遺傳工具可以幫助對抗瘧疾和入侵物種。但是我們應該使用它嗎？
查爾斯達爾文不知道基因是什麼。如果我們將進化之父放到2019年，那麼人類可以故意改變整個物種基因的想法對他來說肯定會像巫術一樣。
但是CRISPR基因工具___一種新的，不可思議的強大技術，有能力做到這一點，迫使基因在人群中傳播。基因工具允許我們為自己的目的而自然選擇，潛在地防止疾病的傳播或根除侵入性害蟲。
然而，正如在我們知識的前沿所進行的任何科學研究一樣，我們仍然會對CRISPR基因工具的強大程度達成一致。玩基因重組遊戲意味著我們將來可能會選擇哪些物種生存，哪些物種死亡 - 這是科學家和倫理學家同意的一種近乎令人難以置信的能力，它給我們帶來了獨特的倫理、社會和道德挑戰。
查爾斯達爾文建立了進化論，但他生活在我們理解基因之前的一段時間。但首先，我們來談談基因工程。數千年來，人類一直在干擾遺傳學。我們馴養了狗，我們飼養了巨大的雞。但是在20世紀，我們學會了基因是由DNA構成的，我們創造了一些工具，可以讓我們對它們進行修補。到了20世紀70年代，這開闢了一個新的研究領域。在接下來的40年裡，基因工程在科學家中變得司空見慣。這並不容易。成功插入或刪除基因需要時間，高級專業知識和大錢包。但是在2012年，隨著CRISPR的發現，基因工程變得更便宜，更快速，更高效。
現在，科學家擁有一個強大的分子工具，可以可靠地改變幾乎任何生物體。它在2013年被吹捧為一場革命，它一直在推動作物的基因改造，潛在的新癌症治療，精製抗生素以及創造疾病動物模型的新方法。通過將其與“基因驅動”相結合，CRISPR正在逆轉世界上一些最大的生態問題，“基因驅動”是一種強大的基因工程工具，用於在整個人群中傳播基因。在短短五年內，CRISPR基因驅動技術已經從開拓性理念轉變為即將到來的現實。
在倫敦，一個研究小組正在努力完善一項可以消滅攜帶瘧疾蚊子的種群，以對抗根據世界衛生組織每年殺死近50萬人的疾病。與此同時，在澳大利亞，有毒的甘蔗蟾蜍肆虐穿越大陸，危及當地物種。研究人員希望使他們的毒素變得惰性並控制它們的傳播，使自然的動植物群有機會反彈。一個沒有瘧疾的世界。沒有入侵物種的行星。
它被稱為瘧原蟲，一種感染肝臟和血液的單細胞寄生蟲。它會導致瘧疾，這種疾病可能致命，尤其是兒童。寄生蟲隱藏在載氧的紅細胞中並繁殖，最終從細胞中爆炸，在此過程中摧毀它。2016年，該病感染了2.16億人，造成44.5萬人死亡。其中90％以上發生在非洲，70％的死亡發生在5歲以下兒童。為了感染人類，瘧原蟲依賴於雌性蚊子。寄生蟲停留在蚊子內部，當蚊子將針狀口插入皮膚時，寄生蟲會轉移到人體內。
科學家推斷，為了瘧疾的目標，你可以瞄準蚊子，阻止蚊子通過人群傳播寄生蟲。通過基因工程控制瘧疾的早期嘗試集中於生產“轉基因”蚊子。將來自其他生物體的DNA引入其基因組中，這有助於防止寄生蟲的傳播。
實驗室取得了成功，研究表明轉基因生物可以用滅活瘧原蟲的基因或完全停止其發育來創造。然而，通過添加額外的基因，科學家們已經使實驗室種植的昆蟲變得脆弱，並且不太可能在野外生存。這使他們無法傳播抗瘧疾基因，因為它們在有機會繁殖之前就會死得太快。
科學家怎麼能克服這個問題？像往常一樣，大自然提供了答案。
---改變物種的起源。改變物種的力量始於性別。基因成對存在。當兩個生物交配時，他們將每個生物交給他們的後代。他們不選擇哪種基因得到遺傳。這是一個基因拋硬幣：每個基因有50％的機會被傳下來。然而，一些基因是自私的。他們使用分子技巧確保它們以超過50％的幾率傳遞。像這樣打破遺傳規則，這些自私的基因可以隨著時間的推移在整個種群中存活和傳播，即使它們使生物體變弱。
