онсервационисты и биоэтики часто уважают пучки спроектированной ДНК, называемые "качественными драйвами", с сочетанием чуда, энергии и страха. Качественные влечения злоупотребляют обычными принципами наследия, гарантируя, что они передаются всему потомству принимающего их живого существа, а не только половине из них; следовательно, они обладают ужасающим потенциалом для быстрого и неизменного изменения населения. Значительная часть дискуссии о качественных дисках была сосредоточена на здравом смысле (и высокомерии) использования их для контроля опасных жутких ползучих проблем, поскольку ошибки касались одиноких существ, в которых, как оказалось, работали качественные диски.
Теперь все изменилось. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Nature, ученые из Калифорнийского университета в Сан—Диего интересно показывают, что современные инновации в области качества дополнительно работают—во всяком случае, в определенной степени-в теплокровном существе: мыши. Их открытия показывают потенциал, но, кроме того, огромные препятствия для того, чтобы дать качественным драйверам что-то делать в реальности. Для, вероятно, какой-то идеальной возможности, чтобы прийти, такого рода инновации "динамических наследственных качеств" могли бы быть более полезными в качестве лабораторных аппаратов, чем в качестве инструментов для изменения природы.
Фред Гулд, энтомолог и специалист по развитию из Университета штата Северная Каролина, сравнивает качественные диски с анекдотическим веществом ice-nine в рассказе Курта Воннегута "Кошачья колыбель": странный тип льда, который замораживает любую оставшуюся воду, с которой он контактирует. Качественные влечения распространяются быстро, так как они представляют собой наборы наследственных компонентов, которые стремительно дублируют себя от материнской хромосомы к отцовской или наоборот. В течение времени, потраченного на репликацию, накопитель качества также может добавлять, стирать или изменять качества в точке добавления. Еще в 2003 году качественные диски были предложены в качестве гипотетического шанса, однако появление изменения генома CRISPR/Cas9 в 2012 году неожиданно сделало их значительно более достижимыми.
Несмотря на то, что сочетание законных ограничений, моральных опасений и опасений потенциально негативных побочных эффектов сдерживало использование качественных приводов в дикой природе, очарование спекулятивных преимуществ, которые они могут сделать, заставило исследователей продолжать изучать их. Очень направленный качественный привод мог бы якобы спасти большое количество жизней, например, доставив комаров Anopheles, невосприимчивых к болезням паразитами лихорадки джунглей.
Также велик интерес к созданию качественных стимулов для контроля над грызунами и мышами, которые, будучи навязчивыми видами, часто сильно подрывают естественную жизнь. На острове Мидуэй, очень благоприятном месте для птиц-гуни в северной части Тихого океана, птицы были почти уничтожены дикими грызунами, которые появились примерно за столетие до этого. Гигантские усилия по нанесению вреда уничтожили грызунов и спасли птиц—гуни в 1995 году, однако защитники природы предпочли бы иметь менее отполированное оружие для остановки нежелательных теплокровных животных в различных обстоятельствах. (Согласно сообщениям за год до этого, мыши на острове Мидуэй в настоящее время превращаются в еще одну опасность для птиц.)
Вы могли бы создавать наследственно запутанные существа, которые, возможно, не могли быть созданы ранее.
Однако то, что ранее привлекло формирующегося ученого Кимберли Купер к работе с инновациями в области качества для мышей, было не защитой, а скорее развитием. В своем исследовательском центре в Калифорнийском университете она и ее коллеги изучают развитие тушканчика, длинноногой крысы с прыгающим двуногим шагом, которая отделилась от наследственности мыши огромное количество лет назад. Купер и ее партнеры пытаются отследить неясную смесь наследственных изменений, ответственных за это изменение в развитии, заставляя лабораторных мышей постоянно передавать больше качеств тушканчика.
Тем не менее, такого рода предприятие является громоздким для хорошо развитых существ из-за всего, что связано с получением желаемых качеств в единичных существах посредством обычного воспитания. Наследственные тесты обычно требуют существ, которые являются гомозиготными по какому-либо качеству, подразумевая, что они передают дубликаты важного качества как на своих материнских, так и на отцовских хромосомах. Чтобы сделать мышь, гомозиготную только по трем интересующим трансформациям, специалистам, возможно, придется скрестить сотни или даже большое количество мышей с изменениями одной хромосомы. Задача тушканчика Купера может без особых усилий закончиться тем, что ему понадобятся мыши, гомозиготные по крайней мере по 10 качествам.
"Я вообще чувствовала, что это было бы непостижимо в свете того факта, что наследственные качества соединения различных вещей разрушаются у мышей", - сказала она. "Вам нужны такие бесчисленные существа. Это требует некоторых инвестиций, поэтому много денег."
Как бы то ни было, за три года до этого она была вынуждена последовать примеру своих партнеров по UCSD Валентино Ганца и Итана Бира, ученых, которые в последнее время показали то, что они назвали "динамическими наследственными качествами" у мух из органических продуктов. Динамические наследственные качества намекают на использование наследственных компонентов, чтобы помочь наследству указанных атрибутов превысить обычную 50% - ную норму, которую первоначально заметил Грегор Мендель; Ганц и Бир рассматривают качественные влечения как самоподдерживающийся тип динамических наследственных качеств.
