基因编辑技术将改变人类消灭入侵物种的方式

2019-10-30 作者:外国军情   |   浏览(89)

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各种各样的毒药,各式各样的陷阱,甚至于各种类型的步枪。对于消灭像大鼠这样的岛屿入侵者,我们的方法一贯是残酷的。现在一些环保人士希望使用Crispr这种基因编辑技术来达到同样的目的。这种方法并不残酷,但它却能让我们从根本上超越自然的力量。

金沙4166官网登录,  基因编辑技术示意图。

卡尔坎贝尔是一位饱受坏工具困扰的工匠级专家,一个中等身材且肌肉发达的澳大利亚人,胡子五天没刮;坎贝尔眼睛炯炯有神,看上去时刻都在瞪着你,甚至会让你感觉到他一直在生气。只有当他的身体处于某种兴奋状态时,特别是在修理某些东西、建造某些东西或是杀死某些东西时,他才会微笑,显现得放松。

  澳大利亚广播公司网站6月23日发表题为《基因驱动器:野蛮科学还是野蛮解决方案?》的报道称,由美国军方资助的一种新型基因技术拥有消灭野生老鼠和疟疾的潜力——但是科学家们正如履薄冰,并警告说这项技术可能带来意想不到的后果。

他的特长和他的使命是尽其所能地拯救濒危物种,并据此来推测出最有效的方法。这是一项艰苦的工作,他通过这种艰苦的工作挽救生命,通过某种类型的血清来防止不可逆转的生物灭绝事件。他会杀死山羊,老鼠以及很多由人类引进、却威胁到海岛生物生存的动物。但坎贝尔手头的那些工具——陷阱,远程步枪和毒药往往是残酷的,不仅作用范围有限,而且会滥杀无辜。例如,要利用这些工具从当地生态系统中彻底消灭大鼠,就会一同杀死很多物种。

  当麻省理工学院的先锋生物学家凯文·埃斯韦尔特第一次想到这个点子的时候,他知道自己将提出一个了不起的概念。CRISPR基因编辑技术是一种新型的基因工程技术,它使科学家能够比以往更加容易和准确地对基因进行修改、删除,并将其插入到生物体中。

即使是一个小岛的生态系统也相当复杂,事情并不总是遂人所愿。例如在2012年,当时坎贝尔在为一个名为岛屿保护的组织工作。在对加拉帕戈斯群岛一座陡峭的火山岛PinzónIsland上的老鼠进行下毒之前,坎贝尔先是捕捉了生活在岛上的60只加拉帕戈斯鹰,人们以为这样的话这些稀有猛禽就不会因为食用下毒的老鼠而中毒。但是几个星期后,当这些稀有猛禽被放回野外后,纷纷从半空中坠落。事实证明,加拉帕戈斯鹰所捕食的熔岩蜥蜴体内也含有相同的毒药。

  报道称,埃斯韦尔特的奇思妙想是有关可自我繁殖的基因驱动器的概念。基因驱动器是一种遗传机制,它可以增加某个特定基因被遗传给后面世代的几率,从而使它能够优先地在整个物种内得到传播。

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  基因驱动器的发生是一个自然过程,但是在麻省理工学院媒体实验室“进化雕刻”团队担任负责人的埃斯韦尔特教授已经提出制作人工基因驱动器的方法。这种技术可以使科学家选择某些基因,并使它们在野生动物种群内传播,以便使这些动物变得无法生育或无法继续生存。

图示:卡尔坎贝尔正在寻找一种比下毒更好的犯法来对付岛上的鼠害

  澳大利亚阿德莱德大学遗传学家保罗·托马斯是一个名为“侵害性啮齿动物遗传生物控制”(GBIRd)的国际协作组织成员。该组织研制针对生活在岛屿上的野生啮齿动物的基因驱动器。他说,岛屿只占全世界陆地面积的5%,但却是地球上80%物种灭绝的发生场所,并且拥有40%的濒危物种。托马斯说:“老鼠引起岛屿的荒芜。它们进入候鸟的筑巢地,它们偷吃小鸡和鸟类。”

坎贝尔现在正准备采取更加冒险的策略:在加拉帕戈斯群岛一座名为弗洛雷纳的70平方英里小岛上使用一种剧毒来彻底消灭老鼠。岛上曾有一种全身巧克力棕色、拥有着漂亮尾巴的小鸟,叫做弗洛里亚纳知更鸟。但因为老鼠吃鸟蛋和幼鸟,导致岛上的这种小鸟处于濒临灭绝的状态。一旦岛上的老鼠被消灭,这种小鸟的数量就能得到恢复。而消灭岛上老鼠的方法堪称地毯式轰炸:直升机将会洒下大约300吨掺有剧毒的谷物,足以杀死岛上的每一只老鼠。问题在于,岛上还有150位居民和他们养殖的农场动物。