自20世紀60年代以來，科學家們已經玩弄了修改自私基因以控制昆蟲物種的可能性，但是在2003年，來自倫敦帝國理工學院的奧斯汀伯特寫了一篇開創性論文，首先概念化了基因驅動。他提出，一種特殊的自私基因可以被設計成故意偏向遺傳，允許科學家不僅編輯個體的基因，而且編輯整個種群的基因。伯特和他的同事們在八年多的時間裡提出了這個想法，最終表明它有可能在2011年出現，但警告仍然存在需要解決的“技術障礙”。但這發生在基因工程巨大的全球動盪之前的一段時間：2012年CRISPR / Cas9（或更簡單的“CRISPR”）的發明CRISPR是一種強大的基因工程工具，通常被稱為“一對分子”剪刀，因為幾乎可以在任何物種中切割和編輯基因。兩年後，它將成為波士頓遺傳學家改變世界的想法。
走過翡翠項鍊似的人行天橋，這是一片歷史悠久的公園和水道，蜿蜒穿過波士頓，凱文埃斯威特盯著寧靜的靜水，注意到一隻烏龜，引發了一個突破性的想法：將CRISPR與基因驅動的概念結合起來將創造一個難以想象的強大的基因工程工具。它將創造一種新型的人造自私基因，將CRISPR剪刀和指示放在生物體基因組內部。它比2003年Burt的想法更容易部署和更強大。正如我們大多數人在高中生物學中所學到的，一個有機體從其母親那裡獲得一個基因的副本，從父親那裡獲得一個基因。但是如果一個父母攜帶CRISPR基因驅動，它可以切除另一個父母的基因，並將基因驅動器複製到其位置。經過許多代，這將使基因驅動通過整個物種的基因庫傳播。Esvelt的想法於2014年開始，之後他的實驗室甚至開發了一個有效的CRISPR基因驅動器。該論文發表在eLife上，提出了該技術的一些應用：消除瘧疾等昆蟲傳播的疾病，使農業害蟲對農藥敏感並控制入侵物種。
將這項技術應用於攜帶瘧疾的蚊子群？那麼，這可能改變世界。
2018年9月，倫敦帝國理工學院的一個研究小組由安德里亞·克里斯蒂安（Andrea Crisanti）領導並以先驅奧斯汀·伯特（Austin Burt）為特色，他們透露，它已經產生了一種CRISPR基因驅動，導致實驗室繁殖的岡比亞岡蚊子全面崩潰。
研究人員針對一種稱為doublesex的基因，該基因的作用類似於看門人，決定蚊子是男性還是女性。通過改變這個基因，該團隊能夠培育出不育的雌性蚊子，並且有不能抽血的口器。從本質上講，他們翻了個基因開關，導致女性更像男性。
在開始使用600只蚊子後，基因驅動器在7至11代內傳播，導致完全崩潰。研究小組在2015年創建了一個針對不同基因的類似驅動因素，但由於基因突變隨著時間的推移而出現，因此在人群崩潰方面並未取得成功。那麼，這是迄今為止最強大的驅動器。“最重要和最令人驚訝的事情是，如果不改變它的功能就不能改變doublesex。”Crisanti解釋道。“現在我們正在努力瞭解這個地區是否真的'抵抗'，如果是，我們真的有一個可以在該領域使用的工具，並解決瘧疾問題。”
倫敦實驗室在9月提出的自我傳播的驅動力可能被證明是沉澱整個物種的遺傳冰山，但仍然有大量的知識海洋可以穿越。對於Crisanti來說，現在的工作轉向複製Anopheles蚊子茁壯成長的熱帶環境，並研究基因如何在這種條件下駛動。
在澳大利亞乾旱的北部平原，一個物種入侵者慢慢向西穿過大陸。
兩棲掠奪者看起來像一個肌肉發達的煎餅，有腿，凸出的肩膀（是的，他們有肩膀）和疣狀的顛簸：甘蔗蟾蜍，Rhinella marinus。世界上最大的蟾蜍物種，甘蔗蟾蜍是一種有毒的蘭迪侵入者。 1935年，一個州政府擁有的糖業機構將該物種引入澳大利亞西北部作為生物控制措施，一種阻止甘蔗甲蟲破壞其作物的方法。但是蟾蜍在澳大利亞熱帶地區茁壯成長，通過競爭食物迅速繁殖並對自然生態系統造成嚴重破壞，並伴隨著致命的毒素混合物，殺死任何可能嘗試吃它的捕食者。
