Organizmy z napędem genowym: nowy wymiar inżynierii genetycznej

Dzięki nowym technikom inżynierii genetycznej, takim jak CRISPR/Cas9, w ostatnich latach opracowano tak zwane napędy genowe, które umożliwiają ludziom rozprzestrzenianie nowych genów w genomie dzikich populacji zwierząt. Napędy genowe wymuszają dziedziczenie nowo wprowadzonych genów przez całe potomstwo, nawet jeżeli zmniejsza to szansę gatunku na przeżycie. W ekstremalnym przypadku napęd genowy może spowodować całkowite wyginięcie danego gatunku lub zastąpienie dzikich populacji organizmami zmodyfikowanymi genetycznie. Jakie praktyczne zastosowania może mieć technologia napędów genowych oraz jakie to może mieć konsekwencje dla ludzkości?

W naturze proces ewolucji jest powolny, a utrwalenie się dziedziczonych zmian wymaga wielu lat i pokoleń. W procesie rozmnażania płciowego materiał genetyczny jest rekombinowany (zmieniony za pomocą dodania i/lub usunięcia fragmentu jego sekwencji) w każdym pokoleniu. Nowe cechy konkurują nieustannie ze starymi. Ale tylko jedna z nich jest przekazywana potomstwu. Jest wynikiem przypadku, czy będzie to nowa cecha, czy stara. Według reguły Mendla prawdopodobieństwo, że nowa cecha zostanie przekazana potomstwu, wynosi 50%. Z zasady wyższy współczynnik dziedziczenia występuje tylko wtedy, gdy cechy wiążą się z korzyściami dla przetrwania gatunku.

Jednak nie wszystkie naturalne cechy genetyczne są przekazywane zgodnie z regułami dziedziczenia we­dług Mendla. U roślin, zwierząt i ludzi istnieją elementy genetyczne, które są kopiowane do innych części ge­nomu za pomocą enzymów, namnażając się niezależ­nie i w ten sposób zwiększając prawdopodobieństwo ich dziedziczenia. Są one często określane jako natu­ralnie występujące napędy genowe czy też „samolub­ne” geny, ponieważ mogą rozprzestrzeniać się w całym genomie bez korzyści dla gatunku. Przykładem są tak zwane „skaczące geny”, czyli transpozony. W toku ewolucji rośliny, zwierzęta i organizmy ludzkie znalazły sposób, aby radzić sobie z tym elementami genetycznymi. Nie­które z nich wykształciły mechanizmy regulujące, a w innych przypadkach powstały mechanizmy wyciszające „skaczące geny”. W 2003 roku brytyjski naukowiec Austin Burt sformu­łował ideę, że geny mogą się szybko rozprzestrzeniać, jeżeli nadpiszą konkurencyjne warianty. Naturalny proces ewolucji nie będzie miał wtedy zastosowania…

„Wymuszone dziedziczenie” i plany pierwszego uwolnienia

Urzeczywistnienie pomysłu Burta o użyciu „samolub­nych” elementów genetycznych dla realizacji okre­ślonych przez ludzi celów było przez dłuższy czas niemożliwe ze względów technicznych. Zmieniło się to jednak w 2012 roku, kiedy Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier, obecnie laureatki Nagrody Nobla, odkryły potencjał zastosowania systemu CRISPR/Cas9 w bio­technologii. Badaczki jako pierwsze zdały sobie sprawę, że kom­binacja sekwencji CRISPR i Cas9 może być użyta, aby w określony sposób zmieniać genom wielu żywych organizmów i wprowadzać nowe segmenty do ich DNA. Było to „brakujące ogniwo” do urzeczywistnienia idei Burta. W 2015 roku napęd genowy CRISPR/ Cas9 po raz pierwszy został wprowadzony do muszek owocówek. W kolejnych latach dokonano również eksperymentów na komarach i myszach. Dziś naukowcy przypuszczają, że w niedalekiej przyszłości praktycznie każdy gatu­nek zwierząt lub roślin może zostać zmodyfikowany napędem genowym.

W ten sposób modyfikacje genetyczne wprowadzone przez człowieka mogą rozprzestrzeniać się w dzikich populacjach znacznie szybciej, niż było to możliwe dla konwencjonalnych GMO, poddanych mechanizmom naturalnej selekcji.