  托马斯教授的团队即将证实他们是否研制出一种可以让雌性老鼠失去生育能力的基因驱动器。

在去年8月一个阳光明媚的周一上午,坎贝尔和我跳进当地一位农民克劳迪奥克鲁兹老旧的丰田陆地巡洋舰,前往弗洛里亚纳岛的高地。老鼠也不是农民的朋友,坎贝尔指着路边田地里的一些玉米说,其已经啮齿动物尖锐的牙齿咬掉了。克鲁兹将两个鲜红色的容器堆叠起来起来,其中一个是来自岛屿保护组织IslandConservation的礼物,一个是他自己买的。当剧毒谷物被洒下来时,这两个容器将被用于储存未受污染的动物饲料。岛屿保护组织还将为岛上的鸡,猪和马等家畜建造鸡舍,鸡舍和马厩。此外,岛屿保护组织会购买一些生活在猪圈之外的猪并定期进行屠宰,对其肝脏进行毒素检测。直到这些猪的肝脏没有任何问题之后,其他的家畜才能够重新在岛上放养。父母也需要看管好自己的孩子,以免他们误食了毒物。包括雀类和短耳猫等生活在岛上的动物,将会被捕捉送往岛外。坎贝尔预计,清理完成整个小岛需要10年时间,花费2600万美元。

  报道称,他们还对基因驱动器在老鼠群体中传播的潜力进行了仔细模拟。但是,计算机模型并不能预计到全部的意外后果。

这也是为什么坎贝尔开始推动开发更加精确和有效工具的相关研究,你可能不会将其与爱好自然的自然保护主义者联系起来。未来某一天,称为基因驱动的自我延续合成基因机器可能改变的不仅是一个基因或一个老鼠或一群老鼠,甚至会改变老鼠、蚊子、蜱或任何生物的整个物种。而且这种生物技术在消灭这些有害生物的过程中没有任何血腥行为。因此,在过去的几年时间里,坎贝尔一直将他工作的时间分为两块,除了继续用老办法消灭有害生物,此外还向全球的生态学家,伦理学家和潜在捐助者推广基因驱动方法。坎贝尔的热情并不孤单。从美国军方研究机构到盖茨基金会再到新西兰政府机构都在把基因驱动作为解决疟疾,莱姆病,物种灭绝等棘手问题的解决方案。但是这些方法还存在另一个潜在的严重问题:它们可能会以无意和无法阻止的方式改变相关物种,种群和整个生态系统。

  托马斯教授在自己的实验结束和发表之前就热切地谈论这项研究,这不是一个科学家的典型做法。他说:“社会上的人们对于这种方法是不是一项可以使用的恰当技术存在很多关注。当我们谈论基因驱动器的时候,我们谈论的是一种可以在整个群体中传播的基因。我们在实验室里进行了尽可能安全的实验,以确保在这些实验鼠被意外释放到外界环境中时,这种基因驱动器不会得到扩散。”

琳达卡约是加拉帕戈斯群岛恢复计划中伊莎贝拉岛项目的项目协调员,在20世纪90年代后期曾在坎贝尔手下进行实习,她回忆说他的一项美德是“坚韧的部队作风”。坎贝尔曾在澳大利亚陆军后备队中服役,会开枪和修理车辆。他能够花上几个星期的时间在马拉维追捕羚羊偷猎者。他非常适合在岛上工作的要求:他的大拇指在野外工作中被割开,就直接让一个朋友在田间缝合;还有一次,他从一个偏远的火山地区回来,脚上的大部分皮都被磨掉了。他也懒得提及。

  据托马斯说,美国军方的国防部高级研究项目局(DARPA)正在为他的研究——通过与北卡罗来纳州立大学的一项协作——提供资助,资助金额“达数百万美元”。

也许是因为对自身舒适生活的鄙视,坎贝尔在加拉帕戈斯群岛严酷的火山景观以及多种多样的野生动物间茁壮成长。不得不说人类具有破坏一切的天赋,幸运的是发现这些火山岛的时间足够晚,使得岛上95%的原始物种依然幸存。这里有巨大的海龟,有从鼻孔中喷出盐鼻涕的海鬣蜥,有8英尺宽翅膀的信天翁。

