium szczelnym biologicznie, użył też gatunku nierodzimego w USA, żeby w razie ucieczki, wymarły. Nie miałyby partnerów do rozmnażania. Jednak jeśli tuzin karpi azjatyckich z samczym napędem genetycznym przypadkowo zostałby przeniesionych z Wielkich Jezior z powrotem do Azji, mógłby potencjalnie wytępić rodzimą, azjatycką populację karpia. To też jest możliwe, wiedząc, jak połączony jest nasz świat. To właśnie dlatego mamy problem z gatunkami inwazyjnymi. A mowa tu tylko o rybach. Komary czy muszki owocowe to gatunki praktycznie nie do opanowania. Przekraczają granice i oceany cały czas.
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.
Kolejna zła wiadomości jest taka, że napędy genowe nie ograniczają się do gatunków docelowych. Wynika to z tak zwanego przepływu genów. Gatunki pokrewne często się krzyżują. Napęd genowy może zostać przekazany. Karp azjatycki mógłby zarazić inny rodzaj karpia. Zagrożenie jest nikłe, jeśli napęd promuje cechę taką jak kolor oczu. Jest spora szansa, że w najbliższej przyszłości zobaczymy roje bardzo dziwnych muszek owocowych. Katastrofalnym w skutkach mógłby być natomiast napęd zaprojektowany tak, żeby wyeliminować gatunek.
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.
Niepokojące jest to, że technologia potrzebna, żeby modyfikować organizm i wprowadzić napęd genowy, jest dostępna w każdym laboratorium. Student może to zrobić. Utalentowany licealista z odpowiednim sprzętem również.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Wydaje mi się, że może to przerażać.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Co ciekawe, prawie każdy naukowiec, z którym rozmawiam, uważa, że napędy genowe nie są tak straszne ani niebezpieczne. Wierzą, że naukowcy będą bardzo ostrożni i odpowiedzialni przy ich użyciu.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Jak dotąd tak było. Napędy genowe mają też pewne ograniczenia. Po pierwsze, działają jedynie w gatunkach rozmnażających się płciowo. Na szczęście, nie mogą być użyte do modyfikacji wirusów czy bakterii. Poza tym cecha przechodzi jedynie na każde kolejne pokolenie. Zatem zmiana czy eliminacja populacji zachodzi tylko, jeśli dany gatunek ma szybki cykl reprodukcyjny, jak owady czy małe kręgowce, myszy, ryby. U słoni czy ludzi zajęłoby wieki, żeby cecha się rozprzestrzeniła. w znaczący sposób.
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.
Ponadto, nawet przy użyciu CRISPR, nie jest tak prosto wykształcić prawdziwie szkodliwą cechę. Chcąc stworzyć muszkę owocową, która żywi się zwykłymi owocami zamiast gnijącymi, w celu sabotowania amerykańskiego rolnictwa, najpierw trzeba się dowiedzieć, jakie geny kontrolują, co muszka chce jeść, co samo w sobie jest długim i skomplikowanym projektem. Następnie trzeba te geny zmienić, żeby zmienić zachowanie muszki na to pożądane, co jest jeszcze dłuższym i bardziej złożonym projektem. Co może się nie sprawdzić, ponieważ geny kontrolujące zachowanie są złożone. Jeśli zatem terrorysta ma do wyboru wyczerpujące badania naukowe, lata drobiazgowej pracy laboratoryjnej bez gwarancji sukcesu, a wysadzenie czegoś w powietrze, prawdopodobnie wybierze to drugie.
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.
Szczególnie, że przynajmniej w teorii, zbudowanie napędu odwracającego modyfikacje powinno być dość proste. Napęd nadpisuje modyfikacje dokonane za pierwszym razem. Jeśli zatem efekty modyfikacji nie spełniają wymagań, można zastosować drugi napęd, który wszystko wymaże, przynajmniej w teorii.
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?
W jakim kierunku zmierzamy? Mamy teraz możliwość modyfikacji całych gatunków zgodnie z naszą wolą. Czy powinniśmy to robić? Czy jesteśmy teraz bogami? Nie jestem pewna, czy tak bym to określiła. Ale wiem, że pewni bardzo mądrzy ludzie dyskutują obecnie, jak regulować napędy genowe. Inni bardzo mądrzy ludzie ciężko pracują, żeby stworzyć swoiste zabezpieczenia, jak napędy samoregulujące lub zanikające po paru pokoleniach. Świetnie. Ale ta technologia nadal wymaga dyskusji. Ze względu na naturę napędów genowych, ta dyskusja musi być globalna. Co, jeśli Kenia chce modyfikować, a Tanzania nie? Kto powinien decydować o modyfikacjach umożliwiających latanie?
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.
Nie mam odpowiedzi na to pytanie. Jedyne, co możemy zrobić odnośnie przyszłości, to szczerze rozmawiać o zagrożeniach i zyskach. Wziąć odpowiedzialność za nasze wybory, zarówno za użycie napędu genowego, jak i odstąpienie od możliwości skorzystania z niego. Ludzie zakładają, że najbezpieczniejszą opcją jest zachowanie status quo. Nie zawsze tak jest. Napędy genowe niosą ryzyko, które musi zostać przedyskutowane, ale malaria istnieje i zabija 1000 osób dziennie. Walczymy z nią pestycydami poważne szkodzącymi innym gatunkom, w tym płazom i ptakom.
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.
Kiedy usłyszycie o napędach genowych w nadchodzących miesiącach, a na pewno o nich usłyszycie, zapamiętajcie, taka ingerencja może wydawać się przerażająca, ale jej brak może być jeszcze gorszy.
(Applause)
(Brawa)