蟾蜍呈現出與按蚊不同的問題。它們對人類沒有危險（除非你因為某種原因決定舔它），但它們會對本地動植物造成大量痛苦。在過去的83年裡，它們幾乎不可能被遏制，並且與越來越多的澳大利亞本土蜥蜴，蛇和青蛙有關。他們致命的分泌毒素，幫助他們傳播，也可能最終導致他們的垮臺。
澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）基因組工程項目負責人Mark Tizard認為，他的團隊可以使用CRISPR對蟾蜍進行遺傳修飾，以防止它產生致命的毒素。“蟾蜍本身在毒素被擠出之前不會致命，當它被擠出時它被激活並變得致命，有一種酶可以做到這一點，”Tizard說。哪裡有酶，就有一個基因，哪裡有基因，CRISPR就可以開始工作了。“我們一直致力於研究這種酶系統。目的是讓你的蟾蜍永遠不會產生致命的毒素。”但是蟾蜍仍會產生其他毒素，對於那些可能試圖吃它的飢餓食肉動物（或毫無防備的寵物）來說，這些毒素並不致命。那些毒素不會殺死掠食者，而是教導蟾蜍不是一個很好的食物來源。蜥蜴稱這是一個“老師蟾蜍”，並建議它可以被釋放到蟾蜍可能接下來入侵的地區，自然地促進捕食者與獵物的相互作用，並說服自然動物群不吃蟾蜍。起初，看起來像CRISPR基因驅動器是對抗蟾蜍的完美機器，就像攜帶瘧疾的蚊子一樣。然而，甘蔗蟾蜍提供了一個例子，其中自我傳播的基因驅動，如在倫敦開發的那個，可能是過度的。驅動器可以消滅入侵物種，但它們並不總是成為完美的工具。
“如果我們能夠使用基因驅動來消除毒素並將其傳播到人群中，那將是非常好的，”Tizard說。然而，雖然青蛙是貪婪的繁殖者，但它們需要兩到三年才能成熟，這種“世代間隔”是在疣狀兩棲動物中實施基因驅動的主要問題之一。出生和性成熟之間的時間框架會阻礙基因驅動的傳播。“我們用甘蔗蟾蜍的基因驅動器做的事情的基本點還不是很清楚，”Tizard說。Esvelt不相信應該使用自我傳播的驅動器來改變像蟾蜍這樣的入侵物種。更確切地說，他認為這種驅動只能在造成巨大人類或動物痛苦的四種特殊情況下才能生存：岡比亞按蚊，新世界螺旋蟲，其幼蟲以活哺乳動物的組織為食，以及兩種寄生蟲引起大多數血吸蟲病病例，世界衛生組織估計每年影響超過2億人。
但Tizard仍然希望遺傳技術能夠對抗甘蔗蟾蜍的行進，並且仍然期望使用CRISPR，這樣的生物進入野外，轉基因蟾蜍會在釋放時引發一系列社會和道德問題。
基因驅動可以自我傳播提出了一個獨特的實驗問題：它無法在現場進行試驗。不可能保證工程生物將停留在受控區域。一旦釋放，它最終會擴散到物種的每個生物體。雖然建設驅動的技術山脈大多已經擴大規模，但我們才剛剛開始擴大這種改變生態系統的技術所帶來的道德、道德和社會困境。確實，自我傳播驅動器的發佈可以挽救數千人的生命或保護本地物種免受入侵威脅，但我們無法完全預測將這種驅動器釋放到野外的後果也是如此。
無論科學家的意圖多麼出色，大自然都是不可預測的。它繼續尋找超越我們的方法。從一開始，現在負責麻省理工學院Sculpting Evolution小組的Esvelt在處理基因驅動技術時一直倡導科學的響應能力。他認為，該技術具有如此深遠的影響，科學界必須從項目的最初階段公開參與社區並與社區互動。“我們不想陷入成為他們象牙塔中聰明科學家的陷阱，他們為每個人做出決定，”他說。 “我們需要讓每個人參與決策。”
