Sáng tạo robot thành những chiến binh chống lại loài Muỗi

Chiến binh cyborg của chúng ta là gì? Các chiến binh cyborg được biến đổi từ những kẻ thù sinh học ban đầu này và "trái tim của công lý" được cài đặt trên họ là một thiết kế di truyền có thể chống lại sự lây lan của bệnh tật. Thiết kế cấp cao hơn hiện nay của các nhà khoa học là kết hợp các sinh vật lây lan dịch bệnh với những người lính robot sinh hóa, để chỉ những đứa con có "trái tim công lý" mới được sinh ra.

Một cốt truyện như thế này từng chỉ xuất hiện trong khoa học viễn tưởng giờ đã được hiện thực hóa một phần. Nhân vật chính này là con muỗi, loài khét tiếng truyền bệnh trong thế giới côn trùng. Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ mới đã mở ra một bối cảnh mới trong Star Wars này. Chiến binh robot muỗi véc tơ sẽ có mặt tại hiện trường là chiến binh Aedes aegypti "Medea" có thể chiến đấu chống lại sự lây lan của vi rút sốt xuất huyết, chiến binh muỗi Anopheles đã được biến đổi gen với endonuclease tự quay trở lại và muỗi Aedes aegypti với gen trội gây chết người.Muỗi chiến binh.

Muỗi có thể truyền nhiều bệnh, chỉ riêng bệnh sốt rét đã lây nhiễm cho hơn 200 triệu người mỗi năm và giết chết một triệu người, chủ yếu là trẻ em. Bất chấp nhiều thập kỷ nỗ lực, vẫn chưa có vắc-xin sốt rét hiệu quả. Việc sử dụng hóa chất diệt trừ muỗi véc tơ đã đạt được kết quả tốt, nhưng vấn đề kháng thuốc và ô nhiễm môi trường vẫn còn tồn tại.

Xem thêm: Cửa lùa lưới chống muỗi

Các nhà khoa học đã đề xuất một chiến lược kiểm soát sinh học: Vì những mầm bệnh này chỉ có thể truyền sang người qua vết đốt của muỗi cái bị nhiễm bệnh, nên một trong những cách khả thi để ngăn chặn sự lây lan của bệnh là biến đổi muỗi để chống lại sự lây nhiễm mầm bệnh, giống như cho robot. những người lính Mang "Trái Tim Chính Nghĩa" không bị quấy rầy bởi các thế lực tà ác. Tuy nhiên, một vấn đề nữa là khả năng chống nhiễm mầm bệnh không đảm bảo rằng chúng có lợi thế sinh sản. Ngược lại, chúng có khả năng giao phối và sinh sản kém hơn so với muỗi hoang dã vì chúng mang gen kháng bệnh. Rốt cuộc, sau hàng trăm triệu năm tiến hóa, loài muỗi hoang dã đã có thể chất phù hợp nhất để sinh tồn.

Làm thế nào để biến đổi những "chiến binh robot" này để chúng có lợi thế trong việc sinh sản là một chủ đề đáng để khám phá. Nếu con người có thể vượt qua những khó khăn trên, có thể có một cách để biến đổi muỗi vector để ngăn ngừa và kiểm soát các bệnh truyền nhiễm.

1. Chiến binh robot muỗi Vector Medea

Các học giả từ Viện Công nghệ California đã đưa ra một phương pháp mới có thể khiến các gen cụ thể lan truyền trong quần thể và thậm chí thay thế toàn bộ quần thể. Chiến binh robot muỗi vector được tạo ra theo phương pháp này được đặt tên là "Medea".

Medea là một nhân vật bi thảm trong thần thoại Hy Lạp, cháu gái của thần mặt trời và là vợ của anh hùng Easun (còn gọi là Jason). Medea đã yêu ngay từ cái nhìn đầu tiên với Ivason, người đến tìm Bộ lông cừu vàng. Đối với Ivason, Medea đã phản bội cha mình và thậm chí còn giết chết em trai cô một cách dã man. Không ngờ sau này Ivasson lại đồng cảm với người khác, khiến Medea từ yêu chuyển sang hận, cô tự sát cùng 2 đứa con nhỏ của Ivasson để trút giận. Câu chuyện này cũng là một trong ba bi kịch trong thần thoại Hy Lạp.

Mối liên hệ giữa thần thoại Hy Lạp này và di truyền dân tộc là gì? Đầu tiên chúng ta hãy minh họa với Red Flour Beetle!

