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.
Сегодня речь пойдёт о генном драйве, но для начала я расскажу вам короткую историю. 20 лет назад биолога по имени Энтони Джеймс захватила идея создания комаров, которые не переносят малярию.
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.
Идея была отличная, но, увы, практически провальная. Во-первых, оказалось очень сложно вывести устойчивого к малярии комара. Джеймс всё же сумел это сделать несколько лет назад, добавив некоторые гены, которые не позволяют малярийному паразиту выжить в организме комара.
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.
Но это привело к новой проблеме. Как, сумев вывести устойчивого к малярии комара, добиться того, чтобы он заменил всех комаров-переносчиков малярии? Есть пара вариантов. Суть плана А была в том, чтобы развести какое-то количество новых генномодифицированных комаров, выпустить их на волю и надеяться, что их гены распространятся. Проблема в том, что пришлось бы выпустить в 10 раз больше комаров, чем уже есть в природе, чтобы это удалось. И если в деревне живёт 10 000 комаров, нужно выпустить ещё 100 000. Можно себе представить, что жителям деревни такая стратегия пришлась не по вкусу.
(Laughter)
(Смех)
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.
И вот в январе прошлого года Энтони Джеймс получил email от биолога по имени Итан Бир. Бир сообщил, что он и его аспирант Валентино Ганц обнаружили механизм, который гарантирует не только наследование отдельного генетического признака, но и его невероятно быстрое распространение. Если они были правы, это решило бы задачу, над которой он и Джеймс работали в течение 20 лет.
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.
Для проверки они ввели в геном двух комаров противомалярийный ген, а также новый механизм — генный драйв, который я объясню чуть позже. И вдобавок они сделали так, чтобы у любого комара, унаследовавшего противомалярийный ген, были не белые глаза, как обычно, а красные глаза. Это было сделано просто для удобства, чтобы с первого взгляда можно было их отличать.
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.
Этих двух противомалярийных комаров с красными глазами поместили в бокс с 30-ю обычными белоглазыми особями и оставили размножаться. Два поколения спустя у них появилось 3 800 внуков. Но удивительно не это. Удивительно вот что: начав только с двумя комарами с красными глазами и 30 комарами с белыми, ожидаешь в основном белоглазое потомство. Но когда Джеймс открыл бокс, все 3 800 комаров оказались красноглазыми.
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.
Когда я спросила об этом Итана Бира, от волнения он начал практически кричать в трубку. Потому что комары только с красными глазами нарушают основу основ биологии — менделевскую генетику. Объясню вкратце: согласно менделевской генетике, при спаривании самца и самки детёныш наследует половину ДНК от каждого из родителей. Если обычный комар имеет генотип aa, а новый комар — aB, где B — противомалярийный ген, то у потомства должны быть четыре сочетания: aa, aB, aa, Ba. Но из-за нового генного драйва у всех оказался генотип aB. С точки зрения биологии, такое вообще невозможно.
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.
Так в чём же дело? Во-первых, это объясняется появлением инструмента редактирования генов CRISPR в 2012 году. Многие из вас, вероятно, слышали о CRISPR, поэтому скажу вкратце, что CRISPR — инструмент, позволяющий учёным редактировать гены очень точно, легко и быстро. Это достигается использованием механизма, уже существовавшего у бактерий. В основе — белок, действующий как ножницы и разрезающий ДНК, а также молекула РНК, направляющая ножницы в любую нужную вам точку генома. Получается своего рода текстовый редактор для генов. Можно изъять целый ген, добавить ген или отредактировать всего одну букву внутри гена. И сделать это можно почти с любым видом.
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.
Помните, я говорила, что с генным драйвом возникли две трудности? Во-первых, было сложно создать комара, устойчивого к малярии. Это уже в прошлом благодаря CRISPR. Другая трудность касалась логистики. Как же распространить нужный признак? Вот здесь требуется ловкость.
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.
Пару лет назад биолог из Гарварда по имени Кевин Эсвельт заинтересовался, что будет, если сделать так, чтобы CRISPR вносил не только новый ген, но и весь механизм, осуществляющий вырезание и вставку. Иными словами, чтобы CRISPR копировал и вставлял сам себя. Тогда получится вечный двигатель для редактирования генов. Именно так всё и случилось. Генный драйв CRISPR, созданный Эсвельтом, не только гарантирует передачу признака потомству, но и, оказавшись в гаметоцитах, автоматически копирует и вставляет новый ген в обе хромосомы каждой отдельной особи. Это как функция «найти и заменить», в научном смысле — переход гетерозиготного признака в гомозиготный.
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.
Что же это значит? Для начала — что у нас теперь есть очень мощный и при этом немного пугающий инструмент. До сих пор то, что генный драйв не был применим на практике, в некотором роде успокаивало. Как правило, изменяя гены в организме, мы делаем его менее эволюционно пригодным. И биологи могут создавать сколько угодно дрозофил-мутантов, ни о чём не беспокоясь. С теми, кто случайно улетит, разберётся естественный отбор.
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.
Нас в генном драйве одновременно впечатляет и пугает именно то, что теперь всё будет обстоять иначе. Если новый признак не станет серьёзной помехой с точки зрения эволюции — например, комар не сможет летать, генный драйв на базе CRISPR будет беспрерывно распространять его, пока он не передастся каждой особи в популяции. Совсем непросто создать так хорошо работающий генный драйв, но Джеймс и Эсвельт считают, что возможно.
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.