Jak do tej pory, wszystkie eksperymenty ze sztucz­nymi napędami genowymi odbywały się wyłącznie w laboratorium w zamkniętych warunkach. Należy jednak pamiętać, że napędy genowe są docelowo przeznaczone do stosowania nie w warunkach pełnej kontroli, ale w środowisku naturalnym. Ich celem będzie wprowadzenie nowych genów do genomu dzikich populacji, nawet jeżeli zmniejszy to szanse przetrwania danego gatunku. Celem ich zastosowania w naturze może być zastąpienie całej dzikiej populacji organi­zmami genetycznie zmodyfikowanymi lub znaczne jej zmniejszenie. W najbardziej ekstremalnym przypadku wdrożenie może doprowadzić gatunek do całkowitej eksterminacji.

Pierwsze próby terenowe z ko­marami o napędzie genowym mogłyby zostać przeprowadzone w Burkina Faso już w 2024 roku. Byłby to eksperyment bez żad­nych zabezpieczeń, gdyż jak wskazuje wielu ekspertów i naukowców – mechanizmy, które skutecznie kontrolują napęd genowy w przyrodzie, istnieją tyl­ko w teorii i działały w warunkach laboratoryjnych. Oznacza to, że zgodnie z obecnym stanem wiedzy naukowej wynik eksperymentu nie podlegałby już ludzkiej kontroli, a wszystkie tego typu manipulacje na zwierzętach, rośli­nach i całych ekosystemach byłyby nieodwracalne.

O mniej lub bardziej oficjalnych zastosowaniach metody napędów genowych

Napędy genowe mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach. Obecnie badania koncentrują się głównie na trzech obszarach: zwalczaniu nosicieli chorób, usuwaniu gatunków inwazyjnych z wrażliwych ekosystemów oraz zwalczaniu tak zwanych szkodników w rolnictwie. Jest jeszcze jedno czwarte zastosowanie do którego twórcy niechętnie się przyznają…

Powróćmy jednak do przedstawienia trzech wspomnianych zastosowań. Choroby zakaźne, takie jak malaria, denga i borelioza, są przenoszone na ludzi przez komary lub kleszcze. Kontrolowanie tych nosicieli od dawna stanowi ele­ment zapobiegania chorobom. Naukowcy oczekują, że napędy genowe pomogą rozwiązać ten problem. Liderem w pracach nad takimi rozwiązaniami jest m.in. Target Malaria – międzynarodowe konsorcjum badawcze, które odgrywa wiodącą rolę w rozwoju takich napędów genowych. Konsorcjum to dysponuje bu­dżetem w wysokości około 100 mln dolarów ame­rykańskich, z czego większość pochodzi z Fundacji Billa i Melindy Gatesów oraz Open Philanthropy Project. Plany Target Malaria osiągnęły już etap, w którym pierwsze projekty modelowe zostały uruchomione w Burkina Faso, Mali, Ghanie i Ugandzie.

Szczególnie ciekawym przypadkiem jest właśnie Burkina Faso. Według Target Malaria wstępne próby miały na celu zdobycie doświadczenia w terenie oraz przyzwyczajenie ludno­ści Burkina Faso do takich eksperymentów. Chociaż konsorcjum twierdzi, że zaangażowało lokalną ludność w proces decyzyjny, próby te wywołały protesty zarów­no w Burkina Faso, jak i na arenie międzynarodowej, gdyż jak wskazało wielu ekspertów – firma nie przedstawiła wiarygodnych dowodów na możliwość ewentualnego odwrócenia procesu, na wypadek, gdyby eksperyment się nie powiódł (nawet w warunkach ograniczonego i kontrolowanego wypuszczenia).

Oprócz malarii zwolennicy stosowania sztucznych napędów genowych wskazują także na możliwość walki z boreliozą, a w przyszłości także z innymi chorobami zakaźnymi, a prawdopodobnie także wadami genetycznymi.

Równie ważne dla zwolenników napędów genowych jest zastosowanie tej techniki do eliminacji gatunków inwazyjnych, zarówno roślin jak i zwierząt. Ludzie w przeszłości świadomie lub mniej świadomie przenieśli wiele gatunków zwierząt na obce wyspy i kontynenty, gdzie stały się one poważnym zagrożeniem dla rodzimej flory i fauny. Przykładowo szczury i myszy powodują poważne problemy i wpły­wają na redukcję populacji mniejszych ssaków i rodzi­mych ptaków. Środki konwencjonalne, takie jak polo­wanie, odławianie lub wykładanie trucizn, pozwoliły na pozbycie się gatunków inwazyjnych z małych wysp. Na większych obszarach lądowych środki te mają ograniczone możliwości. Alternatywę dla nich mają stanowić właśnie sztuczne napędy genowe. Rozwiązanie to ma zostać zbadane w ramach projektu Genetycznej Biokontroli Inwazyjnych Gryzoni (Genetic Biocontrol of Invasive Rodents – GBIRd), wspieranego przez siedem uniwersytetów, władze publiczne i orga­nizacje pozarządowe z USA i Australii.

