所以，你已經(jīng)基因設(shè)計(jì)了一種抗瘧疾的蚊子，現(xiàn)在是什么?你需要多少只蚊子來代替攜帶疾病的野生型?什么是最有效的分配模式?你怎么能阻止工程蚊子的過早釋放?

在不知道這些問題的答案的情況下將基因工程生物釋放到環(huán)境中可能會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。但是，如果沒有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，你如何回答這些問題?

來自哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)轉(zhuǎn)基因的設(shè)計(jì)和分布，這些基因可以有效地取代野生蚊子并得到安全控制。

該研究最近發(fā)表在“ 美國國家科學(xué)院院刊”上。

在正常的進(jìn)化過程中，任何特定的特征都只有適度的后代遺傳機(jī)會(huì)。但是，隨著CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)的發(fā)展，研究人員現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出將所需性狀遺傳的可能性提高到接近100%的系統(tǒng)，即使該特性具有選擇性缺點(diǎn)。這些所謂的基因驅(qū)動(dòng)可以在短時(shí)間內(nèi)取代野生型基因。

這些強(qiáng)大的系統(tǒng)引起了嚴(yán)重的安全問題，例如如果基因工程蚊子意外逃離實(shí)驗(yàn)室會(huì)發(fā)生什么?

“基因驅(qū)動(dòng)構(gòu)建體向自然環(huán)境的意外或過早釋放可能會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，”該論文的第一作者，哈佛John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)與物理學(xué)院的研究生Hidenori Tanaka說。部門。

為了防止這種釋放，Tanaka和共同作者David Nelson，生物物理學(xué)的Arthur K. Solomon教授和普林斯頓大學(xué)的物理和應(yīng)用物理學(xué)教授和Howard Stone提出了一系列選擇性缺陷，這些缺陷可以使基因成為可能。傳播，但只有在達(dá)到臨界閾值之后。

研究人員使用非線性反應(yīng) - 擴(kuò)散方程來模擬基因如何在空間中移動(dòng)。這些模型為開發(fā)具有社會(huì)責(zé)任感的基因驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)框架，該基因驅(qū)動(dòng)平衡了基因工程特征與嵌入式弱點(diǎn)，可防止意外釋放和無法控制的傳播。

“我們實(shí)際上可以構(gòu)建啟動(dòng)和終止基因驅(qū)動(dòng)波的開關(guān)，”田中說。“在一個(gè)經(jīng)過精心挑選的制度中，只有當(dāng)接種參數(shù)超過我們能夠計(jì)算的臨界值時(shí)，波的空間擴(kuò)散才會(huì)開始或進(jìn)展。”

為了達(dá)到這個(gè)臨界質(zhì)量，研究人員發(fā)現(xiàn)基因需要在特定區(qū)域強(qiáng)烈釋放 - 就像遺傳炸彈一樣 - 而不是在較大的區(qū)域內(nèi)稀釋。只有當(dāng)遺傳爆炸的核超過臨界尺寸和強(qiáng)度時(shí)，這些基因才會(huì)傳播。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過使基因驅(qū)動(dòng)對一種對野生型基因無害的化合物敏感，基因驅(qū)動(dòng)的傳播可以通過殺蟲劑等障礙來阻止。

“這項(xiàng)研究說明了物理學(xué)家和應(yīng)用數(shù)學(xué)家如何在生物實(shí)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)上建立起來，為日益增長的空間群體遺傳學(xué)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，”尼爾森說。

接下來，研究人員希望了解基因突變和生物數(shù)量波動(dòng)對基因驅(qū)動(dòng)的影響。