1. februar 2017

1-2-3 gene drive! Sådan gør man

Tænk hvis man ved hjælp af gene drives kunne bekæmpe nogle af de skadelige organismer, mennesket ikke formår at bekæmpe effektivt i dag. Skadelige organismer, der er årsag til vidtrækkende og alvorlige problemer i form af dødsfald og sygdom blandt mennesker og dyr, tab af fødevarer, fortrængning af natur, tab af store pengesummer og arbejdskraft, og forureningsproblemer som følge af brugen af fx ukrudtsmidler og rottegift. Malaria alene er årsag til cirka en halv million dødsfald årligt, primært blandt fattige børn, hvilket gør malariamyggen til verdens farligste dyr. Der findes ingen effektive løsninger i Afrika, hvor problemet er størst.

Udviklingen inden for genteknologi, især brugen af den målrettede gen-saks CRISPR, som vi skal høre mere om neden for, har dog skabt nyt håb. I det følgende skal vi se nærmere på brugen af CRISPR til at igangsætte gene drives, som forskerne håber, kan udrydde bl.a. malaria i Afrika. Et gene drive kan få ”dårlige” gener til at brede sig i en mygge-population og medføre, at populationen kollapser, og at arten måske forsvinder helt fra naturen.

Forskerne har i 2015 vist, at man rent faktisk kan indsætte gene drives i malariamyg i laboratoriet og planlægger nu næste skridt hen imod afprøvning i naturen. Vi skal i det følgende se nærmere på, hvad forskerne mere specifikt gjorde, og på hvordan gene drives fungerer. Til sidst skal vi se nærmere på teknologiens usikkerheder og risici. Selv skadelige arter spiller ofte vigtige roller i økosystemer, og fjerner man dem, kan de tage andre arter med sig i faldet.

Myggelarve med gene drive gener. De lysende neuroner (øjne, hjerne og pletter ned ad kroppen) skyldes et markør-gen, som er blevet indsat sammen med gene drive generne, så man kan se, at myggen har generne i sig. (Foto: Andrew Hammond, Imperial College London) 

1.1 Super-mendelsk arvemønster

Ideen om at bekæmpe skadelige organismer ved at ændre på deres gener er ikke ny. Men det er på nogle måder ikke et særlig oplagt valg. For hvis man indsætter gener, der sænker en given organismes fitness (inden for biologien: Et individs evne til at overleve og reproducere sig), vil de med stor sandsynlighed gøre, at organismen taber i konkurrencen med andre organismer og forsvinde. Og med dem forsvinder de indsatte gener. Det er en af biologiens grundlove, at ”den bedst tilpassede organisme overlever”. Selv små ulemper kan være skæbnesvangre i den ofte hårde kamp for overlevelse i naturen.

Derfor lød det nærmest selvmodsigende, da forskere i 1968 viste, at man i teorien kan få et gen til at brede sig, selvom det gør organismen, der har fået det, væsentligt dårligere til at overleve og reproducere sig - og dermed dårligere til brede sig. Hvordan kan et dårligt gen vinde i konkurrencen imod et godt gen?! Tricket er så at sige unfair konkurrence!

Normalt nedarves gener med en sandsynlighed på 50 % (mendelsk arvemønster – enten arver man sin fars/mors ene eller andet gen 1 ), men det er muligt at få gener til at følge et såkaldt super-mendelsk arvemønster, hvor genet videreføres med næste 100 % sandsynlighed (se figur øverst). Det kan ske, fordi genet formår at kopiere sig selv til det helt samme sted i genomet, men nu på det andet kromosom i et kromosompar – fx fra fars ene kromosom i parret til det andet kromosom i parret. Når de to kromosomer i et par bliver skilt ad ved dannelse af kønsceller, vil alle kønsceller have en kopi af genet. Nu vil alt afkom arve genet frem for kun 50 %.

Dette kalder man et gene drive – der opstår, hvad forskerne betegner som en form for ”genetisk kædereaktion”. Genet breder sig i en population på bekostning af den normale genvariant (”vild-type”). Selvom myg med vildtype-genet (vildtype-myg) er bedre til at konkurrere, ”vinder” de dårlige gener altså frem, fordi de løbende, i hver generation, kan lave normale gener om til dårlige gener.

Forskellen på hvordan gener normalt nedarves (øverst), og hvordan de nedarves i et gene drive (nederst).

