Инсектициды использовались на протяжении столетий для противодействия широко распространенному вреду, наносимому вредителями ценным продовольственным культурам. В конце концов, со временем, жуки, моль, мухи и другие вредители развивают генетические мутации, которые делают инсектицидные химикаты неэффективными.
Растущая устойчивость этих мутантов заставляет фермеров и специалистов по борьбе с переносчиками болезней все чаще и в больших концентрациях использовать токсичные соединения в инсектицидах, что может создавать риски для здоровья человека и окружающей среды, поскольку большинство инсектицидов убивают как вредных, так и полезных насекомых.
Поэтому исследователи недавно разработали мощные технологии, которые генетически удаляют гены вариантов, устойчивых к инсектицидам, и заменяют их генами, восприимчивыми к пестицидам. Эти технологии генного драйва, основанные на редактировании генов CRISPR, имеют потенциал для защиты ценных культур и значительного сокращения количества химических пестицидов, необходимых для уничтожения вредителей.
Тем не менее, системы генного драйва подвергаются пристальному вниманию из-за опасений, что после их внедрения в популяцию они могут беспрепятственно распространяться и поставить целый вид под угрозу вымирания.
Генетики Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили свой подход и опубликовали результаты в журнале Nature Communications, пишет Марио Агилера в релизе университета.
Докторант Школы биологических наук Анкуш Аурадкар и профессор Итан Бир возглавили создание новой генетической системы, которая преобразует устойчивые к инсектицидам формы мутировавших генов насекомых обратно в их естественную, нативную форму. Новая система разработана для распространения исходной версии гена «дикого типа» с использованием смещенного наследования определенных генетических вариантов, известных как аллели, а затем исчезает, оставляя только популяцию насекомых с исправленной версией гена.
«Мы разработали эффективный биологический подход к устранению устойчивости к инсектицидам, не создавая никаких других возмущений в окружающей среде, - говорит Бир, профессор кафедры клеточной и эволюционной биологии, о самоустраняющемся аллельном драйве, или «e-Drive». - e-Drive запрограммирован на временное действие, а затем исчезает из популяции».
Как описано в статье, исследователи создали новую генетическую «кассету», небольшую группу элементов ДНК, и вставили ее в плодовых мушек в качестве концептуальной технологии, которую можно было бы применить к другим насекомым. Они разработали e-Drive для нацеливания на ген, известный как потенциалзависимый натриевый ионный канал l, или vgsc, который необходим для правильного функционирования нервной системы.
Кассета e-Drive предназначена для распространения посредством редактирования генов CRISPR и содержит направляющую РНК, которая связывается с белком ДНК Cas9 и делает разрез в целевом сайте гена устойчивости к инсектицидам vgsc. Затем ген заменяется на нативную копию гена, восприимчивого к инсектицидам.
Согласно исследованию, когда насекомые, несущие кассету, внедряются в целевую популяцию, они спариваются случайным образом и передают кассету e-Drive своему потомству. Чтобы сохранить контроль над распространением e-Drive, исследователи ввели проверку приспособленности для тех, кто несет кассету, либо через ограниченную жизнеспособность, либо через плодовитость. Кассета была вставлена в X-хромосому дрозофил и снизила успешность спаривания самцов, что привело к сокращению потомства. Частота кассеты в популяции в конечном итоге снижается с каждым поколением, пока она полностью не исчезнет из популяции.
В лабораторных экспериментах все потомство было преобразовано в собственные гены за восемь-десять поколений, что у мух заняло около шести месяцев.
«Поскольку насекомые, несущие генную кассету, подвергаются серьезным потерям в плане приспособленности, элемент быстро устраняется из популяции и существует ровно столько времени, сколько требуется для преобразования 100 процентов устойчивых к инсектицидам форм целевого гена обратно в дикий тип», — сказал Аурадкар.
Исследователи отмечают, что самоустраняющаяся природа e-Drive означает, что ее можно вводить и повторно вводить по мере необходимости, а также по мере использования различных типов пестицидов. В настоящее время исследователи разрабатывают похожую систему e-Drive для комаров, чтобы помочь предотвратить распространение малярии.
Помимо Аурадкара и Бира, соавторами статьи в Nature Communications были их коллеги Родриго Кордер из Института биомедицинских наук Университета Сан-Паулу и Джон Маршалл из Института инновационной геномики, которые выполнили сложное математическое моделирование, выявившее важные скрытые особенности системы e-Drive.
Источник: University of California - San Diego. Автор: Марио Агилера.
На изображении вы видите работу e-Drive. Источник изображения: Bier Lab, UC San Diego.