К счастью, это откроет перед нами некоторые удивительные возможности. Если противомалярийный генный драйв будет лишь у 1% комаров рода Anopheles — тех самых, что переносят малярию, он, по мнению учёных, распространится во всей популяции за год. То есть за год можно, в сущности, искоренить малярию. На практике это станет возможным лишь через несколько лет, но всё же: 1 000 детей в день умирает от малярии. За год эту цифру можно снизить почти до нуля. То же касается лихорадки денге, чикунгуньи, жёлтой лихорадки.
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.
И это ещё не всё. Допустим, вы хотите избавиться от инвазивного вида — выставить азиатского карпа из Великих озёр. Нужно лишь выпустить такой генный драйв, чтобы в потомстве у рыб появлялись одни самцы. Несколько поколений спустя не останется самок, и карпа не будет. Теоретически мы сможем восстановить сотни аборигенных видов, которые сейчас на грани вымирания.
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.
Теперь от хороших новостей перейдём к плохим. Генный драйв настолько эффективен, что даже случайный выпуск может изменить целый вид, зачастую очень быстро. Энтони Джеймс принял меры безопасности: разводил комаров в лаборатории с биоизоляцией и выбрал вид, неаборигенный для США, чтобы случайно улетевшие особи просто вымерли и им было бы не с кем спариваться. Но если десяток азиатских карпов с генным драйвом самцов в потомстве случайно уплывёт из Великих озёр обратно в Азию, есть шанс, что они сведут на нет аборигенную популяцию азиатского карпа. И это вполне вероятный исход, учитывая, как тесен наш мир. Поэтому, кстати, и возникла проблема инвазивных видов. И это только рыба. А вот комаров и плодовых мушек вообще невозможно сдержать. Они пересекают границы и океаны постоянно.
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.
Ещё одна плохая новость — генный драйв может не остаться в рамках так называемого целевого вида. В этом виноват перенос генов — так красиво называют ситуацию, в которой близкие виды иногда скрещиваются. При этом возникнет вероятность передачи генного драйва — например, от азиатского карпа к другому виду карпа. Ничего страшного, если драйв вносит такой признак, как цвет глаз. Есть немалый шанс, что мы станем свидетелями всплеска численности странных дрозофил совсем скоро. Но возможно непоправимое, если драйв нацелен на полное истребление вида.
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.
Тревожит и то, что технология, необходимая для генетического конструирования организма и добавления генного драйва, доступна практически любой лаборатории в мире. Справится даже студент. Даже одарённый старшеклассник, у которого есть оборудование.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Должно быть, мои слова вас ужасают.
(Laughter)
(Смех)
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.
Тем не менее любопытно, что почти все мои собеседники-учёные считают, что в генном драйве нет ничего страшного или опасного. Отчасти из-за уверенности, что учёные будут очень осторожно и ответственно применять его.
(Laughter)
(Смех)
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.
Пока что так и есть. К тому же у генного драйва есть и свои ограничения. Во-первых, он подходит только видам, размножающимся половым путём. Так что, на наше счастье, с его помощью нельзя создать вирусы и бактерии. Также признак распространяется только с каждым следующим поколением. Так что изменить или истребить популяцию получится, только если у вида короткий репродуктивный цикл, как у насекомых или мелких позвоночных — мышей и рыб. Но уйдут века, прежде чем среди слонов или людей признак распространится достаточно широко.
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.
И даже применяя CRISPR, не так-то легко создать по-настоящему губительный признак. Скажем, вы хотите создать дрозофилу, которая питалась бы свежими фруктами, а не гниющими, чтобы саботировать сельское хозяйство Америки. Для начала придётся выяснить, какие гены в ответе за то, что предпочитает есть мушка, — а этот процесс сам по себе долгий и сложный. Потом нужно будет изменить эти гены, чтобы повлиять на её поведение в нужную вам сторону — а это ещё более долгое и сложное предприятие. И это может не сработать, ведь гены, контролирующие поведение, сложны. Так что если вы террорист перед дилеммой: приступить к утомительным научным исследованиям, которые займут годы кропотливой работы и могут не дать результата, или устраивать взрывы — вы, скорее всего, выберете второе.
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.
Это вдвойне верно — ведь по крайней мере в теории должно быть несложно создать так называемый реверсивный драйв, который перезапишет те изменения, что внёс первый генный драйв. Если вам не понравится результат изменений, вы выпустите второй драйв, который их отменит — по крайне мере в теории.
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?
Так что же это значит для нас? Теперь мы способны изменять целые виды по своему усмотрению. Но стóит ли? Мы теперь боги? В этом я не уверена. Но я знаю вот что: во-первых, немало умных людей и сейчас обсуждают, как регулировать генный драйв. В то же время другие умные люди заняты тем, что создают механизм защиты — генный драйв, который саморегулируется или затухает за несколько поколений. Это здорово. Но эту технологию всё равно требуется обсуждать. И, учитывая природу генного драйва, обсуждать в мировом масштабе. Что, если Кения захочет применить драйв, а Танзания нет? Кто разрешит применение генного драйва, передающегося по воздуху?
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.
Я не знаю ответа на этот вопрос. Но в наших силах, продолжая исследования, правдиво говорить о рисках и преимуществах и нести ответственность за свои решения. Я имею в виду не только решение применить генный драйв, но и решение его не применять. Люди склонны полагать, что самый безопасный вариант — сохранять статус-кво. Но это не всегда так. У генного драйва есть риски, и о них нужно говорить, но малярия существует и убивает 1 000 человек в день. Борясь с ней, мы распыляем пестициды, которые серьёзно вредят другим видам, включая земноводных и птиц.
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.
Так что когда вы в следующий раз услышите о генном драйве — а вы о нём услышите, поверьте мне, — вспомните об этом. Действовать бывает страшно, но бездействие порой гораздо хуже.
(Applause)
(Аплодисменты)