Øverst: Normalt breder et givent gen sig, modificeret eller ej (blå allel), ikke af sig selv i forhold til vildtype (brun allel).

Nederst: Her rummer det blå gen en drive-sekvens og kan overskrive vildtype-allellen. 

Se animation af forskellen på mendelsk og super-mendelsk arv (som også kaldes ”gene drive inheritance”) https://youtu.be/G1L0G00nCM8

1.2 Designede gene drives fører til populationskollaps

Gene drives forekommer faktisk naturligt. Såkaldte transposoner eller ”hoppende gener” har fra naturens hånd evnen til at kopiere sig selv rundt i arvemassen. Ved at studere dem, fik forskerne idéen om selv at designe gene drives ved hjælp af genteknologi. 2

Genteknologien var i 1968 ikke udviklet nok til, at man kunne designe et gene drive, men omkring årtusindeskiftet begyndte forskerne ved hjælp af traditionel genteknologi og viden om transposoner at forsøge, om det kunne lade sig gøre. Det viste sig dog at være både svært og tidskrævende. Transposoner er ikke tilstrækkeligt gode til at kopiere sig rundt. Men så opdagede forskerne i 2012 ”CRISPR”.

Blot tre år efter, at det for første gang var lykkedes at vise, at CRISPR kan bruges til at foretage genmodifikation, lykkedes det i 2015 for første gang ved hjælp af denne teknologi at lave et vellykket designet gene drive, først med to slags organismer, forskerne ofte ”tester” ideer på i laboratoriet, nemlig gær og bananfluer, kort efter med myg.

Det lykkedes faktisk så godt, at man under gunstige forhold kan få mygge-populationerne til at kollapse efter blot få generationer (dvs. reproduktionsrunder), fordi alle hun-myggene bliver ufrugtbare (infertile). 3 Det er ikke sikkert, at man kan udrydde alle malariamyggene, men forskerne håber, at man kan udrydde så mange, at malariaparasitten har svært ved at overleve. Resultaterne er så lovende, at Bill and Melinda Gates Foundation har doneret næsten en halv mia. kroner til at afprøve, om det kan lade sig gøre.

Som nævnt består den grundlæggende mekanisme i at indsætte en sekvens, der kan kopiere sig selv i hver generation. Men hvordan, rent teknisk, kan man det?

CRISPR [crisper] er et redskab, der gør det langt nemmere end hidtil at genetisk modificere levende organismer. Læs mere om CRISPR 

2. Gene drive på malariamyg ved hjælp af CRISPR

Svaret er, at man sammen med det indsatte gen indsætter ”opskriften” på en slags molekylær gensplejsnings-kit, de såkaldte CRISPR-gener, der kan kopiere sig selv, og eventuelt flere gener, til det tilsvarende sted på det homologe kromosom. Normalt, når man genmodificerer organismer, indsætter man blot et gen, der giver organismen en ny egenskab – fx kan man gøre en afgrødeplante resistent imod et bestemt sprøjtemiddel. Men når man vil igangsætte et gene drive, indsætter man altså desuden en ”kopimaskine”.

Den samlede ”drivesekvens”, man indsætter, rummer:

CRISPR-generne der får drivesekvensen til at blive kopieret, herunder

  • DNA der koder for guide-RNA – som rummer både CRISPR- og tracer-RNA, dvs. det kan binde sig til endonucleasen (DNA-saksen) og føre den hen til et bestemt sted i arvemassen, hvor der er en DNA-sekvens, der matcher (= er komplementær med) guide-RNAen. Guide-RNAen kan designes i laboratoriet, så den finder et hvilket som helst sted i arvemassen, i dette tilfælde et gen, der har betydning for hunmygs frugtbarhed
  • DNA der koder for Cas9-protein – et såkaldt endonuclease-enzym der kan klippe DNA over

    Til CRISPR-generne er koblet en promoter, dvs. en sekvens, der fortæller cellen, hvor genet skal være aktivt, i dette tilfælde i kønscellerne

RFP (Red Fluorescent Protein) er en genetisk markør, der gør det nemt for forskerne, allerede på et tidligt stadium (i myg: myggelarven) at genkende de individer, hvor modifikationen er lykkedes, dvs. at sekvensen er blevet indsat det rigtige sted og fungerer. RFP får modificerede celler, hvor genet er aktivt, til at lyse rødt, når man lyser på det med laserlys. RFP har sin egen promoter, dvs. en kort DNA-sekvens, der gør, at genet bliver udtrykt i nervevæv, som tidligt i myggens udvikling er let genkendeligt for forskerne

