De uitvinding van het uitsterven

Malaria doodt elk jaar een half miljoen mensen, voornamelijk kinderen in tropisch Afrika. Het prijskaartje voor het uitroeien van de ziekte wordt geschat op meer dan $ 100 miljard over een periode van 15 jaar. Om dat te doen, heb je muskietennetten nodig voor iedereen, tienduizenden kratten met antimalariamedicijnen en miljoenen liters insecticiden. Maar er zou meer nodig zijn dan spullen. Je hebt dingen nodig die de armste landen ter wereld niet hebben, zoals sterke regeringen, koopkracht en functionerende volksgezondheidsstelsels. Malaria blijft dus dodelijk.

Maar wat als je in plaats daarvan alleen een emmer vol muggen nodig hebt?

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2016

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Ik zag zo'n uitvinding op Imperial College London. Een student leidde me door een stalen deur, onder een krachtige windvlaag, en naar een vochtige kamer verwarmd tot 83 ° F. Achter glas klampten muggen zich vast aan de zijkanten van kleine kooien bedekt met wit gaas. Op een waarschuwingsbord stond: DEZE KOKER HEEFT GENE DRIVE GM MUGGEN. Het waarschuwde verder dat het DNA van de insecten een genetisch element bevat dat zich in een onevenredig hoog tempo kan verspreiden.

Een gene drive is een kunstmatig egoïstisch gen dat zichzelf in 99 procent van de nakomelingen van een organisme kan dwingen in plaats van in de gebruikelijke helft. En omdat dit specifieke gen ervoor zorgt dat vrouwelijke muggen steriel worden, zou de verspreiding ervan binnen ongeveer 11 generaties - of in ongeveer een jaar - elke populatie muggen vernietigen. Als de technologie in het veld wordt vrijgegeven, zou de technologie kunnen leiden tot het uitsterven van malariamuggen en mogelijk de overdracht van de ziekte stoppen.

Anopheles gambiae muggen. De soort verspreidt malaria in Afrika.

De muggen die ik zag zijn gemaakt als onderdeel van Target Malaria, een project onder leiding van Imperial College dat stilletjes is uitgebreid met 16 instellingen en met teams in Italië en drie Afrikaanse landen, Mali, Burkina Faso en Oeganda, waar momenteel veilige muggenfaciliteiten zijn. uitgerust zijn. Het werk wordt gefinancierd door de gezondheidsstichting van Microsoft-miljardair Bill Gates in Seattle. Een functionaris daar zei dat de stichting nu gene drives noodzakelijk acht om malaria te beëindigen en projecten dat de technologie klaar zal zijn jaren voor een effectief vaccin. Volgens een voor de Gates Foundation ontwikkeld businessplan zouden de zelfvernietigende muggen in 2029 kunnen worden losgelaten.

Het plan is om te verspreiden Anopheles gambiae muggen met egoïstische genen in Afrika bezuiden de Sahara. De gene drive kan zich over een enorm gebied verspreiden, waardoor muggen verdwijnen en de overdracht van de parasiet die malaria veroorzaakt, wordt geblokkeerd. Malaria is een probleem van armoede, instabiliteit en gebrek aan politieke wil, zegt Andrea Crisanti, de Italiaanse parasitoloog en genetisch ingenieur die de insecten ontwikkelde aan het Imperial College. We vragen de drive om te doen wat we politiek of economisch niet kunnen.

Naast het helpen met malaria, denken natuurbeschermers dat gene-drive-technologie de verdwijnende inheemse vogels van Hawaï kan redden (van aviaire malaria) of Australië kan verlossen van invasieve, destructieve padden die westwaarts over het continent huppelen. Waarom niet ook elimineren? Aedes aegypti , de mug die knokkelkoorts en zika in Amerika verspreidt?

Heeft een land, instantie of individu het recht om de natuur te veranderen op een manier die iedereen kan raken?

