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.
Jag ska tala om drivande gener, men jag ska börja med att berätta en kort historia. För 20 år sedan blev Anthony James, en ung biolog besatt av tanken att göra myggor som inte överförde malaria.
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.
Det var en fantastisk idé och faktiskt ett komplett misslyckande. För det första så visade det sig vara väldigt svårt att göra en malariaresistent mygga. James lyckades till slut, för bara några år sedan, genom att addera några gener som hindrade malariaparasiten från att överleva inne i myggan.
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.
Men då uppstod ett nytt problem. Nu när man har en malariaresistent mygga, hur byter man ut alla de malariabärande myggorna? Det finns ett par sätt, men plan A var kort och gott att föda upp en mängd av den nya genmodifierade myggan, släppa dem fria i hopp om att de skulle sprida generna. Problemet var att man måste släppa ut bokstavligt talat 10 gånger så många som de vilda myggorna. Så i en by med 10 000 myggor, skulle du släppa ut ytterligare 100 000. Som ni kanske kan gissa, så var detta inte särskilt populärt bland byborna.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Men i januari förra året, fick Anthony James ett mejl från en biolog, Ethan Bier. Bier sa att han och hans doktorand Valentino Gantz hade snubblat över ett verktyg som förutom att garantera att en specifik genetisk egenskap skulle ärvas, även skulle sprida den otroligt snabbt. Om de hade rätt så skulle det faktiskt lösa problemet som han och James hade jobbat med i 20 år.
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.
Som ett test, modifierade de två myggor så att de bar antimalariagenen och även detta nya verktyg, en drivande gen, som jag ska förklara strax. Slutligen gjorde de så att alla myggor som hade förvärvat antimalariagenen inte hade de vanliga vita ögonen, utan istället skulle ha röda ögon. Detta var en bekvämlighetssak så de med ett ögonkast skulle se skillnad på dem.
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.
De tog sina två rödögda antimalariamyggor och placerade dem i en låda med 30 vanliga vitögda, och lät dem föröka sig. På två generationer hade det producerats 3 800 barnbarn. Detta är inget förvånande. Detta är det som förvånar: Med tanke på att man börjat med endast två rödögda myggor och trettio vitögda, så borde man kunna förvänta sig flest vitögda avkommor. Men, när James öppnade lådan, hade alla 3 800 myggor röda ögon.
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.
När jag frågade Ethan om detta ögonblick, blev han så upphetsad att han bokstavligen skrek i telefonen. För resultatet med endast rödögda myggor strider mot en av biologins hörnstenar, Mendels genetiska lagar. Jag tar kortversionen, när en hane och hona parar sig, ärver avkomman hälften av sitt DNA från varje förälder. Så om den ursprungliga myggan var aa och vår nya mygga aB, där B är antimalariagenen, så borde avkomman bli fyra olika genotyper: aa, aB, aa, Ba. Med den nya drivande genen, blev alla aB. Detta borde vara biologiskt omöjligt.
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.
Vad var det som hände? Det första som hände var att vi 2012 fick det genetiska verktyget CRISPR. Många av er har nog hört talas om CRISPR, man kan säga att CRISPR är ett verktyg som möjliggör för forskare att snabbt och lätt modifiera gener med precision. Det gör den genom att utnyttja en mekanism som redan finns i bakterier. Helt kort, ett visst protein fungerar som en sax och klipper DNA:t, och det finns en RNA-molekyl som styr saxen till vilken plats du vill i genomet. Resultatet är som ett ordbehandlingsprogram för gener. Man kan ta ut en hel gen, sätta in en, eller till och med endast en enda bokstav i en gen. Och man kan göra det i nästan alla arter.
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.
OK, kommer ni ihåg att drivande gener från början hade två problem? Det första var att det var svårt att modifiera en mygga så att den blev malariaresistent. Det är löst nu, tack vara CRISPR. Det andra problemet var logistiskt. Hur får man sin egenskap att spridas? Det är här det blir så smart.