Năm 1992, Tiến sĩ Richard W. Beeman của Đại học Bang Kansas dẫn đầu một nhóm nghiên cứu về bọ cánh cứng đỏ, khi phân tích hành vi di truyền của một dòng nào đó, người ta phát hiện ra rằng một số bà mẹ đã giết con của mình để hủy hoại sự mang kiểu gen của người cha. con đẻ. Nhưng khác với thần thoại Medea của Hy Lạp, loài bọ này không giết hết con cái mà chỉ cho phép con cái có kiểu gen giống mẹ sống sót. Dòng bọ cánh cứng này, trong đó chỉ những con bọ giống mẹ mới có thể sống sót và những con giống bố không thể nở ra, được đặt tên theo Medea, người đã giết chính con mình.

Xem thêm: Cửa lưới chống muỗi xếp có ray

Mặc dù Tiến sĩ Beeman không biết cơ chế sinh học phân tử của dòng Medea để chọn các kiểu gen cụ thể vào thời điểm đó, nhưng ông đã biết rằng Medea có thể chọn các gen cụ thể thông qua dòng mẹ. Thông qua tính toán của mô hình toán học, chúng ta biết rằng kiểu gen của Medea lan truyền rất nhanh trong quần thể, vì vậy Medea có khả năng thay đổi thành phần gen của quần thể. Yếu tố di truyền không theo luật di truyền Mendel này thường được gọi là "yếu tố di truyền ích kỷ". Các yếu tố di truyền ích kỷ (gen đơn lẻ hoặc nhóm gen) có thể truyền gen của chúng từ thế hệ này sang thế hệ khác và trong quần thể, chúng lan truyền nhiều hơn và nhanh hơn các gen thường tuân theo quy luật di truyền Mendel.

Nghĩ về nó từ một góc độ khác, nếu "trái tim của công lý" - tức là gen có thể chống lại mầm bệnh - có thể được đưa vào quần thể muỗi hoang dã thông qua các nhân tố di truyền ích kỷ như Medea, có lẽ sau vài thế hệ, quần thể muỗi có thể "" Chỉnh tà quy chính", và tất cả đều trở thành những chủng không thể truyền bệnh. Do đó, nếu có thể kiểm soát được Medea, có thể có cơ hội thay đổi kiểu gen của quần thể muỗi trung gian và ngăn chặn sự lây lan của dịch bệnh.

Sau đó, nhóm nghiên cứu của Caltech quyết định tự mình tổng hợp một Medea nhân tạo. Họ suy luận rằng Medea nên có hai đặc điểm: thứ nhất, có một loại độc tố được truyền qua dòng mẹ để loại bỏ những đứa con không thừa hưởng gen Medea từ mẹ; Con cái mang gen Medea của mẹ sẽ miễn nhiễm với chất độc và phát triển bình thường.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng axit micronucleic như một chất độc để ức chế protein MyD88 cần thiết cho sự phát triển của phôi thông qua hoạt động của chất khởi động từ mẹ, do đó ngăn không cho phôi tiếp tục phân hóa và chết. Mặc dù MyD88 bị axit micronucleic ức chế, nhưng nếu MyD88 không được axit micronucleic nhận ra có thể được bổ sung chính xác vào thời điểm thích hợp trong thời kỳ phôi thai, thì MyD88 đã được sửa đổi là một loại thuốc giải độc hoàn hảo.

Xem thêm: Bảng giá cửa lưới chống muỗi

Các nhà khoa học đã khéo léo thiết kế chất độc và thuốc giải trong quá trình hình thành giao tử của con cái Medea. Trước khi giảm phân, tất cả các giao tử (trứng) sẽ thừa hưởng chất độc axit micronucleic từ tế bào chất của mẹ để phá hủy axit ribonucleic thông tin của MyD88, nếu MyD88 không được bổ sung trong tương lai, phôi sẽ chết. Sau khi giảm phân, các nhiễm sắc thể sẽ tách ra và một số giao tử sẽ thu được thuốc giải độc có thể được biểu hiện sau đó, nghĩa là phôi bộ gen Medea với MyD88 đã được sửa đổi có thể tiếp tục tồn tại và phát triển.

Sau quá trình phân tách nhiễm sắc thể, một nhóm phôi khác chỉ thừa hưởng axit micronucleic nhưng không được gán cho bộ gen Medea sẽ không tiếp tục phát triển. Vì chỉ những đứa con mang gen của Medea mới có thể tiếp tục sống sót, nên những đứa con mang gen đặc biệt này sẽ tiếp tục tăng lên cho đến khi quần thể được chuyển đổi hoàn toàn.

Chiến lược lắp ráp nguyên mẫu này đã được thử nghiệm ban đầu ở Drosophila. Trong thí nghiệm Drosophila, các nhà nghiên cứu đã nuôi Drosophila mang gen Medea và Drosophila bình thường trong cùng một môi trường với tỷ lệ từ 1 đến 3. Sau chín đến mười một thế hệ, tất cả Drosophila trong quần thể đều mang gen Medea. Điều này có nghĩa là chỉ sau vài thế hệ, giống của Medea không chỉ có thể cạnh tranh với các giống hoang dã bình thường mà còn có khả năng chuyển đổi kiểu gen của quần thể như mong muốn một cách mạnh mẽ. Đây là lần đầu tiên con người tổng hợp nhân tạo một gen ích kỷ và cải biến thành phần di truyền của quần thể.