Eventuelt et gen der påvirker organismens konkurrenceevne – det kaldes også ”payload-genet”. Det gene drive, forskerne bruger på malariamyg, introducerer dog ikke et payload-gen, men ødelægger i stedet et eksisterende gen, nemlig et fertilitets-gen (FG-gen), ved at drive-sekvensen indsætter sig midt i det, så det ikke mere kan blive transkriberet og blive til et funktionelt protein. Dermed bliver hunmyggene sterile

Som vi skal se, vil man i hver ende af drive-sekvensen anbringe homologi-sekvenser


Forskernes drive-sekvens til at udrydde malaria i Afrika

2.1 Introduktion af drive i mygge-embryonet

Det første, forskerne gør, når de skal modificere malariamyg, er, at de blander de forskellige gener sammen og tilsætter enzymet ligase, der kan klistre DNA-stumper sammen. Resultatet er ringformede DNA-strenge, plasmider, der hver rummer drive-sekvensen (se boks forrige side).

For at en malariamyg kan begynde et gene drive, skal drivesekvensen 1) ind i myggens arvemasse (genmodifikation) og 2) overføre sig fra myggens ene kromosom til det andet (gene drive).

Se hvordan forskeren Andrew Hammond fra Imperial College London forbereder drive-sekvensen til at foretage gene drive i malariamyg.

2.1.1 Genetisk modifikation af myg

Modifikationen sker ved, at plasmiderne bliver injiceret i den del af mygge-embryonet, der senere bliver til myggens kønsceller (æg eller sæd).

Hvis forsøget lykkes, vil malariamyggens celler aflæse plasmidet og lave Cas9, den molekylære ”saks”, der bliver guidet hen til FG-genet (fertilitetsgenet) ved hjælp af guide-RNA, den ”molekylære sporhund”. Saksen klipper FG-genet over, og det får automatisk cellen til at reparere bruddet. Det gør den ved at bruge et gen med homologe sekvenser som skabelon. Under normale omstændigheder er det smart, for det betyder, at når et gen går i stykker, bliver det repareret ved at efterligne det homologe gen, der er intakt. Men man kan ”narre” cellen til at tro, at plasmidet er det homologe kromosom, hvis man uden om drive sekvensen har noget DNA, der er homologt med det område, drive-sekvensen skal indsættes i. Hvis det lykkes, bliver hele drive-sekvensen kopieret ind i FG-genet, der hvor bruddet tidligere var (se figuren nederst på siden).

Der er brug for både dygtighed, held og tålmodighed, for at modifikationen skal lykkes. Selv da lykkes det ekstremt sjældent. Forskerne tjekker nu hver eneste klækket myggelarve ved at undersøge, om de udtrykker RFP-genet. Hvis modifikationen er lykkedes, lyser deres nerveceller (hjerne, øjne og nervebaner) rødt, når man lyser på dem med laserlys. Forskerne bruger samme metode senere, når de skal tjekke, hvor ofte drive-sekvensen faktisk bliver videregivet til deres afkom.

Hør Andrew Hammond fortælle om, hvor vanskeligt det er at modificere myg med drive-sekvensen, og se hvordan han tjekker, om modifikationen er lykkedes.

2.1.2 Gene drive

Når det er lykkedes at modificere en mygs reproduktive celler, er næste skridt at parre den med vildtype-myg for at se, om drive-sekvensen virker. Hvis den gør det, vil processen gentage sig bortset fra, at denne gang sker der ikke en kopiering fra et plasmid til et myggegen, men fra et myggegen (nu med drivesekvens indsat i FG-genet) til det homologe kromosom/FG-gen. Slutresultatet er, at begge FG-gener i de celler, der bliver til æg og sæd, er ødelagt, fordi de begge rummer drive-sekvensen. Drive-sekvensen gør med andre ord myg homozygote for det gen (eller ødelagte gen), den introducerer.