2018年6月，艾佛特及其在麻省理工學院的同事在eLife雜誌上發表了一篇論文，強調了將自我繁殖基因驅動引入野生種群的一些潛在風險。他們的數學模型顯示，“即使是迄今為止報道的效率最低的驅動系統也可能是高度侵入性的。”當倫敦團隊透露它在9月開發出無阻抗基因驅動時，Esvelt警告說“成功傳達了我們這些從事其他物種基因驅動的人的信息：我們必須使用保障措施。任何構建潛在侵入性基因驅動系統的人都應該在簡單的牆壁和籠子之外使用保護措施時要格外小心。”埃斯韋特認為，一個錯誤可能不僅會破壞生態系統，還會引起社會反彈，嚴重損害公眾對執行負責任科學的信任。這可能會使基因驅動研究回到幾年或幾十年。
而這些侵入性的轉基因生物可能會穿越國家線路，為政治火災增加生物燃料或無意中改變他們從未打算過的生態系統。
幾乎每兩分鐘，另一名兒童死於瘧疾。鑑於該死的統計數據，我們是否應該儘快採取行動來預防這種疾病呢？如果我們能夠消滅攜帶它的蚊子。只有3,500種中的少數物種，並防止這些死亡，我們不是必須這樣做嗎？或者我們是否正在將自己的鼻子挖進大自然的秘密日記中，未經同意就四處尋找？“即使沒有援引任何特定的宗教信仰，許多人認為使用基於實驗室的技術等同於'干擾'自然或自然過程，或者過度，特別是在環境方面，”Rachel Ankeny說道，他是生物倫理學家。
此類信仰已經超過160個環保倡導組織，呼籲全球暫停基因驅動技術的開發和發佈，相信它們構成了“重大的生態、文化和社會威脅”。此外，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）已投入1億美元用於基因驅動技術的開發，促使倡導團體反對進一步研究對軍事化的恐懼。
“基因驅動器是一種高風險，未經證實的實驗技術，開發成本高達數百萬美元，無法保證成功，”地球之友新興技術項目協調員Louise Sales表示，他們共同簽署了暫停協議。雖然聯合國去年11月拒絕接聽這些電話，但它確實建議“各方和其他政府，採取謹慎態度”，並逐案評估基因驅動項目。
在很多方面，從事Esvelt，Crisanti和Tizard等基因驅動的科學家們從一開始就處於領先地位，建立了物理保障措施，並努力在任何潛力之前向社區宣傳該技術的潛在風險和益處。“從事基因驅動工作的人們從一開始就傾向於在他們的工作中建立道德考慮因素，並且在全球和國家層面上就這些技術的道德審查的適當機制進行了廣泛的討論，”Ankeny說。該技術正在以如此快的速度發展，以至於監管機構難以跟上。當我在2018年10月與Crisanti談話時，他相信我們在哺乳動物中進行基因驅動可能需要幾年的時間。但在1月份，一個研究小組發表了關於在齧齒動物中工作的第一個基因驅動器的工作，表明這可能會影響實驗室小鼠的遺傳。
通過在遺傳系統中建立保障措施，研究人員正在盡最大努力保持考慮於任何道德困境。 Esvelt的團隊編造了另一種形式的基因驅動器，稱為“菊花驅動器”，旨在在有限時間內在本地環境中包含釋放，而不是無限期地傳播。今年1月，來自康奈爾大學的一個團隊描述了另一套可以在驅動器中構建的安全措施，這也可以防止意外傳播。
因此，在馴服進化中，人類現在是遺傳領域的仲裁者。我們不僅僅進入了基因組遊戲，我們已經登上了王位。儘管它們的發佈可能還需要幾年時間，但我們製造驅動物種滅絕或永久改變它們的CRISPR工具的能力是我們五年前夢寐以求的。
這不是冬天即將來臨，而是一個革命性的春天。（求關注！）
（轉載請說明出處：今日頭條“劉高工話說高科技”）
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