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.
För några år sedan var det en biolog vid Harvard som hette Kevin Esvelt som undrade vad som hände ifall du gjorde så att CRISPR inte bara satte in den nya genen, utan också maskineriet som utför klippandet och klistrandet. Med andra ord, tänk om CRISPR också kopierade och klistrade in sig själv. Det skulle bli en evighetsmaskin för geneditering. Och det är precis vad som hände. Den här drivande CRISPR-genen som Esvelt skapade garanterar inte bara att egenskapen kommer att föras vidare, utan om den används i en arvslinje av celler, så kommer den automatiskt att föra vidare den nya genen i båda kromosomerna på varje individ. Det är som ett globalt "sök upp och ersätt", eller mer vetenskapligt, det gör en heterozygot egenskap homozygot.
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.
Så vad innebär detta? Det innebär att vi har ett mycket kraftfullt, men också något alarmerande redskap. Tills nu har det faktum att detta inte fungerat så bra varit något av en lättnad. Vanligtvis när vi stökar runt med en organisms gener, så gör vi dem mindre evolutionärt anpassade. Så biologer kan göra vilka muterade fruktflugor de vill utan att behöva bry sig. Rymmer några, kommer den naturliga selektionen att ta bort dem.
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.
Det anmärkningsvärda, kraftfulla och skrämmande med drivande gener är att detta inte längre stämmer. Om vi utgår ifrån att din egenskap inte ger ett evolutionärt handikapp, som en mygga som inte kan flyga, så kommer den CRISPR-baserade genen obevekligt att sprida förändringen tills den finns i varje enskild individ i populationen. Det är inte så lätt att göra fungerande drivande gener, men James och Esvelt tror att vi kan.
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.
Den goda nyheten är att detta öppnar dörrar till fantastiska saker. Kan man bara sätta in en drivande gen mot malaria i 1 procent av Anophelesmyggorna, arten som sprider malaria, så beräknar forskarna att den skulle spridas till hela populationen på ett år. Så på ett år skulle man praktiskt taget kunna utrota malaria. I praktiken är vi fortfarande några år från att kunna göra det, men ändå, det dör 1 000 barn om dagen av malaria. Om ett år skulle det kunna vara nästan noll. Detsamma gäller denguefeber, chikungunya, gula febern.
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.
Och det blir ännu bättre. Låt säga att man vill bli av med en invasiv art, som asiatisk karp från de Stora sjöarna Man behöver bara släppa lös en drivande gen som gör att det endast föds hanar. På några få generationer finns det inga honor kvar, ingen mer karp. Teoretiskt kan vi rädda hundratals inhemska arter som konkurreras ut.
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.
OK, det var de goda nyheterna, här kommer de dåliga. Drivande gener är så effektiva att till och med ett utsläpp av misstag skulle kunna förändra en hel art, och ofta väldigt snabbt. Anthony James var väldigt försiktig. Han odlade myggorna i ett tätt laboratorium. och han använde en art som inte finns naturligt i USA så även om någon skulle rymma, så skulle de bara dö ut, det skulle inte finnas någon partner. Men om ett dussin asiatiska karpar, med alla-blir-hanar-genen, oavsiktiligt skulle föras från de Stora sjöarna, tillbaka till Asien, skulle de kunna radera ut den inhemska populationen av asiatisk karp. Och det är inte helt osannolikt, då vår värld är ihoplänkad. Det är ju därför vi har problem med invasiva arter. Och då gäller det fisk. Saker som myggor och bananflugor, det är omöjligt att stänga dem inne. De korsar gränser och oceaner hela tiden.
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.
OK, den andra dåliga nyheten är att drivande gener kanske inte håller sig till det vi kallar målarten. Detta beror på genföde, vilket är ett sätt att säga att närbesläktade arter ibland korsas. Om det händer, är det möjligt att den drivande genen korsas över, från asiatisk karp till andra sorters karp. Det är ju inte så farligt om den drivande genen ger en egenskap som ögonfärg. Vi kommer troligtvis att få se en uppsjö av väldigt konstiga bananflugor i framtiden. Det skulle bli katastrof ifall den drivande genen var gjord för att utrota arten.
