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.
Budem hovoriť o genetických nástrojoch, tzv. gene drives, ale najprv vám poviem krátky príbeh. Pred 20 rokmi bol biológ Anthony James priam posadnutý myšlienkou, že vytvorí komáre, ktoré nebudú prenášať maláriu.
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.
Bol to úžasný nápad, ktorý v podstate skončil fiaskom. Ako prvé sa ukázalo, že vytvoriť komára s rezistenciou na maláriu bolo ťažké. Jamesovi sa to napokon pred pár rokmi podarilo tak, že do genómu pridal gény spôsobujúce, že parazit malárie nedokázal v komárovi prežiť.
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.
Hneď však vznikol druhý problém. Keď už máte komára s rezistenciou na maláriu, ako dosiahnete, aby nahradil všetky komáre, ktoré ju prenášajú? Existuje pár možností, ale plán A bol vyšľachtiť skupinu nových geneticky modifikovaných komárov, vypustiť ich do prírody a dúfať, že predajú svoje gény budúcim generáciám. Na to, aby tento plán uspel, by však ich počet musel desaťnásobne presahovať počet voľne žijúcich komárov. Takže v dedine s 10 000 komármi, by ste museli vypustiť ďalších 100 000. Asi uhádnete, že táto stratégia nebola u miestnych veľmi obľúbená.
(Laughter)
(smiech)
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.
Minulý rok v januári dostal Anthony James mail od biológa Ethana Biera. Bier mu písal, že spolu so študentom Valentinom Gantzom našli nástroj, ktorý by nielenže zaručil zdedenie určitého genetického znaku, ale aj to, aby sa neuveriteľne rýchlo rozšíril. Ak by mali pravdu, vyriešili by problém, na ktorom James pracoval už 20 rokov.
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.
Otestovali to tak, že vytvorili 2 komáre, ktoré niesli gén rezistencie na maláriu a zároveň použili nový nástroj, o ktorom vám o chvíľu poviem viac. Nakoniec sa postarali o to, aby všetky komáre, ktoré zdedia gén proti malárii, nemali obyčajné biele oči, ale aby ich mali červené. To, aby bolo už na prvý pohľad ľahké povedať, ktorý komár je ktorý.
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.
2 červenooké komáre neprenášajúce maláriu zavreli do nádoby s 30 obyčajnými bielookými komármi, aby sa množili. Za dve generácie mali 3 800 vnúčeniec. To nebolo prekvapujúce. Prekvapujúce bolo, že keďže ste začali s 2 červenookými a 30 bielookými komármi, očakávali by ste väčšinou bielookých potomkov. Namiesto toho, ako James zistil, keď otvoril nádobu, malo všetkých 3 800 komárov červené oči.
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.
Keď som sa ho na to opýtala, od nadšenia začal kričať do telefónu. To, že všetky komáre mali červené oči, totiž úplne porušilo základné pravidlo v biológii – mendelistickú dedičnosť. Rýchlo to vysvetlím. Podľa mendelistickej dedičnosti zdedí po párení samca a samičky ich potomok od každého rodiča polovicu DNA. Takže ak by nemodifikovaný komár bol aa a modifikovaný bol aB, kde B je gén rezistencie, ich potomkovia mali existovať v štyroch permutáciách: aa, aB, aa, Ba. Namiesto toho boli všetky komáre vďaka novej technológii aB. Z biologického hľadiska by to nemalo byť možné.
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.
Čo sa teda stalo? To prvé bol objav nástroja na editáciu génov známeho ako CRISPR v roku 2012. Mnohí z vás už o ňom asi počuli, takže len v krátkosti poviem, že CRISPR umožňuje vedcom veľmi precízne, jednoducho a rýchlo editovať gény. Využíva na to mechanizmus, ktorý prirodzene existuje v baktériách. Ide o systém zložený z proteínu fungujúceho ako nožnice strihajúce DNA, a z molekuly RNA, ktorá ich namieri na akékoľvek žiadané miesto v genóme. Výsledkom je akýsi textový editor pre gény. Dá sa použiť na odstránenie génu, vloženie génu alebo zmenu jedného písmena v rámci génu. Dá sa použiť pri takmer všetkých živočíšnych druhoch.
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.
Spomínate si, že Jamesova technológia mala pôvodne dva problémy? Po prvé, bolo ťažké vytvoriť komára s rezistenciou na maláriu. Vďaka CRISPR to už vlastne nie je problém. Druhý problém sa týkal logistiky. Ako rozšíriť želaný znak v populácii? Tu prišiel dômyselný nápad.