Celem GBIRd jest odpowiedzieć na pytanie, czy myszy można wyeliminować za pomocą napędów genowych i pod jakimi warunkami taka interwencja byłaby do zaakceptowania. Główna część projektu jest finansowana przez amerykańską wojskową Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) w wysokości 6,4 mln USD.

Wśród najbardziej aktywnych członków GBIRd znajduje się mała organizacja ochrony przyrody Island Conser­vation. Od 25 lat zajmuje się ona ochroną ptaków mor­skich i twierdzi, że pozbyła się już gryzoni z 63 wysp. Do tej pory dokonano tego przy użyciu konwencjonalnych metod, ale Island Conservation uważa, że dalsze postę­py będą wymagały zastosowania właśnie napędów genowych.  Pierwsze kroki w tym kierunku wykonano na Uniwer­sytecie Kalifornijskim w San Diego w USA, kiedy w 2019 roku po raz pierwszy opracowano napędy genowe dla myszy. Twórcy napotkali jednak nieoczekiwane zjawisko: CRISPR/Cas9 był w stanie przeciąć nić DNA u wszystkich testowanych zwierząt, ale tylko u samic uruchomił się mechanizm naprawczy, który aktywnie rozprzestrzenia nowe segmenty DNA w genomie. Napęd genowy był więc skuteczny tylko u jednej z dwóch płci, a i tam osiągnął tylko około 70% skuteczności. Oznaczać to może, że napęd genowy w tej formie prawdopodobnie nie nadaje się do manipulowania populacjami dziko żyjących ssaków, a jego zastosowanie nie przyniesie zamierzonych rezultatów, ale może przynieść niezamierzone konsekwencje wynikające z wymuszenia zmian genetycznych, które z kolei mogą doprowadzić do niechcianych mutacji.

Entuzjaści napędów genowych upatrują również ewentualnych korzyści wynikającej z wykorzystania tej techniki w rolnictwie. To właśnie rolnictwo ma stać się naj­ważniejszym obszarem zastosowania napędów geno­wych – choć fakt ten w ogóle nie jest publicznie omawiany. Patenty na napędy genowe oparte na CRI­SPR/Cas9 wymieniają setki zwierząt i roślin, których ograniczenie populacji lub wyeliminowanie mogłoby zwiększyć plony. Jednak po drodze należałoby jeszcze pokonać wiele przeszkód. Co najmniej sześć patentów dotyczących napędów genowych odnosi się do konkretnych zastosowań w rolnictwie. Koncentrują się one na zwalczaniu szkodników i chwastów oraz odwracaniu odporno­ści na herbicydy.

Dwa kluczowe wnioski pochodzą od czołowych twór­ców napędu genowego opartego na CRISPR/Cas9, grup badawczych kierowanych przez Kevina Esvel­ta i Ethana Biera. Liczne zastrzeżenia patentowe zgłoszono również w patencie grupy Bruce’a Haya. Większość zastrzeżeń jest ogólna, ale jeden z patentów zawiera już szczegółowe cele i metody, które umożli­wiają użycie komercyjne.

Komercjalizacja napędów genowych napotyka jednak jeden podstawowy problem: ich rozprzestrzeniania nie da się, jak do tej pory, ograniczyć ani w czasie, ani w przestrzeni. Pojedyncze uwolnienia mogą skutko­wać masowym rozprzestrzenianiem się GDO (organizmy z napędem genowym) w sąsiednich ekosystemach przez dziesięciolecia. A zatem kla­syczny model biznesowy, który opiera się na ciągłej sprzedaży produktów, byłby w tych warun­kach trudny do zastosowania.

Teoretycznie, jego wykorzystanie komercyjne wydaje się interesujące w dwóch scenariuszach. Napęd ge­nowy mógłby eliminować naturalną odporność, którą dzikie rośliny – chwasty wykształciły na powszechnie stosowane herbicydy. Agrobiznes mógłby wtedy zyskać na zwięk­szonej sprzedaży herbicydów, ponieważ stałyby się one znowu użyteczne. To spowodowałoby jednak zwiększoną kontrolę korporacji nad produkcją rolną i uzależniłoby rolników od produktów dostarczanych przez wąską grupę interesariuszy.

Co więcej nie chroniłoby interesów producentów konwencjonalnych i ekologicznych, którzy chcieliby kontynuować swoją produkcję rolną bez wykorzystania nowoczesnych technologii takich jak napędy genowe. Ze względu na transgraniczne rozprzestrzenianie się GDO oraz zgodnie z obecnym stanem wiedzy naukowej interesy rolników ekologicznych nie byłyby respektowane, zaś konsumenci utraciliby jedno ze swoich najważniejszych praw – PRAWO DO WYBORU.