Man kan undre sig over, at de modificerede myg overhovedet er frugtbare, og dermed kan videreføre drive-sekvensen, når de har fået ødelagt et fertilitets-gen? Den finte, forskerne har brugt, er at bruge et såkaldt recessivt gen, dvs. et gen, der kun påvirker organismen, hvis det er til stede på begge de nedarvede kromosomer (=myggene er homozygote for drive-sekvensen), ikke hvis det kun befinder sig på det ene kromosom (=heterozygote). Det løser dog ikke helt problemet, for CRISPR vil jo, som vi hørte, straks kopiere sig til det homologe kromosom og gøre hunmyggen homozygot – og dermed ufrugtbar. Her har forskerne igen været smarte, de har nemlig fundet et gen, der kun bliver udtrykt i kønscellerne. Mens myggen forbliver heterozygot, og dermed fertil, bliver kønsstamcellerne altså homozygote (se figur nedenfor).

Af samme grund er det afgørende for forskerne, når de injicerer drive-sekvensen for at frembringe den første modificerede myg, at kun kønsstamcellerne bliver homozygote, mens kroppens celler er umodificerede eller heterozygote. Hvis man injicerede i den befrugtede ægcelle, dvs. ophavet til alle myggens celler, ville en resulterende hunmyg være homozygot og dermed steril, og da ville den ikke kunne videregive generne til næste generation.

Den kvikke læser vil måske her spørge, hvordan forskerne så kan se, hvilke myg der succesfuldt er blevet modificeret? For hvis RFP-markøren kun lyser op i neuroner, dvs. somatiske celler, vil man ikke kunne se noget i embryoner, hvor kun kønscellerne er blevet modificeret? Svaret er: Det kan man heller ikke nødvendigvis – endelig sikkerhed får man først, når man efterfølgende krydser myggen med en vildtypemyg. Men nogle gange vil injektionen af drive-gener foruden kønscellerne have påvirket nogle af de omkringliggende celler, der bliver til neuroner, og disse vil i så fald lyse rødt.

Se Andrew Hammond der viser, hvordan forskerne gør myg klar til at afprøve et gene drive.

2.2 Arten kollapser

Under et gene drive skal alle myggene altså ende med at have kønsstamceller (dvs. diploide celler, der efter meiose er blevet til haploide kønsceller), der har drive-sekvensen på begge kromosomer (homozygote), selvom den kun er nedarvet fra én forælder. Myggen giver drive-sekvensen videre til alle sine afkom. Processen vil gentage sig generation for generation som beskrevet i indledningen. Snart vil alle myg have mindst én kopi af genet, og efterhånden vil alt afkom være født homozygot og hunmyggene dermed være sterile. Populationen kollapser.

Processen skal være ret effektiv, dvs. udbredelsen af genet skal ske ret hurtigt, for at man kan opnå et populationskollaps. Hvor effektiv den er, afhænger af mange forskellige ting, men nogle er de vigtigste er:

  • Effektiviteten af CRISPR. Man ved, at CRISPRs evne til at kopiere sig selv ikke altid er så god. Hvis kopieringen ikke sker tilstrækkelig ofte kan drive’et nemt gå i stå. Forskerne har dog opdaget, at reproduktive celler heldigvis er overraskende ”villige” til at foretage kopieringen. Faktisk sker det i hele 97 % af alle kønscellerne. Effektiviteten skyldes formentlig, at det evolutionært har været afgørende for myg og andre organismer at have meget effektive reparationsmekanismer i netop reproduktive celler, da fejl kunne føre til alvorlige arvelige sygdomme
  • Generationstiden. Myg er klar til at lægge æg efter cirka 14 dage. Under laboratorieforhold kan næsten 100 % af myggene have arvet genet efter mindre end to måneder. Til sammenligning anslås det, at hvis man brugte gene drive til at udrydde fx de karper (sælges i butikkerne som ”pangasius-filet”), der er invasive og helt har fortrængt andre livsformer i Victoriasøen i Afrika, ville det tage op imod 100 år, før man ville opnå en effekt! Forskerne ville ikke igangsætte et drive med så lav en effektivitet med de usikkerheder, det også indebærer, og det er også sandsynligt, at man, før de 100 år var gået, havde fundet på smartere og mere effektive teknikker
  • Fragmenteret population. Især kan effektiv spredning af gene drives være udfordrende, hvis populationen er fragmenteret og individerne dermed ikke så let kan komme til at overføre gener til hinanden, men mere parrer sig i adskilte grupper. I naturen lever arterne fragmenteret, og derfor kan gene drive spredningen være meget ringere end i laboratoriet. Det afhænger naturligvis også af, hvor mange gene drive-myg, der bliver sat ud, og hvor mange steder
  • Resistens. Forskellige populationer kan også være så genetisk forskelligartede, at kopieringen fungerer dårligere, for det kan gøre, at guide-RNAet ikke kan finde den matchende (komplementære) sekvens, hvor Cas9-enzymet skal klippe. Mange steder i arvemassen sker der løbende mutationer, og hvis det gør, at visse myg ikke optager drive-sekvensen, vil disse myg naturligvis meget hurtigt vinde frem – og drivet dermed være uden effekt. Derfor forudser forskerne, at gene drives i praksis formentlig vil gå i stå, hvis man ikke ”passer” dem, fx ved at igangsætte nye drives løbende. 4 Man har desuden forsøgt at indsætte flere drives i samme organisme, således at mindst ét af dem altid fungerer