De technologie creëert risico's waar de samenleving nooit eerder rekening mee heeft gehouden. Zou het verwijderen van muggen ecosystemen verstoren? Riskeren we een genetische epidemie als het egoïstische DNA de soortbarrière zou moeten overschrijden om andere insecten te beïnvloeden? Meest verbijsterend: welk land, agentschap of individu heeft het recht om de natuur te veranderen op manieren die de hele wereld kunnen beïnvloeden? Daarom haat ik het malariaprobleem, zegt Kevin Esvelt, een MIT-bioloog die heeft gewaarschuwd voor de ongekende dilemma's die gene drives zullen veroorzaken. Het maakt de technologie zo verleidelijk om te gebruiken.

Deze vragen hebben snel een antwoord nodig. Slechts 12 maanden geleden was gene-drive-technologie nog een veelbelovende theorie. Niet meer. Er vinden razendsnelle technische vorderingen plaats dankzij CRISPR, een nieuwe techniek voor het bewerken van genen. In het laboratorium van Imperial tuurde ik door een microscoop naar een onvolwassen mug, een pop genaamd, een griezelig wezen dat eruitziet als een vakantieham met een kreeftenstaart eraan vast. In zijn lichaam kon ik vurige fluorescerende vlekken zien waar een kunstmatig egoïstisch gen bezig was zichzelf te kopiëren. De mogelijk ecosysteemveranderende transformaties waren voornamelijk uitgevoerd door een 27-jarige student genaamd Andrew Hammond tijdens een paar maanden lange nachten in het laboratorium. Er zijn zoveel coole manieren om deze te bouwen, jubelde Hammond. Er zijn zoveel makkelijke dingen om te doen.

En dat is nu net het probleem. Ambtenaren in de Verenigde Staten en elders maken zich zorgen dat het misschien een beetje te gemakkelijk is. De FBI onderzoekt of gene drives kunnen worden misbruikt om bijvoorbeeld een designerplaag te creëren. En in mei zal de Amerikaanse National Academy of Sciences naar verwachting aanbevelingen publiceren voor het verminderen van ecologische en andere risico's voorafgaand aan een veldtest. Zevenentwintig onderzoekers schreven aan: Wetenschap met waarschuwingen tegen het per ongeluk vrijgeven van gene-drive organismen, iets waarvan ze vrezen dat het het vertrouwen van het publiek zou schaden. Anderen hebben gezegd dat het onderzoek geclassificeerd moet worden, hoewel het daarvoor te laat is.

verachte soort

Van de 3.500 soorten muggen verspreiden er ongeveer 30 malaria, hoewel drie bijna niet te onderscheiden subtypes van Anopheles gambiae de meeste schade aanrichten in Afrika. De steek van de vrouwelijke mug verspreidt de plasmodiumparasiet, die mensen koorts en koude rillingen bezorgt door exploderende rode bloedcellen. Deze drie muggen zijn het doelwit van Imperial voor eliminatie, zegt Crisanti, terwijl hij zijn bril aan een punt zwaait en opspringt uit zijn stoel.

Crisanti erkent dat gene-drive-technologie spanningen oproept. De druk zal toenemen om de techniek te gebruiken, gezien de gezondheids- en sociale voordelen die het beëindigen van malaria zou kunnen opleveren. Aan de andere kant zijn er nog geen afgesproken regels of procedures om een ​​technologie te ontwikkelen die zich onder wilde organismen kan verspreiden. De gene drive is controversieel vanwege het potentieel om een ​​soort uit te roeien, zegt hij. Er moet dus een duidelijk voordeel zijn.

Bij de Italiaanse buitenpost Target Malaria, vrouwelijk Anopheles muggen nemen een bloedmaaltijd. Drie dagen later leggen ze eieren.