W przypadku pierwszej kwestii, rozwiązaniem mogłoby być powołanie organizacji międzynarodowej o charakterze publicznym, której zadaniem byłby nadzór nad metodą napędów genowych, a walka z gatunkami inwazyjnymi byłaby niezależna od podmiotów prywatnych. Wówczas wszyscy rolnicy i producenci mieliby pełny dostęp do takich rozwiązań. Niestety to wciąż nie rozwiązałoby problemu drugiego, czyli niekontrolowanego rozprzestrzeniania się, co skutkowałoby z czasem prawdopodobnym zanikiem rolnictwa tradycyjnego. W chwili obecnej system ten opierałby się na rozwiązaniach patentowych i pozwoliłoby podmiotom prywatnym utrzymać pełną kontrolę nad zaawansowaną technologią mogącą wpływać na życie całej ludzkości.

Rozpoczynając omówienie możliwych zastosowań napędów genowych wspominaliśmy o jeszcze jednym zastosowaniu, które z pewnością może budzić najwięcej obaw i wątpliwości…

Podwójne zastosowanie napędów genowych, czyli broń atomowa dla mas

Wypuszczenie organizmów z napędem genowym do środowiska może w teorii wywrzeć długotrwałe nega­tywne skutki dla ekosystemów i społeczeństw, na dużą skalę. Uwolnienie organizmów z napędem genowym w celach cywilnych mogłoby zatem wywołać konflikt lub doprowadzić do ich niewłaściwego wykorzystania. Można sobie również wyobrazić celowe opracowanie napędów genowych z wrogim zamiarem.

Jednym ze sposobów wykorzystania organizmów z na­pędem genowym jako broni biologicznej byłoby użycie ich do eliminacji ważnych owadów pożytecznych dla rolnictwa w danym regionie.

Zdaniem wielu ekspertów, dopóki nie uda się ograniczyć rozprze­strzeniania się organizmów z napędem genowym i ich szkodliwych skutków, istnieje niewiele prze­konujących scenariuszy dla rządowych programów rozwoju broni opartej na napędach genowych.

Pomimo tych wyzwań amerykańska wojskowa Agencja Zaawansowanych Projektów Badaw­czych Obrony (DARPA) jest jednym z największych fundatorów badań nad napędem genowym i jest zaangażowana finansowo w prawie każdy projekt badawczy związany z napędami genowymi. Program badawczy DARPA, zatytułowany „Bezpiecz­ne geny”, ma na celu kontrolowanie, ograniczanie lub odzyskiwanie GDO ze środowiska. Istnieje wiele niepewności w obszarze pomiędzy nieoczekiwanymi negatywnymi skutkami wywołanymi przez obecność organizmów z napędem genowym w przyrodzie, ich niewłaściwym wykorzystaniem a zamierzonym tworze­niem napędów genowych dla wrogich celów.

Powyższa sytuacja jak na dłoni pokazuje, że pomimo dużego ryzyka wynikającego z niekontrolowanego rozprzestrzeniania się organizmów z napędem genowym, technologia ta wciąż jest obszarem wzmożonego zainteresowania agenci rządowych. Należy również pamiętać, że optymiści nie biorą pod uwagę kilku czynników:

• rozwoju technologii, która z czasem umożliwi częściowe ograniczenie ekspansji organizmów z napędem genowym i spowoduje, że technika ta stanie się już atrakcyjniejsza jako broń biologiczna,
• obecności innych graczy niebędących państwem, ale prowadzących działania o charakterze wojennym (np. organizacje terrorystyczne, które na przykładzie Państwa Islamskiego pokazują, jak bardzo mogą się rozwinąć), których celem jest permanentne zastraszenie zwłaszcza ludności cywilnej.
• psychologii w procesie decyzyjnym czyli sytuacji, w której jeden lub więcej krajów opracowuje broń biologiczną w oparciu o napędy genowe, a następnie jedno z tych państw przegrywając działania wojenne, decyduje się na desperacki krok i jej użycie, mimo tragicznych skutków dla całej ludzkości. Szczególnie może być to niebezpieczne w krajach funkcjonujących w ramach dyktatur, gdzie społeczeństwo ma ograniczone możliwości kontroli, a grupa rządząca krajem może realnie obawiać się utraty władzy i surowego osądu. Psychologia w polityce odgrywa kluczową rolę. Do dziś racjonaliści nie są w stanie wytłumaczyć ataku Argentyny na Wielką Brytanię i wywołanie wojny o Falklandy/Malwiny. Działanie Argentyny wydawało się być pozbawione logiki, a jednak miało miejsce. W tym przypadku zadziałała właśnie psychologia i strach ówczesnego reżimu przed utratą władzy. Kluczowa okazała się tutaj sytuacja wewnętrzna, a nie racjonalizm – sama junta wojskowa nie wierzyła w zwycięstwo nad Wielką Brytanią. Wielu dyktatorów gotowych jest utrzymać się jak najdłużej przy władzy bez względu na konsekwencje.