Opgave: Skriv en tekst til denne figur, der beskriver, hvad der sker i figuren, og hvorfor den viser, hvordan man vha. gene drive kan udrydde en art.

3. Risici og usikkerheder

Malariamyg er efter al sandsynlighed den første skadelige art, man vil prøve at bekæmpe ved hjælp af et gene drive. Hvis det lykkes, og alt forløber som planlagt, vil man måske forsøge at bekæmpe andre organismer. Det er dog ikke alle organismer, man kan bekæmpe effektivt og sikkert på denne måde. På den ene side skal de, som vi hørte, have en tilpas kort generationstid, og populationen skal ikke være for fragmenteret. De skal også forplante sig seksuelt – planter og visse insekter kan formere sig uden parring, og da sker der ingen spredning af drive-sekvensen.

3.1 Risikovurdering

Nogle vil sikkert synes, at det lyder voldsomt, at man for at bekæmpe skadelige arter, sætter en slags ”genetisk kædereaktion” i gang. Ved man, hvad man gør, kan man spørge? Omvendt, hvis man stillede krav om, at der ingen usikkerheder måtte være, ville man aldrig kunne indføre ny teknologi. Men man kan bl.a. stille krav om, at der skal være en vis sikkerhed og vished for de konsekvenser, brugen af en teknologi som gene drives har. I EU er det sådan, at hvis denne vished ikke er tilstrækkelig, kan man stoppe teknologier på baggrund af et såkaldt ”forsigtighedsprincip”.

Forskerne er meget opmærksomme på, at det kan give problemer, hvis drivesekvensen breder sig mere end forventet eller på andre måder opfører sig på en uforudset måde. Før man udfører gene drive i naturen, forsøger man at blive klogere på og dermed begrænse de mulige usikkerheder og risici. Man igangsætter undersøgelser og forskning, som kan bidrage til at beskrive typen af risici og deres sandsynligheder. Den klassiske naturvidenskabelige definition af risiko siger, at:

risiko = risikoens alvorlighed x
dens sandsynlighed

Sådan en risikovurdering kan ganske vist ikke i sig selv afgøre, hvad der er acceptabelt at gøre. Fx kan selv ret begrænsede risici blive anset som uacceptable, og et krav kan være, at ulemperne er opvejet af tilsvarende fordele. Den naturvidenskabelige risikovurdering er dog vigtig som grundlag for politiske beslutninger.

Den amerikanske organisation National Academies of Sciences (NAS) skønnede i 2016, at der mangler ganske meget viden om gene drive teknologien, før den kan anses som sikker, og anbefaler, at en hvilken som helst afprøvning sker trinvis, dvs. først i laboratoriet, så i lukkede udendørs net, så i lille skala, fx på en ø. På basis af den viden, man her får, kan man tage stilling til, om man kan anbefale at igangsætte et rigtigt gene drive i naturen. 5 Alle disse foranstaltninger kan ses som udtryk for en ”forsigtigheds”-tilgang, hvor man, alt andet lige, tillader mere, jo mere man ved.

3.2 Risici og usikkerheder ved gene drives

Hvad er det så, man mere specifikt mener, der er af risici ved brugen af gene drives, og hvilke usikkerheder tænker man på – hvordan kunne de medføre skade på de ting, vi anser som værdifulde?

Den mest iøjnefaldende risiko handler om selve det, at en given art svinder kraftigt ind eller ligefrem forsvinder. Overordnet set bliver arter set både som værdifulde i sig selv, som del af livets mangfoldighed på Jorden. Mange arter er ganske vist blevet udryddet i takt med menneskets udbredelse og udbredelsen af ikke mindst landbrug, og lige præcis malariamyg vil de færreste nok savne.