Een gene drive zou deze muggensoorten niet per se tot uitsterven gedoemd hebben. Zakken met muggen kunnen achterblijven, of ze kunnen in een laboratorium worden gehouden, mocht iemand ze terug willen brengen. Maar uitroeiing is een mogelijke uitkomst, zegt Crisanti, vooral als het vrijkomen van de gene drive samenvalt met omstandigheden zoals een droge periode of een koudegolf. Soorten sterven natuurlijk voortdurend uit, maar ik vroeg me af: is het ethisch verantwoord om een ​​deel van de natuur met opzet te elimineren? Vraag je het op een darwinistische manier of op een theologische manier? Crisanti reageerde. Ik denk dat het een soort competitie is tussen ons en de mug. En ik denk niet dat een soort het recht heeft om te bestaan ​​of niet te bestaan. Hij zegt dat soorten wel fitness hebben - ze hebben zich aangepast om te gedijen in hun omgevingsniche. Voor soorten die we hopen te redden, kunnen we gene drives gebruiken om gunstige genen toe te voegen, zoals genen voor ziekteresistentie. Voor soorten die we verachten, kunnen we soorten toevoegen die ze ongeschikt maken om te overleven.

egoïstische genen

Target Malaria wordt geleid door Austin Burt, een evolutietheoreticus aan het Imperial College wiens specialiteit egoïstische genetische elementen zijn. Dit zijn parasitaire genen, die bij veel soorten voorkomen, die extra kopieën van zichzelf maken. (Eén, het P-element genoemd, slaagde er zelfs in om in de 20e eeuw liftend in het genoom van elke fruitvlieg op aarde te komen.) Burt was geïnteresseerd in een bepaald soort egoïstisch gen dat aanwezig is in slijmzwammen, een endonuclease genaamd. Deze sneden DNA open op zeer precieze plekken die ze herkennen en kunnen vervolgens, door zichzelf aan te bieden als een reparatiesjabloon, een cel misleiden om ze te kopiëren. Burt concludeerde dat de eenvoud van dit proces het open liet voor menselijke kunstgrepen, en in een paper uit 2003 beschreef hij hoe het in een uitstervingsapparaat kon worden veranderd.

De paradox die Burt moest oplossen, is hoe iets heel ergs voor muggen ook door hen kan worden verspreid. Eén antwoord, zo zag hij, was een egoïstisch gen dat onschadelijk is als er één exemplaar aanwezig is, maar steriliteit veroorzaakt als er twee exemplaren zijn. (Net als mensen hebben muggen twee sets chromosomen, één van elke ouder.) Beginnend met een mannelijke mug met één kopie, zal het egoïstische gen ervoor zorgen dat het in elk van zijn sperma terechtkomt, in plaats van slechts de helft. Op die manier zullen alle nakomelingen met een wilde mug ook drager zijn, net als alle nakomelingen van hun nakomelingen. Hierdoor zal het gen als een raket door de populatie vliegen.

Uiteindelijk wordt het waarschijnlijk dat elk parend paar muggen beide drager zullen zijn - en hun nakomelingen, met twee exemplaren, zullen onvruchtbaar zijn. Snel zal de bevolking instorten, bezwijkend van het genetische gif. Op mijn ezelsoren exemplaar van Burt's paper heb ik de slotzinnen onderstreept: Het is duidelijk dat de hier beschreven technologie niet lichtvaardig moet worden gebruikt. Gezien het lijden dat door sommige soorten wordt veroorzaakt, is het natuurlijk ook niet iets om te negeren.

Burt is een met pensioen gaande Canadees die ik heb gehuisvest in een kantoor dat grotendeels leeg was, op een computer na. Hij serveerde thee die niemand dronk en beantwoordde een aantal van mijn meest provocerende formuleringen over de enorme kracht van biotechnologie door te zeggen: Eh, ja. Hij vertrouwde wel toe dat hij had geprobeerd zijn idee te patenteren. Maar het werd afgewezen omdat hij destijds weinig experimenteel bewijs had om te bewijzen dat het kon werken. Ik wilde geloven dat ik iets had uitgevonden, zegt hij.