  根据“第三世界网络组织”援引信息自由法令申请获取的文本,据称DARPA向各类基因驱动器项目提供了多达1亿美元的资助。DARPA的代表对记者寻求评论的询问未作回应。DARPA官网称,“安全基因”计划意在“保护战士和国土免遭有意或意外误用基因组编辑技术的危害;防止/逆转特定生物系统中的基因变化;以及促进使用基因编辑器的安全、精确和有效的医学治疗手段的开发”。

当人类从1805年开始在岛上建立永久居住地时,他们带来的不仅有家禽,还有藏在船舱中远渡重洋而来的老鼠。与其他岛上的物种类似,加拉帕戈斯群岛上的动物在长时间的进化中防御力不断下降,根本无法应对这些外来物种。有些动物失去了飞翔的能力;有些动物习惯于在地上筑巢,根本无法保护自己的蛋和幼崽;也许最危险的是,他们已经失去了对天敌的恐惧。即使外来物种不吃本地动物,也会以其他方式给它们造成伤害。在加拉帕戈斯群岛上,外来的山羊吃了很多植物。有人估计加拉帕戈斯群岛上194种特有植物中有60%濒临灭绝,而岛上的巨龟也因为食物短缺而处于饥饿之中。

  报道称,基因驱动器技术也许可以提供消灭疟疾的新颖解决方案,但是一些人担心如果它被用于生物恐怖主义等恶毒目的,将对公共健康造成严重威胁。例如,会不会有人投放促使蚊子携带疾病的传播而不是防止这些疾病的基因驱动器?在自家后院捣鼓的生物黑客们是否可能在监管当局的注视之外搞出某种基因驱动器?

在伊莎贝拉岛项目中,坎贝尔在直升机上用半自动步枪射击山羊,偶尔也会与狗同行。但他很快意识到这些方法的不完善性。于是,他想出了一种在发情期通过雌性山羊进行诱导的策略,以便引诱其他山羊聚集起来进行射杀。这种所谓的“魔女玛塔”的山羊诱导方法取得了巨大的成功,并让坎贝尔一举成名,但他认为这种方法仅仅是一种“渐进式创新”,而他要寻找的是“革命性创新”。

  这与托马斯教授的初衷相去甚远。他似乎对于从美国军方获得研究资助一事不以为意。他说:“我们不会再接受其他资金来源的资助,这将使我们可以不断推动这项技术,以达到我们保护自然的目标。这不会以任何方式改变我们希望进行的实验。”

2006年,坎贝尔开始为岛屿保护组织IslandConservation工作,他的工作范畴远远不止于加拉帕戈斯群岛。他帮助加州圣尼古拉斯岛摆脱了野猫的困扰,消灭了智利乔罗斯岛上疯狂增长的兔子,解决了波多黎各德塞切奥岛上的猕猴问题。但每一个问题的解决都是苦差事,坎贝尔对这个问题的严重性感到非常恼火:地球上有465,000个岛屿,其中41%的濒危陆地脊椎动物都生活在其中,而大多数濒临灭绝物种存在的岛屿都是因为外来物种的威胁。“我们的努力于事无补,”坎贝尔坦言。

  报道称,基因驱动器是否会成为生物恐怖主义的新疆界仍然有待观察。与此同时,一场针对野生老鼠的基因组战争看来必将在不远的未来打响。

然而在2011年,坎贝尔偶然间似乎发现了一种自己正在寻找的革命性创新方法。

北卡罗来纳州立大学昆虫学家弗莱德古尔德撰写了一篇论文,指出一种已经应用于昆虫的基因工程技术可应用于啮齿动物等其他有害物种。(除了被威胁岛屿物种的生存外,啮齿类动物每年消耗的粮食足够喂养1.8亿人,并且还会传播莱姆病和汉坦病毒等多种有害微生物。)古尔德指出,科学家们可以利用基因工程来支持某些隐形特性,并通过它们来使得物种灭绝。通常,对于不同类型的基因,后代有50%的机会继承来自母亲的基因,50%的机会继承来自父亲的基因。但是某些类型的基因会自然进化出一种方式来欺骗这个概率系统——如果父母拥有这样的基因,后代拥有这种基因的概率几乎是100%的。这种神秘的作弊代码被称为基因驱动技术,如果科学家能够设计出一种合成的基因驱动器,他们就可以在相应物种中通过代际传播所期望的基因特性。要消灭一个岛上的老鼠,你完全可以传播不育基因,一旦不育基因达到一定的流行率就会导致老鼠灭绝。这不需要任何毒药,啮齿动物会悄无声息地消失,就像历史上那些没有后嗣的贵族一样。

