Экологическая инженерия и генные драйвы

01Обзор и цепочка создания стоимости#

Маркеры EC: Директива о преднамеренном высвобождении 2001/18/EC | OECD: Экологическая биотехнология | Регулятор: EPA (США), EMA (ЕС), MARA (Китай)

Экологическая инженерия использует биологические процессы для решения экологических проблем — от конструируемых водно-болотных угодий и зелёной городской инфраструктуры до генных драйвов, способных изменить целые дикие популяции вида. Генный драйв нарушает обычное правило 50%-ного наследования: вместо того чтобы модифицированный ген достигал половины потомков, самокопирующаяся кассета CRISPR-Cas9 плюс guide RNA плюс drive-ген заставляет признак попадать практически в 100% потомков, изменяя всю популяцию за 6-20 поколений. Дополнительные, не самораспространяющиеся подходы подавляют, а не модифицируют популяцию: техника стерильных насекомых (SIT) массово разводит, облучает и выпускает стерильных самцов, из-за чего спаривания с дикими особями не дают потомства, в то время как подходы на основе Wolbachia заражают выпускаемых самцов бактерией, из-за которой потомство от заражённого самца нежизнеспособно. Генно-драйвовые комары Target Malaria уже показали в закрытых испытаниях в Танзании способность подавлять малярийных паразитов пациентов, самоограниченные комары Friendly от Oxitec перешли к первым выпускам в Джибути против малярии и на Маршалловых островах против денге, а проект Debug компании Verily (Google/Alphabet) добивается разрешения регуляторов США на выпуск десятков миллионов заражённых Wolbachia комаров по всей Калифорнии и Флориде.

Основные направления экологической инженерии и генных драйвов:

1. Генные драйвы CRISPR: самокопирующаяся кассета (CRISPR-Cas9 + guide RNA + drive-ген), заставляющая генетический признак попадать примерно в 100% потомков вместо обычных 50%, изменяя дикую популяцию за 6-20 поколений.
2. Техника стерильных насекомых (SIT): массовое разведение, облучение и выпуск стерильных самцов, из-за чего спаривания с дикими особями не дают жизнеспособного потомства, что схлопывает локальную популяцию без изменения её генома.
3. Подавление и замещение на основе Wolbachia: заражение выпускаемых самцов бактерией Wolbachia, из-за чего потомство от спаривания с заражённым самцом нежизнеспособно (подавление), либо заражение популяции так, что сама бактерия блокирует передачу патогена (замещение).
4. Экологическая инженерия на основе природы: конструируемые водно-болотные угодья, живые береговые линии и зелёно-голубая городская инфраструктура, использующие живые экосистемы вместо жёсткой инфраструктуры для управления наводнениями, жарой и качеством воды.

Секторальная цепочка создания стоимости#

[Выбор целевого вида и оценка рисков] ──> [Разработка генетической конструкции / линии SIT] ──> [Закрытое испытание (клетка/лаборатория)]
                                                                                                              │
                     [Мониторинг популяции и eDNA-отслеживание] <─── [Регулируемый полевой выпуск] <┘

Уровни цепочки создания стоимости#

Сквозные технологии сектора:

• Дизайн кассеты генного драйва CRISPR: самокопирующийся генетический элемент, сочетающий CRISPR-Cas9, guide RNA и drive-ген, сконструированный так, чтобы обеспечить наследование признака почти в 100% случаев вместо обычных менделевских 50%.
• Техника стерильных насекомых (SIT): массовое разведение с последующей стерилизацией радиацией, масштабный выпуск стерильных самцов, из-за чего спаривания с дикими особями не дают жизнеспособного потомства.
• Контроль популяции на основе Wolbachia: заражение насекомых бактерией Wolbachia либо для того, чтобы сделать потомство от спариваний с заражёнными самцами нежизнеспособным (подавление), либо для блокирования передачи патогена внутри устоявшейся популяции (замещение).