3.2.1 Økologiske netværk

Men arter lever ikke isoleret, de er viklet ind i såkaldte fødekæder som igen er del af økologiske netværk i et økosystem. De kan være føde for nogle arter og selv spise andre, og de kan leve i symbiose med andre arter eller interagere med dem på andre måder. Man kan groft sagt sige, at udbredelsen af arter og dermed artsdiversiteten hænger snævert sammen med, at de forskellige arter bliver henholdsvis hjulpet og holdt nede af andre arter i et ofte kompliceret samspil. Fjerner man en art eller undertrykker den, opstår der et tomrum, der i varierende grad kan ændre på økosystemet eller blive ”fyldt ud” af andre arter.

I malariamygs tilfælde skønner forskerne umiddelbart, at risikoen ved selv total udryddelse er begrænset, da de kun udgør ganske få ud af flere tusinde myggearter. Så selvom fx flagermus og fiskelarver lever af henholdsvis de voksne myg og deres larver, vil udryddelsen af de specifikke myggearter næppe kunne mærkes i økosystemet.

Eksempel på fødenetværk, som igen kan ses som en delmængde af et større økosystem. 

Alligevel har nogle forskere foreslået, at frem for at udrydde malariamyg, kunne man indsætte et gen i dem, så de blev resistente imod malariaparasitten (modifikationsstrategi). Så ville indgrebet i økosystemet være mere begrænset, fordi myggene og deres larver stadig ville kunne indgå i økosystemet. Man ville have større sikkerhed for, at indgrebet ikke ville føre til uforudsete økologiske ændringer.

Der er dog også mulige fordele ved at forskerne i stedet bruger en undertrykkelsesstrategi. Fx vil det, at man helt fjerner myggene, også forhindre spredning af andre sygdomme via myggene.

3.2.2 Nøglearter

På grund af de komplicerede samspil i økologiske netværk kan det være ekstremt svært præcist at forudsige, hvilken betydning fjernelse af en given art vil have.

I nogle tilfælde er det i udgangspunktet ret sandsynligt, at udryddelse af en bestemt art vil have markante konsekvenser. Især plantearter i veletablerede økosystemer kan have grundlæggende betydning og oppebære en høj artsdiversitet. Organismer, der spiller en særligt stor rolle i sådanne økosystemer, kaldes for nøglearter. Fjerner eller ændrer man dem, kan hele økosystemet omkring dem ændre sig markant eller bryde helt sammen, så kun ganske få arter resterer. Fra landmænds perspektiv kunne det måske være fristende at udrydde en art som kvikgræs, der er et genstridigt ukrudt, som oven i købet danner resistens imod sprøjtemidler. Men et gene drive ville også udrydde planten, hvor den oprindeligt hører hjemme i naturlige økosystemer, og her kan konsekvenserne være store og er under alle omstændigheder usikre.

Kæmpebjørneklo. En invasiv og smuk, men giftig og skadelig art. (Foto: Rob Hille, via Wikimedia Commons)

3.2.3 Spredning til andre arter

Man ved også, at planter er bedre end dyr til at forplante sig med beslægtede arter og danne hybrider. Det kan gøre, at en indsat drive-sekvens ikke nøjes med at udrydde den art, man havde til hensigt, men også nært beslægtede arter. Man skal med andre ord have et ret godt kendskab til arts-barrierer for at forudsige effekterne ved et gene drive.

3.2.4 Invasive arter

Omvendt kan gene drives bruges til at redde arter og økosystemer. Økologisk ubalance kan nemlig også opstå, fordi fremmede arter breder sig til nye områder. Mange af de arter, der dominerer den danske natur, er arter, der er blevet indført af mennesker, og som har vist sig at trives så godt i Danmark, at de nu fortrænger den oprindelige flora eller fauna. Eksempler på sådanne invasive arter er fx de roser (rynket rose), der i dag breder sig i den danske natur; dræbersnegl (iberisk skovsnegl) der ikke mindst er kendt af haveejere, hvor de i stort tal kan ødelægge en køkkenhave på få dage; eller kæmpebjørneklo, mange børn kender pga. sin kraftige gift, der giver brandsårsagtige vabler ved berøring.