Ostatni wariant wydaje się być wyjątkowo aktualny w przypadku bieżącej sytuacji w naszym regionie. Dziś obawiamy się użycia głowic nuklearnych przez Rosję, które mogą doprowadzić do globalnej katastrofy. Podobne skutki będzie mogła wyrządzić broń oparta o napędy genowe (np. wywołać głód, epidemię chorób). Dodajmy jednak, że użycie głowic nuklearnych nie jest takie proste i wymaga zarówno bardzo skutecznej logistyki, jak i zgody wielu decydentów. W przypadku napędów genowych, technologię tą może pozyskać praktycznie każdy, kto ma większe pojęcie o biotechnologii oraz laboratorium i sprzęt potrzebny do wykonania tego działania. Czynniki te są jednak znacznie łatwiejsze do pozyskania niż bomba atomowa, a koszt pozyskania będzie znacznie niższy. Możemy zatem przyjąć, że w każdym z krajów będzie kilka, kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt osób, które niezależnie od siebie i rządów będą mogły pracować nad podobnymi rozwiązaniami.

Konflikt związany z wykorzystaniem technologii napędów genowych w środowisku może być również wywołany brakiem zgody opinii publicznej lub między­narodowego konsensusu na uwolnienie organizmów z napędem genowym we własnym kraju lub w krajach sąsiednich. Wynikające z tego szkody, takie jak utrata plonów, utrata bioróżnorodności, niezamierzone skutki zdrowotne, społeczne lub ekonomiczne, mogą prowa­dzić do konfliktu, jeżeli nie zostaną odpowiednio zre­kompensowane. Nawet niezamierzona obecność GDO w kraju, który nie wyraził zgody na uwolnienie, może prowadzić do konfliktu międzypaństwowego lub kry­zysów dyplomatycznych. Z tych powodów eksperci Konwencji ONZ o broni biologicznej od lat monitorują i omawiają tę kwestię.

Podsumowanie i rekomendacje

Ze względu na liczne kontrowersje i niepewności wynikające z zastosowania sztucznych napędów genowych wielu ekspertów, naukowców oraz aktywistów zaleca rozsądek i zdrowe podejście do tematu rozwoju tej technologii. W związku z tym wielu ekspertów chce:

• Wprowadzenia globalnego moratorium na uwalnianie organizmów z napędem genowym.
• Utworzenia precyzyjnych wymogów dotyczących możliwości odzyskiwania i kon­troli organizmów z napędem genowym.
• Rozpoczęcia globalnego procesu podejmowania decyzji o uwolnie­niu organizmów z napędem genowym.
• Zintegrowania systemu oceny, ewaluacji i zarządza­nia zagrożeniami dla środowiska i zdrowia ze stro­ny organizmów z napędem genowym.
• Zastosowania międzynarodowej, partycypacyjnej oceny technologii organizmów z napędem genowym.
• Opracowania wiążących i szczegółowych globalnych zasad odpowie­dzialności i odszkodowań za szkody spowodowane przez organizmy z napędem genowym.
• Wprowadzenia obowiązkowych globalnych systemów raportowania badań nad organizmami z napędem genowym w systemach zamkniętych oraz jednolite normy bezpieczeństwa dla badań nad napędami genowymi.
• Wprowadzenia zakazu opracowywania organizmów z napędem genowym do potencjalnego wykorzystania w celach militarnych.

Czy napędy genowe staną się naszą codziennością? A może nadzieja w nich pokładana upadnie podobnie jak płonne nadzieje wysnuwane w stosunku do klasycznych modyfikacji genetycznych (GMO)? Być może przekonamy się już wkrótce podczas posiedzenia ministrów ds. środowiska, którzy zajmą się tym tematem już 24 października podczas posiedzenia Rady Unii Europejskiej.

Opracowano na podstawie tłumaczenia Sonię Priwieziencew. dokumentu: „Organizmy z napędem genowym: Nowy wymiar inżynierii genetycznej” autorstwa Volker Henn oraz Mareike Imken

Artykuł zrealizowany w ramach wsparcia Marin Community Foundation