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.
Till sist är det oroande att tekniken för att göra detta, att genetiskt modifiera en organism och lägga till en drivande gen, är något som praktiskt tagen vilket labb som helst i världen kan klara. En student kan göra det. En begåvad gymnasieelev med lite utrustning kan göra det.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
Jag antar att detta låter fruktansvärt.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Men, ändå, nästan alla forskare jag pratar med verkar tycka att drivande gener faktiskt inte är så skrämmande och farliga. Delvis för att de tror att forskare kommer att vara väldigt försiktiga och ansvarsfulla.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Än så länge stämmer det. Men drivande gener har också vissa begränsningar. För det första fungerar de bara på arter som förökar sig sexuellt. De kan tack och lov inte användas för att modifiera virus eller bakterier. Egenskapen sprids endast vid varje ny generationcykel. Så förändringar av en population fungerar praktiskt endast om arten har en kort reproduktionscykel, som insekter eller små ryggradsdjur som möss eller fisk. Hos människor skulle det ta århundraden för en egenskap att spridas och få betydelse.
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.
Även med CRISPR, är det inte lätt att konstruera en riktigt förödande egenskap. Om du vill göra en bananfluga som livnär sig på färsk istället för gammal frukt, med målet att sabotera det amerikanska jordbruket. Först måste du klura ut vilken av generna som kontrollerar vad flugan vill äta, vilket bara det är ett långt och komplicerat projekt. Sedan måste du förändra dessa gener för att förändra flugans beteende till det du vill, vilket är ett ännu längre och mer komplicerat projekt. Det kanske inte ens funkar, för gener som styr beteenden är komplexa. Så om du är en terrorist och måste välja mellan att påbörja ett svårt forskningsprogram som kräver år av noggrant arbete och som ändå kanske inte fungerar eller att spränga saker? Du skulle nog välja det senare.
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.
Detta eftersom det i alla fall i teorin borde vara ganska enkelt att göra en så kallad återföringsgen. Det är en som helt enkelt skriver över den första drivande genen. Så om du inte gillar effekten av en förändring, kan du bara frisläppa en andra gen som avbryter den, åtminstone i teorin.
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?
Så, vad händer nu då? Vi har nu kunskapen att med flit ändra en hel art. Ska vi det? Är vi gudar nu? Jag är inte så säker på det. Men jag säger följande: Några verkligt smarta personer debatterar redan om hur vi ska kontrollera drivande gener. Samtidigt håller andra väldigt smarta personer på att arbeta med att skapa skyddsåtgärder, med gener som är självreglerande eller ebbar ut efter några generationer. Det är bra. Men den här tekniken behöver ändå en diskussion. Och med tanke på dess egenskaper, behöver diskussionen vara global. Tänk om Kenya vill använda en drivande gen, men inte Tanzania? Vem fattar beslut om att släppa ut en drivande gen som kan flyga?
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.
Jag har inget svar på det. Det vi kan göra när vi går framåt, är att uppriktigt prata om risker och vinster och ta ansvar för våra val. Med det menar jag inte bara valet att använda en drivande gen, utan också valet att inte använda en. Människan har en tendens att anta att det säkraste valet är att bevara status quo. Men det stämmer inte alltid. Drivande gener medför risker och dessa måste diskuteras, men malaria existerar nu och dödar 1 000 personer om dagen. För att bekämpa detta, sprider vi insektsmedel som skadar andra arter, bland annat amfibier och fåglar.
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.
Så när du hör om drivande gener de kommande månaderna, och tro mig, du kommer att få höra om dem, kom då ihåg: Det kan vara skrämmande att agera, men ibland är det värre att inte göra det.
(Applause)
(Applåder)