Hvis man bruger gene drives til at udrydde sådanne arter, frem for ved hjælp af de nuværende besværlige og dyre metoder, skal man dog medregne en risiko for, at drivet breder sig også til organismernes naturlige levesteder. Her kan arten som nævnt spille en vigtig økologisk rolle.

3.3 Kontrolmekanismer

Man kan have et ønske om at begrænse skader på naturen for dens egen skyld, men naturen er desuden på mange måder nyttig for mennesker. Den producerer fx bestøvere, ophober CO2, sikrer rent drikkevand, er kilde til lægemidler osv. Derfor kan skader på naturen også være til direkte skade for mennesker.

Det ideelle ville være, hvis man kunne begrænse risikoen ved gene drives, så man kunne isolere eller stoppe dem, hvis de ikke opførte sig som planlagt. En række kontrolmekanismer er faktisk allerede udviklet. Forskerne peger fx på, at hvis et drive ikke fungerer, som det skal, kan man ”bare” igangsætte et drive, der ”overskriver” det gamle (”reversal drive”). 6 Der er også udviklet såkaldte Daisy-chain Drives, som gør, at drive’et er genetisk programmeret til at dø ud efter et vist antal generationer. Så fungerer drivet naturligvis ikke så godt, men det kan bruges til at gennemføre de første gene drives uden for laboratoriet, hvor hensigten er at indsamle erfaring. Man kunne desuden forestille sig, at man udførte de første udslip på en ø eller i et land, hvor vinteren hvert år ville dræbe de overlevende myg.

3.3.1 Den menneskelige faktor

Endelig er der det, man kunne kalde for ”den menneskelige faktor” – altså, at brugen af gene drive ”opfører sig” uforudset, fordi mennesker ikke altid træffer perfekte eller rationelle beslutninger. Ville gene drives kunne bruges af terrorister? Ville forskere uintenderet komme til at slippe nogle forsøgsorganismer ud?


Noter

1. Læs mere om mendelsk arvemønster: Alt om DNA, http://www.etiskraad.dk/undervisning/etik-og-livets-byggeklodser-for-gymnasieskolen/alt-om-dna/1-klassisk-genetik/5-arvelighed-foelger-et-moenster

2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2016. Gene Drives on the Horizon: Advancing Science, navigating Uncertainty, and Aligning Research with Public Values. Washington, DC: The National Academies Press

3. Hammond, A. et al. 2016: A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae. Nature Biotechnology 34: 78–83

4. Andrew Hammond, personlig kontakt

5. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2016. Gene Drives on the Horizon: Advancing Science, navigating Uncertainty, and Aligning Research with Public Values. Washington, DC: The National Academies Press

6. Champer, J et al.2016: Cheating evolution: engineering gene drives to manipulate the fate of wild populations. Nature Reviews Genetics 17: 146-159

Figur: Genetisk modifikation af myg

Det injicerede plasmid bliver transkriberet af cellen og Cas9 bliver translateret. Myggens fertilitetsgener på de homologe kromosomer (1 og 2) er stadig uberørte.


Det resulterende CRISPR-kompleks kan ved hjælp af guide-RNAet finde hen til myggens fertilitetsgen, som det klipper over, og cellen reparerer bruddet ved at kopiere plasmidet, dvs. ved hjælp af homolog rekombination (læs mere DNA-reparation gennem homolog rekombination: www.etiskraad.dk/dna-reparation).


Drive-sekvensen er nu blevet indsat i et af mygge-cellens egne kromosomer (kromosom 1). Første gang det sker, er det resultatet af en vellykket genmodifikation, men når drivet går i gang, kommer drive-sekvensen fra en af myggens forældre. I kønscellerne sker der transkription af drive-sekvensen og Cas9 translateres desuden fra Cas9-RNAet, nu ikke fra plasmidet, men fra den kopi af drive-sekvensen, der er indsat i cellens eget kromosom.


CRISPR-komplekset finder ved hjælp af guide-RNA hen til fertilitets-genet på det homologe kromosom (kromosom 2) og klipper det over. Cellen bruger det homologe gen, indeholdende drive-sekvensen (kromosom 1), som skabelon for reparationen af kromosom 2.


Begge kromosomer i kønscellerne rummer nu drive-sekvensen, selvom myggen oprindelig var heterozygot - dvs. havde modtaget drive-sekvensen fra den ene af sine forældre (eller oprindelig via genmodifikation).