02США#

Соединённые Штаты стали пионерами современной экологической инженерии как дисциплины и сейчас реализуют одни из крупнейших в мире программ восстановления водно-болотных угодий и береговых линий наряду с пилотными проектами генных технологий контроля комаров.

Восстановление Эверглейдс и побережья Луизианы, программы водно-болотных угодий USACE/EPA/NOAA, проект Debug от Verily#

• Масштабное восстановление водно-болотных угодий и побережья: Комплексный план восстановления Эверглейдс и Генеральный план побережья Луизианы представляют собой многолетние, многомиллиардные федеральные и штатные обязательства по восстановлению водно-болотных угодий и дельт против повышения уровня моря, реализуемые Инженерным корпусом армии США, EPA и NOAA.
• Живые береговые линии как зелёная инфраструктура: поддерживаемые NOAA и NFWF проекты живых береговых линий сочетают устричные рифы, болотную траву и песчаный пляж как гибридную альтернативу жёстким дамбам вдоль тысяч миль побережья США, при этом солёное болото секвестрирует существенно больше углерода на гектар, чем наземный лес.
• Проект Debug от Verily на основе Wolbachia: Verily компании Google/Alphabet добивается разрешения регуляторов США на выпуск десятков миллионов заражённых Wolbachia самцов комаров по всей Калифорнии и Флориде для подавления местных популяций Aedes aegypti, переносящих денге и Зика, без изменения генома комара.

03КНР#

Китай реализует крупнейшие в мире по масштабу программы конструируемых водно-болотных угодий и биологического контроля вредителей, одновременно удерживая исследования генных драйвов CRISPR в рамках закрытых лабораторных испытаний под мораторием на биобезопасность 2020 года на полевые выпуски.

Производство и исследования комаров в Sun Yat-sen University, мораторий на исследования генных драйвов, масштаб конструируемых водно-болотных угодий#

• Исследования контроля переносчиков в Sun Yat-sen University: программы исследований общественного здравоохранения Sun Yat-sen University в Шэньчжэне вносят вклад в признанную во всём мире технику стерильных насекомых Китая и работу по подавлению комаров на основе Wolbachia, часть документированных ВОЗ программ контроля переносчиков, которые привели к существенному сокращению местных популяций Aedes albopictus на пилотных островах.
• Мораторий на полевые выпуски генных драйвов: более 30 китайских лабораторий, включая Пекинский университет и университет Цинхуа, публикуют исследования генных драйвов CRISPR, нацеленные на комаров-переносчиков малярии и денге, но Закон о биобезопасности Китая 2020 года классифицирует генные драйвы как высокорисковую биотехнологию, требующую одобрения Министерства науки и технологий перед любым полевым испытанием — полевой выпуск пока не проводился.
• Мировой лидирующий масштаб конструируемых водно-болотных угодий: Китай эксплуатирует больше конструируемых водно-болотных угодий, чем любая другая страна, сочетая очистку сточных вод со средой обитания биоразнообразия; комплекс конструируемых водно-болотных угодий озера Дунтин в провинции Хунань включён в список рамсарских угодий и измеримо снизил концентрацию нитратов, расширив при этом места гнездования журавлей.

04ЕС#

Европейский Союз перешёл от философии консервации «защита природы от человека» к законодательно закреплённому подходу экологической инженерии и восстановления природы, одновременно рассматривая генные драйвы как отдельную, управляемую принципом предосторожности технологию в рамках существующих правил высвобождения ГМО.

Проекты ревайлдинга по Nature Restoration Law, закрытые испытания генного драйва Target Malaria, надзор Директивы о преднамеренном высвобождении#

• Мегапроекты ревайлдинга по Nature Restoration Law: Закон ЕС о восстановлении природы обязывает государства-члены восстановить 20% деградировавших экосистем к 2030 году, поддерживая такие проекты, как ренатурализация реки Эмшер в Германии (устранение 150 лет открытых канализационных каналов) и очистка Сены во Франции, вернувшая в реку лосося и открывшая её для купания.
• Закрытые исследования генного драйва Target Malaria: базирующийся в Великобритании консорциум Target Malaria, связанный с Имперским колледжем Лондона, продемонстрировал в закрытых испытаниях, что генно-драйвовые комары Anopheles способны подавлять малярийных паразитов пациентов, продолжая работать строго в рамках содержания в клетках и лабораторий, а не открытого полевого выпуска.
• Надзор Директивы о преднамеренном высвобождении: любой организм с генным драйвом, предназначенный для высвобождения в окружающую среду в ЕС, подпадает под рамки преднамеренного высвобождения ГМО Директивы 2001/18/EC, требующие оценки экологического риска, учитывающей фундаментальную необратимость технологии.