Destijds had Crisanti's lab net bepaald hoe genetisch gemanipuleerd moest worden Anopheles muggen - een voorwaarde om Burts ideeën te laten werken. Ze hebben financiering aangevraagd bij de Gates Foundation en sindsdien heeft Gates $ 44 miljoen aan het project uitgegeven, gemakkelijk het grootste bedrag dat tot nu toe is besteed aan onderzoek naar gene-drive.

Toch bleek het moeilijk om een ​​egoïstisch gen te ontwikkelen dat zou presteren zoals voorspeld door de vergelijkingen op Burts computerscherm. Het team van Crisanti probeerde zelfzuchtige genen van slijmzwammen aan te passen, maar het was moeilijk om ze enorm verschillende muggengenen te laten snijden. In 2011 had het team een ​​gedeeltelijk prototype, maar niets dat zich in het wild kon verspreiden.

Toen, in maart 2015, kondigden twee vliegbiologen in Californië, Ethan Bier en zijn student Valentino Gantz, aan dat ze een egoïstisch gen hadden gecreëerd dat de profetie van Burt vervulde. Het verspreidde zich door een populatie laboratoriumvliegen, wat een genetische verandering veroorzaakte die de insecten geel maakte. In plaats van te worstelen met slijmzwammen, hadden Bier en Gantz Cas9 gebruikt, het DNA-slicingmolecuul dat beroemd werd vanwege zijn rol in de genbewerkingstechnologie genaamd CRISPR. De verdienste van Cas9 is dat het gemakkelijk kan worden gericht om elke gewenste DNA-sequentie open te knippen. Dus hadden ze Cas9 aan het genoom van de fruitvlieg toegevoegd en verteld waar ze moesten snijden.

Het is een soort competitie tussen ons en de mug.

Dit betekende dat met CRISPR zelfs een team van twee personen in theorie een hele soort zou kunnen veranderen. In december vorig jaar hadden Crisanti's groep en een andere groep, geleid door Bier en muggenexpert Anthony James, allebei CRISPR gebruikt om gene drives te bouwen die eigenschappen kunnen verspreiden door muggenpopulaties in kooien - en waarschijnlijk ook in het wild.

Nu meer wetenschappers werken aan gene drives, is de kans op onbedoelde vrijlating een punt van zorg geworden. Als een van Bier's insecten in de boomgaarden van Californië was ontsnapt, hadden alle vliegen geel kunnen worden. In augustus schreven Burt, Bier en 25 anderen een brief naar Wetenschap het eens zijn over de noodzaak van strikte opsluitingsstrategieën om een ​​genetische lekkage te voorkomen en een beroep doen op wetenschappers om verzoeken om de organismen die ze hebben gemaakt te delen, te weigeren totdat er een soort van regels kan worden bedacht.

Het muggenlab van Imperial in Londen is beslist geen Fort Knox, met studenten die komen en gaan. In plaats daarvan is een belangrijke veiligheidsmaatregel de locatie ver van het huidige bereik van Anopheles gambiae . Alle ontsnappende muggen - de studenten noemen ze vliegers - zouden waarschijnlijk zinloos worden door droge lucht en kou zodra ze de labgangen bereiken. En zelfs als iemand op de een of andere manier 200 meter op Queen's Lawn zou komen, zou hij geen andere mug vinden om mee te paren. De muggen die ik in Londen heb gezien, zijn in ieder geval nog niet klaar om vrijgelaten te worden. Ze zijn niet al te gezond - het zou moeilijk voor ze zijn om in het wild te concurreren en zich voort te planten. En in twee van de kooien begon de gene drive, die zich aanvankelijk snel verspreidde, na enkele generaties muggen te verdwijnen. De waarschijnlijke reden is weerstand. Een of meer van de muggen hebben mogelijk immuniteit ontwikkeld tegen de aandrijving, misschien door een toevallige DNA-mutatie, en de nakomelingen van deze muggen vermenigvuldigden zich snel.