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.
Pred pár rokmi uvažoval harvardský biológ Kevin Esvelt o tom, čo by sa stalo, keby CRISPR nevnášal len nový gén, ale aj nástroj na štiepenie a vkladanie. Inými slovami, čo by sa stalo, keby CRISPR sám seba kopíroval a vkladal. Dostali by ste perpetum mobile na úpravu génov. A presne to sa aj stalo. Esvelt upravil CRISPR tak, aby nielenže zaručil dedičnosť určitých génov, ale pri použití v zárodočných bunkách automaticky kopíroval a vkladal nový gén do oboch chromozómov každého jednotlivca. Je to ako globálna funkcia „hľadať a nahradiť“, alebo odborne povedané z heterozygotného jedinca sa stáva homozygotný.
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.
Čo z tohto vyplýva? Okrem iného to, že máme nový veľmi výkonný, ale aj dosť znepokojujúci, genetický nástroj. Dosiaľ nám tak trochu odľahlo pri počutí, že takéto niečo veľmi dobre nefungovalo. Keď sa babreme v génoch nejakého organizmu, zvyčajne zhoršíme jeho šancu na evolúciu. Biológovia si pokojne môžu vyrobiť toľko zmutovaných mušiek, koľko len chcú. Ak niektoré uniknú, postará sa o ne prirodzený výber.
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.
Táto nová technológia je výnimočná, výkonná a znepokojivá preto, že v jej prípade to už neplatí. Za predpokladu, že vaša zmena nepovedie k veľkej evolučnej nevýhode, napríklad, pri komároch k strate schopnosti lietať, bude táto technológia zmenu nekompromisne rozširovať, až kým nebude v každom jednotlivcovi určitej populácie. Vytvoriť dobre fungujúci genetický nástroj nie je ľahké, ale James a Esvelt si myslia, že je to možné.
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.
Dobrou správou je, že nám to otvára dvere k niekoľkým pozoruhodnostiam. Ak by ste modifikovali čo i len 1 % komárov rodu anopheles, ktoré prenášajú maláriu, výskumníci odhadujú, že táto zmena by sa do roka rozšírila v celej populácii. Takže do roka by ste mohli prakticky eliminovať maláriu. V praxi nám bude trvať ešte pár rokov, kým to dokážeme, ale nezabúdajme, že denne zomrie na maláriu 1000 detí. Do roka by to číslo mohlo byť rovné 0. Plati to aj pre horúčku dengue, ochorenie chikungunya a žltú zimnicu.
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 lepšie ešte len príde. Povedzme, že sa chcete zbaviť invázneho druhu, napríklad ázijského kapra vo Veľkých kanadských jazerách. Stačí urobiť len to, že ich geneticky modifikujete tak, aby plodili len samce. Stačí pár generácií a nebudú už žiadne samičky, čo znamená koniec kaprov. Teoreticky by sme mohli obnoviť stovky pôvodných druhov, ktoré boli vytlačené na pokraj.
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.
Tak to boli dobré správy. Teraz prídu tie zlé. Táto technológia je taká efektívna, že dokonca aj náhodný únik modifikovaného jedinca by mohol zmeniť celý druh a často veľmi rýchlo. James urobil dobré preventívne opatrenia. Komáre choval v zabezpečenom laboratóriu a použil druh, ktorý nepochádzal z USA, takže keby komáre unikli, proste by vymreli, pretože by sa nemali s kým páriť. Pravdou je však aj to, že ak by sa tucet modifikovaných ázijských kaprov náhodou dostal z Veľkých kanadských jazier späť do Ázie, mohli by potenciálne vyhubiť celú domácu populáciu ázijských kaprov. Náš svet je taký prepojený, že to nie je nepravdepodobné. Pre tú prepojenosť máme problémy s inváznymi druhmi. A to ide o ryby. Pri komároch a ovocných muškách sa nedá zabrániť ich šíreniu. Neustále prechádzajú cez hranice a oceány.
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.
Druhá zlá správa je, že táto technológia nemusí zostať obmedzená len na takzvaný cieľový druh. Dôvodom je génový tok, čo je nóbl spôsob, ako povedať, že susediace druhy sa niekedy krížia. Takto by sa medzi druhmi mohli predať aj modifikované gény a ázijský kapor by mohol infikovať iný druh kapra. Nebolo by to také zlé, ak by išlo o znak ako je napríklad farba očí. Je tu vlastne dosť dobrá šanca, že v blízkej budúcnosti budeme vidieť vlnu veľmi zvláštnych ovocných mušiek. Ak by však vaša modifikácia mala za úlohu vyhubiť celý druh, bola by to katastrofa.