05Ведущие компании и научно-исследовательские институты#

06Технологический стек и инновации#

1. Молекулярный стек и биологические агенты#

• Кассета генного драйва: эндонуклеаза CRISPR-Cas9, guide RNA, нацеленная на конкретный геномный локус, и связанный drive-ген, сконструированные так, чтобы копировать себя в гомологичную хромосому во время мейоза, делая гетерозиготных особей фактически гомозиготными носителями драйва.
• Самоограниченные и «дейзи-цепочечные» драйвы: инженерные варианты (такие как раздельные или дейзи-цепочечные драйвы), спроектированные так, чтобы терять эффективность после определённого числа поколений, ограничивая географическое распространение как меру снижения риска против фундаментальной необратимости генных драйвов.
• Штаммы Wolbachia: естественно встречающиеся внутриклеточные бактерии, используемые либо для индукции цитоплазматической несовместимости (подавление), либо для блокирования репликации арбовируса внутри комара (замещение популяции).

2. Приборный стек и аналитическое оборудование#

• Установки массового разведения: промышленные инсектарии, способные производить миллионы личинок или куколок в день, с автоматизированной сортировкой по полу для выпуска только самцов.
• Установки облучения: источники гамма- или рентгеновского излучения, откалиброванные для стерилизации самцов насекомых без значительного снижения их конкурентоспособности при спаривании.
• Полевой мониторинг: сети ловушек для комаров в сочетании с qPCR и отбором проб eDNA для отслеживания сокращения популяции или частоты аллеля драйва после выпуска.

07Цепочки создания стоимости и пайплайны производства#

Промышленный пайплайн программы контроля комаров методом техники стерильных насекомых#

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. Массовое разведение     │ ───> │ 2. Автоматизированная       │
│    целевой колонии комаров │      │    сортировка по полу       │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. Полевой выпуск под     │ <─── │ 3. Радиационная             │
│    регуляторным разрешением │      │    стерилизация куколок самцов│
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. Мониторинг популяции    │ ───> │ 6. Отчётность о сокращении  │
│    через ловушки             │      │    популяции и корректировка│
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

Этап 1: Массовое разведение

Целевая колония комаров (обычно Aedes или Anopheles) разводится в промышленном масштабе в инсектариях с контролем температуры и влажности, производя миллионы личинок за производственный цикл.

Этап 2: Автоматизированная сортировка по полу

Куколки механически или оптически сортируются по полу, поскольку выпускаются только самцы — самцы не кусаются и, будучи стерильными или заражёнными Wolbachia, сами не могут передавать болезнь.

Этап 3: Радиационная стерилизация

Куколки самцов подвергаются откалиброванной дозе гамма- или рентгеновского излучения, достаточной для индукции стерильности при сохранении достаточной конкурентоспособности при спаривании с дикими самцами.

Этап 4: Полевой выпуск под регуляторным разрешением

Стерильные самцы выпускаются на определённой географической территории под государственным разрешением на полевой выпуск, приуроченным к циклам спаривания дикой популяции.

Этап 5: Мониторинг популяции через ловушки

Сеть полевых ловушек отлавливает комаров для подсчёта и идентификации вида, отслеживая сокращение плотности популяции дикого типа за последовательные циклы выпуска.

Этап 6: Отчётность о сокращении популяции и корректировка

Данные мониторинга используются для корректировки объёма и частоты выпуска, при этом результаты подавления популяции сообщаются регуляторному органу, курирующему программу.