We hebben wat problemen op te lossen, maar we hebben veel trucs in de kast, zegt Tony Nolan, de wetenschappelijke luitenant van Crisanti's lab. Een idee is om meerdere schijven te combineren, gericht op drie verschillende DNA-sites tegelijk. Muggen kunnen uiteindelijk weerstand ontwikkelen tegen alle drie, maar misschien niet voordat ze allemaal dood zijn.

Op een monitor gloeit een muggenlarve met een fluorescerend spoor.

Het inzetten van de troepen

De Gates Foundation heeft besteed $ 36,7 miljard over onderwijs, volksgezondheid en vaccins sinds de oprichting in 2000. De fractie die aan gene drives wordt uitgegeven, wordt nauwelijks geregistreerd, maar de techniek heeft een speciale aantrekkingskracht gekregen bij het oplossen van malaria, lang een van Gates' belangrijkste doelstellingen. Als je de ideale manier zou bedenken om een ​​probleem in ontwikkelingslanden aan te pakken... zou dat een gene drive zijn, zegt Fil Randazzo, adjunct-directeur bij de stichting.

Als het werkt, zal het ongelooflijk goedkoop, gemakkelijk te distribueren en egalitair zijn, wat iedereen ten goede komt, rijk of arm. Het blijft ook werken als het eenmaal is vrijgegeven, waardoor een veelvoorkomend probleem wordt vermeden: vaak is het moeilijkste deel van het uitroeien van een ziekte het eindspel, wanneer de aandacht ergens anders afdwaalt en de uitgaven per geval omhoogschieten. In een scenario dat Randazzo voor mij schetste, zouden om de 50 kilometer emmers muggen worden losgelaten, waardoor een kettingreactie ontstond die over twee jaar door tussenliggende bossen en weilanden en steden zou stromen. Het aantal overlevende muggen zou instorten, tot minder dan 1 procent van het normale niveau. Met behulp van muskietennetten en sprays zouden beten tot een minimum worden beperkt, waardoor de cyclus van overdracht van malaria wordt doorbroken. Een campagne van medicamenteuze behandeling zou dan het menselijke reservoir van de parasiet kunnen opruimen - in sommige West-Afrikaanse landen is 25 procent van de bevolking besmet.

De Gates Foundation heeft gezegd niet langer te geloven dat malaria kan worden uitgeroeid zonder een gene drive. Je kunt niet altijd met een klamboe rondlopen. Dat gaat malaria niet uitroeien, zegt Randazzo. Met een gene drive is gedragsverandering van mensen niet nodig.

Het Imperial-team is begonnen met het bouwen van wiskundige modellen van geografie, klimaat en andere factoren om grip te krijgen op hoe een gene drive in de echte wereld zou kunnen werken. In Burkina Faso hebben wetenschappers vrijgelaten Anopheles overgoten met fluorescerend stof om ze op te sporen. Burt zegt dat hij gelooft dat een rit zich vijf tot twintig kilometer per jaar kan verspreiden vanaf elk lozingspunt, en dat minder dan 500 muggen de reactie kunnen veroorzaken.

Een laboratoriummedewerker voert DNA-testen uit in de Polo d'Innovazione Genomica, in Perugia, Italië, onderdeel van een netwerk van door Bill Gates gefinancierde laboratoria die gene drives bestuderen.

Sommige wetenschappers vertelden me dat ze geloven dat het malariaproject gedoemd is te mislukken. Wat als verschillende muggen uiteindelijk de ziekte overdragen? Guy Reeves, een evolutionair bioloog aan het Duitse Max Planck Instituut, voorspelt dat resistente insecten het grootste probleem zullen zijn, en zegt dat ze ervoor zullen zorgen dat de technologie hapert. We kunnen niet elke keer voor het glimmende nieuwe ding gaan, zegt Reeves, die denkt dat insecten op basis van Burts theorieën nooit voldoende voorspelbaar zullen zijn om met enig vertrouwen te gebruiken.