坎贝尔申请造访位于罗利的古尔德实验室。和你一样,古尔德通过互联网想知道坎贝尔是谁。“我只是感到震惊,”古尔德说。“如果你看看岛屿保护组织IslandConservation的网站就会知道,它全是木质的、绿色的。”许多环保主义者都反对基因工程。古尔德问坎贝尔:“你知道你自己在做什么吗?”

坎贝尔清楚这一点。但他并不在乎其他环保主义者所认为基因工程过于冒险和不自然而不愿尝试。他只是想阻止濒危动物的灭绝。古尔德喜欢这个人的实用主义。

古尔德的想法只是理论上的。但在2012年,Crispr这种基因编辑技术的出现突然使得相关理论更有可能成为现实。Crispr是一种快速,廉价且准确地编辑基因的新方法,有了Crispr,任何DNA序列都可以被精确剪切并粘贴到特定基因组的任何位置。

大约两年后,当时就任于哈佛大学的遗传学家凯文埃斯维特把基因驱动和Crispr技术结合在了一起。研究人员不是用一个装满合成DNA的大型脂肪玻璃针刺入你想要改变的每个有机体,而是用一次基因驱动技术来编码你想要的基因,同时也使用Crispr技术在另一个基因组中进行相同的操作。所以当你改变基因的生物配对时,它的染色体能够继续起作用,还可以改造从配偶中继承的染色体。这保证后代会有人们所期望的基因改变。

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图示:凯文埃斯维特发明了合成基因驱动技术,但很快就对其潜在影响感到担忧

而当后代达到性成熟并进行配偶时,会重复这个过程。在一个完美的“全球”基因驱动中,所有后代都会拥有携带期望特质的基因驱动。

这种可能性对于濒危动物保护来说是一种诱惑。你可以开始思考比弗洛里纳岛项目更大的范畴:有12000位居民的整个圣克鲁斯加拉帕戈斯群岛。或者说坎贝尔的祖国澳大利亚这里有数十种物种因为猫和狐狸的入侵而受到生存威胁。你可以复原世界上的每个岛屿。

使用基因驱动来拯救濒危物种的想法开始在坎贝尔脑中嗡嗡作响。坎贝尔组织岛屿保护组织的人员以及美国、澳大利亚、新西兰和美国农业部的研究人员对这种方法进行研究。该组织将其正式命名为“侵入性啮齿动物遗传生物控制”计划。2016年6月,澳大利亚阿德莱德大学鼠类遗传学家保罗·托马斯拜访了位于北卡罗来纳州的古尔德,心潮澎拜。托马斯认为他的实验室可以研究如何在啮齿动物中进行合成基因驱动。如果他能够在实验室老鼠身上获得成功,那么他就可以在岛屿老鼠身上获得了成功。最终托马斯加入了GBIRd计划。

8月份,当我在阿德莱德访问托马斯的实验室时,一位名叫钱德兰普菲茨纳的研究生陪同我进入了实验老鼠培养室。进入之前,我们穿上蓝色无菌服,头套和面罩。普菲茨纳用消毒剂喷洒了我的笔记本,带我穿过温暖而安静的走廊,进入一个装满有机玻璃箱子的房间。房间里异常安静,甚至感觉到有些沉闷,只有动物磨牙和进食的细微声音。实验老鼠很小,闻起来有股甜木屑和盐混合的气味。普菲茨纳选中一只老鼠,笨拙地从它的耳朵上切下一小圈皮。老鼠没有发出声音。

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图示:保罗托马斯展示用于基因驱动实验的实验老鼠

这只老鼠是在校园另一栋建筑物里的实验室中诞生的。在那里,研究人员用玻璃针刺穿受精卵并注射必要的成分以覆盖随机的遗传概率特性:在Crispr工程中使用分子“剪刀”来进行基因编辑。在试验中,Crispr剪下的基因不是用于不育症,而是用于改变老鼠的毛色。研究人员的想法是让合成基因驱动首先对于一目了然的特征起作用。如果基因驱动器正在工作,实验老鼠就会被白化。但相反,这是一只相当可爱的灰褐色老鼠。普菲茨纳把这只老鼠放回了盒子里。

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