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.
Posledná znepokojujúca vec na tejto technológii, na takomto spôsobe genetickej modifikácie organizmu, je to, že ju dokáže urobiť v podstate ktorékoľvek laboratórium na svete. Dokáže to vysokoškolák. Dokáže to talentovaný stredoškolák so správnym laboratórnym vybavením.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Predpokladám, že to znie desivo.
(Laughter)
(smiech)
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.
Skoro žiadny z vedcov, s ktorými som sa rozprávala, nepovažoval túto technológiu za až takú hrozivú alebo nebezpečnú. Sčasti preto, že verili, že vedci budú k jej využitiu pristupovať veľmi opatrne a zodpovedne.
(Laughter)
(smiech)
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.
Zatiaľ majú pravdu. Táto technológia má však aj skutočné obmedzenia. Okrem iného funguje len pri druhoch, ktoré sa rozmnožujú sexuálne. Vďakabohu ju nemôžeme použiť pri modifikácii vírusov a baktérií. Modifikácia sa navyše rozširuje len s každou ďalšou generáciou. Zmena alebo vyhubenie nejakej populácie sú praktické, iba ak má príslušný druh rýchly reprodukčný cyklus, ako ho má hmyz alebo malé stavovce ako myši alebo ryby. Pri slonoch a ľuďoch by trvalo storočia, kým by sa znak dostatočne rozšíril.
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.
Okrem toho ani s CRISPR nie je jednoduché vytvoriť skutočne zničujúcu modifikáciu. Možno by ste chceli vytvoriť ovocnú mušku živiacu sa čerstvým ovocím s cieľom sabotovať americké poľnohospodárstvo. Ako prvé by ste museli zistiť, ktoré gény ovládajú to, čím sa chce muška živiť, čo je veľmi dlhý a zložitý projekt. Potom by ste ich museli zmeniť tak, aby sa muška správala tak, ako to chcete vy, čo je ešte dlhší a zložitejší projekt. Navyše to možno nebude fungovať, pretože gény ovládajúce správanie sú komplexné. Čo by ste si ako terorista vybrali: namáhavý nákladný výskumom, ktorý si vyžaduje roky pedantnej práce v laboratóriu s malou šancou na úspech, alebo bombu? Asi by ste si vybrali bombu.
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.
Je to pravda hlavne preto, že teoreticky by malo byť dosť jednoduché vytvoriť modifikáciu s opačným účinkom. Tá by v podstate prepísala už vykonané zmeny. Ak sa vám nepáčia následky vykonanej zmeny, môžete teoreticky vytvoriť druhú modifikáciu, ktorá ich zruší.
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?
Dobre, takže ako sme na tom? Máme schopnosť ľubovoľne zmeniť celý druh. Mali by sme to spraviť? Sme teraz bohovia? To by som asi netvrdila. Povedala by som však toto: po prvé, niektorí ľudia už teraz hovoria o tom, ako regulovať túto technológiu. Zároveň sú tu ľudia, ktorí tvrdo pracujú na poistkách pre túto technológiu, ako je samoregulácia alebo jej vytratenie po niekoľkých generáciách. To je skvelé. Je však potrebné o tejto technológii hovoriť. Keď zoberieme do úvahy jej podstatu, musí ísť o celosvetovú diskusiu. Čo ak by ju Keňa chcela použiť a Tanzánia nie? Kto rozhodne o vypustení modifikovaného druhu, ktorý vie lietať?
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.
Na to vám neviem odpovedať. Myslím si, že to čo môžeme urobiť, je úprimne hovoriť o rizikách a výhodách tejto technológie a byť zodpovední za naše rozhodnutia. Tým myslím nielen rozhodnutie či ju použiť, ale aj rozhodnutie nepoužiť ju. Ľudia majú tendenciu predpokladať, že to najbezpečnejšie je zachovať status quo. To však nie je vždy pravda. Táto technológia má svoje riziká, o ktorých sa musí hovoriť, ale malária je aktuálny problém a denne zabije 1 000 ľudí. Snažíme sa s ňou bojovať pesticídami, ktoré závažne poškodzujú aj iné druhy, vrátane obojživelníkov a vtákov.
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.
Keď budete počas nasledujúcich mesiacov počuť o tejto technológii, a verte mi, budete o nej počuť, pamätajte na toto. Môžeme sa báť niečo urobiť, ale niekedy je horšie keď neurobíme nič.
(Applause)
(potlesk)