In maart woonden zo'n 75 beleidsexperts en wetenschappers, waaronder Burt, een driedaags gesloten symposium over gene drives in North Carolina bij. Mensen die erbij waren, zeiden dat de bezorgdheid voelbaar was over het vooruitzicht van genetische veranderingen die zich wijd kunnen verspreiden, over de grenzen heen. Esvelt van MIT, die aanwezig was, zegt dat het probleem met het malaria-idee is dat het effect zal hebben op iedereen in Afrika, maar dat het onmogelijk zal zijn om iedereen daar te laten instemmen met de technologie. Ik denk dat Gates de intentie heeft om dit naar voren te schuiven, zegt hij. En de vraag is: hoe doe je dat ethisch?

Randazzo zegt dat de organisatie van Gates zich inzet om de gene-drive-technologie over te dragen aan de Afrikaanse bevolking en hen te laten beslissen. De inspanningen in deze richting zijn goed gevorderd. Vanaf 2012 begon Target Malaria met het ontwikkelen van grondoperaties in een handvol Afrikaanse landen, het opleiden van wetenschappers, het inrichten van insectenlaboratoria en het sturen van teams om lokale gemeenschappen te informeren.

Het plan lijkt op een militaire campagne, compleet met oefeningen, manoeuvres en blanco ladingen. Het omvat de gefaseerde introductie van genetisch gemodificeerde muggen die geen gene drive hebben. Hoewel deze niet helpen bij malaria, kunnen lokale wetenschappers met hen trainen en een regelgevend pad voor het echte werk creëren. Een aanvraag om Afrika's eerste genetisch gemodificeerde muggen te importeren is al in behandeling in Burkina Faso.

Kleine kooien met gaas worden gebruikt om muggen vast te houden voor studie.

Maar de echte gene-drive insecten zullen in Europa blijven totdat Afrikaanse landen de technologie en de gevolgen ervan hebben geaccepteerd. De reden is dat op een tropische locatie, in tegenstelling tot Londen, een laboratoriumongeval waarbij muggen kunnen ontsnappen onomkeerbare gevolgen kan hebben. We zullen ze niet naar Afrika importeren totdat het is geaccepteerd, omdat we niet denken dat we 100 procent kunnen garanderen dat het zal worden ingeperkt, zegt Delphine Thizy, de politicoloog die de engagementteams van Target Malaria leidt.

Zullen mensen in Afrika deze technologie willen? Ik sprak met een Keniaanse entomoloog, Richard Mukabana, die aan de grondcampagne werkte in gemeenschappen rond het Victoriameer. Aan de hand van posters en diagrammen bezochten de teams plattelandsgebieden om het idee uit te leggen, vaak aan analfabeten. Een cartoon die werd gebruikt om over te brengen wat er aan de hand is, toont een blonde wetenschapper die een muggenkooi vasthoudt naast een Britse vlag. Het doel van het grondwerk is om een ​​sociale licentie tot stand te brengen - een soort overeenkomst, zegt Mukabana, die niet is opgeschreven of aan een muur wordt geplakt, maar zal moeten bestaan ​​​​als er ooit een gene drive wordt vrijgegeven.

Zelfs de meeste wetenschappers weten nog niet wat een gene drive is, of hoe die werkt. En het aan mensen beschrijven in het Luo-dialect (de taal die de vader van president Obama sprak) is een uitdaging, omdat de taal geen woord voor DNA heeft. Mukabana leende woorden uit het Engels en Swahili en gebruikte bloed als synoniem voor genen.

Mukabana vertelde me dat wanneer mensen in gemeenschappen waar kinderen sterven aan malaria, horen dat de ziekte kan worden geëlimineerd, ze ervoor zijn. En als er een verdediger van muggen rond het Victoriameer is, heeft hij er geen ontmoet. Mensen zullen zich niet druk maken over het uitsterven van muggen, zegt hij.

zich verstoppen