"Я понял, что аналогичная инновация может быть использована в лаборатории, чтобы предпочтительно создать темп наследия разработанной адаптации качества", - сказал Купер. Это также позволило бы ей приобрести качества от других видов, кроме мышей. "Вы могли бы создавать наследственно запутанные существа, которые, возможно, не могли быть созданы ранее."
Как они описывают в своей новой статье, Купер и ее группа разработали функциональный компонент наследственных качеств, который позволил "маркерному" качеству быстро распространяться по генеалогии мышей. Купер подчеркивает, что то, что они сделали, на самом деле не было качественным приводом: в качестве меры безопасности два сегмента ее компонента—один, ответственный за разрезание ДНК, другой за фокусировку на разрезе—были изолированы в различные части генома. Это разделение удерживало компонент от дикого распространения в разные эпохи. Учитывая все обстоятельства, его процветание стало доказательством идеи о качественных драйвах у теплокровных животных.
Учитывая все обстоятельства, это достижение сопровождалось оговорками. Удивительно, но динамическая структура наследственных качеств Купера не работала у самцов мышей, только у самок. Более того, даже среди женщин инструмент работал отчетливо примерно в 70% случаев, в лучшем случае.
"Если бы кому-то каким-то образом удалось попытаться собрать качественный привод, использующий такую систему в настоящее время, он не распространился бы среди населения быстро и, вероятно, не выдержал бы", - сказал Купер. Ограничение на самок также снизило бы эффективность качественных стимулов для выращивания новых линий лабораторных существ, однако в любом случае это могло бы ускорить взаимодействие по выращиванию.
Она и ее коллеги предполагают, что качественный дублирующий компонент отчетливо проявляется у мужчин и женщин из-за ненавязчивых контрастов в том, как производятся сперма и яйцеклетки. В клетке, производящей яйцеклетку, наборы хромосом могут согласовываться друг с другом до начала цикла создания, повышая вероятность того, что в случае, если одна из хромосом будет разрезана, клетка зафиксирует ее идеальной ДНК от своего сообщника. "Мы могли бы, возможно, улучшить мастерство и заставить его работать в парнях на случай, если мы сможем правильно оценить обстоятельства", - сказал Купер.
Энтони Джеймс, субатомный генетик из Калифорнийского университета в Ирвине, сказал, что для определенных улучшений динамические наследственные качества должны, наконец, быть полезны для создания сложных лабораторных существ, которые нужны различным областям для их наследственных исследований, что, несомненно, дает более продуктивный вариант в отличие от нынешних процедур. (Джеймс объединился с Ганцем и Биром в испытании против качественной борьбы с лихорадкой джунглей для комаров в 2015 году.) Обычное размножение мышей с явным сочетанием многочисленных качеств, возможно, потребовалось 10 лет назад, сказал он; динамические наследственные качества могут сократить это до пары лет.
Встраивание качеств в мышей индивидуально с помощью CRISPR было бы еще одним подходом к этому, но он признает, что динамические наследственные качества также будут лучше, чем это. "Обычный CRISPR полезен для изменения качества, которое сейчас есть", - сказал он. "В любом случае, в том случае, если вам нужно добавить качества или обменять их и заменить их, система управления качеством будет значительно улучшена для этого."
Энергия, сообщенная Брюсом Конклином, генетиком из Института Гладстона в Сан-Франциско, который написал редакционную статью о расследовании Купера для Nature, более оценена. "Это важно, однако с помощью CRISPR мы можем [уже] быстро создавать действительно запутанные модели", - сказал он. В любом случае, он приветствует эту работу за то, что она демонстрирует игнорируемые контрасты в науке о мужских и женских клетках, и он считает, что динамический подход к наследственным качествам, который он отстаивает, может помочь понять фиксацию ДНК и другие основные системы в субатомной науке.
Купер видит великолепную сторону в том, что качественные диски, по-видимому, более серьезно относятся к теплокровным существам, чем к жутким ползучим животным, учитывая споры вокруг их ожидаемого использования. Для повышения эффективности динамических наследственных качеств у теплокровных существ потребуется несколько лет. "Тем временем мы можем провести искренние дискуссии о том, что должно быть возможно [с качественными драйвами] в дикой природе", - сказала она.
Джон Ренни присоединился к журналу Quanta в качестве назначенного руководителя в 2017 году. До этого он проработал 20 лет в Scientific American, где занял должность менеджера в boss где-то в диапазоне 1994 и 2009 годов. Он создал и способствовал взлому планеты, уникальную телевизионную программу 2013 года для канала погоды, и часто появлялся на телевидении и радио в проектах, например, в новостях PBS, мировых новостях ABC Сейчас, научной пятнице NPR, историческом канале "экстраординарное столкновение пещерных людей" и научном канале "Глубочайшие тайны космоса". Джон также был помощником преподавателя научного сочинительства в Нью-Йоркском университете с 2009 года. В последнее время он возглавлял статью в онлайн-справочнике McGraw-Hill Education по науке AccessScience.