Làm thế nào để lặp lại kết quả thí nghiệm tương tự trên muỗi véc tơ vẫn là một chủ đề nghiên cứu quan trọng của các nhà khoa học. Hiện tại, các nhóm nghiên cứu của Caltech và Viện Y tế Quốc gia của đất nước tôi đang cố gắng vượt qua rào cản côn trùng giữa các loài khác nhau, với hy vọng tạo ra một chiến binh robot Medea có thể chiến đấu chống lại muỗi Aedes aegypti truyền virut sốt xuất huyết.

Xem thêm: Cửa lưới chống muỗi giá bao nhiêu

2. Những người lính rô-bốt Anopheles

Nghiên cứu về những người lính rô-bốt do véc tơ sinh ra do các nhà sinh học phân tử tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn dẫn đầu đã tập trung vào một gen ích kỷ khác— gen endonuclease dẫn đường ( HEG ))-thượng đẳng. Sử dụng muỗi truyền bệnh sốt rét, Anopheles gambiae, làm mục tiêu, họ đã lợi dụng thực tế là một gen ích kỷ được tìm thấy trong nấm, thực vật và vi khuẩn - gen endonuclease tự quay trở lại - tự sao chép trên nhiễm sắc thể. Gen này cũng không tuân theo các định luật Mendel và sẽ tự nhân đôi để tăng tần số xuất hiện trong quần thể. Theo kết quả mô phỏng của mô hình toán học, nó sẽ tăng dần tần suất xuất hiện trong dân số theo thời gian.

Các nhà nghiên cứu đã nhân giống muỗi Anopheles bằng biến đổi gen, xâm chiếm gen endonuclease tự quay trở lại I- SceI được tổng hợp bởi các tế bào tinh trùng và đặt gen protein huỳnh quang trên một nhiễm sắc thể tương đồng khác, đồng thời ở đầu sau gen Cài đặt một vị trí phân cắt đối với gen tự đối ứng endonuclease I-SceI . Khi gen endonuclease của tế bào mầm bắt đầu biểu hiện, nó sẽ cắt vị trí của gen protein huỳnh quang của nhiễm sắc thể khác và sao chép trình tự gen endonuclease của chính nó tại vị trí này, do đó phá hủy biểu hiện của protein huỳnh quang. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể ước tính số lượng gen ích kỷ này trong quần thể bằng cách phát hiện tỷ lệ huỳnh quang của muỗi Anopheles.

Các kết quả nghiên cứu liên quan cho thấy gen HEG thực sự có thể lan truyền nhanh chóng trong dân số. Khi bắt đầu thí nghiệm, chỉ 1% số muỗi thử nghiệm có gen HEG và tỷ lệ này tăng lên 60% sau khoảng 12 thế hệ. Thí nghiệm này, được thực hiện trên muỗi vector, đã chứng minh rằng gen ích kỷ HEG cũng có khả năng thay đổi quần thể. Tuy nhiên, chỉ đơn thuần tăng sự phong phú của I-SceI trong dân số không thực sự cải thiện việc truyền bệnh. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách sửa đổi gen endonuclease tự quay trở lại để nó nhận ra các vị trí cắt mới. Nếu trong tương lai, nó có thể được sử dụng để xác định và phá vỡ các gen truyền bệnh, thì nó có thể được sử dụng để tạo ra các chiến binh rô-bốt muỗi vector HEG .

Xem thêm: Cửa lưới chống muỗi cố định

3. Chiến binh Aedes aegypti thiện chiến

Công nghệ “thả côn trùng mang độc tố trội” (RIDL) của Công ty Oxford Insect Technology thuộc Đại học Oxford, Vương quốc Anh là một sản phẩm thiết thực, được ứng dụng thực sự vào chiến tranh sinh học. Công nghệ mà RIDL sử dụng gần giống như phương pháp điều khiển loài khủng long trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Công viên kỷ Jura".

Trong "Công viên kỷ Jura", gen của khủng long bị biến đổi khiến khủng long không thể tự sản xuất lysine mà phải ăn và lấy lysine từ thế giới bên ngoài. Nếu khủng long không thể ăn thức ăn chứa đủ lysine từ thế giới bên ngoài, trong vòng 12 giờ, chúng sẽ rơi vào trạng thái hôn mê rồi chết. Những con khủng long này đã được biến đổi gen để chúng không thể tồn tại trong tự nhiên và chỉ có thể sống trong Công viên kỷ Jura do con người tạo ra.

RIDL của Oxitec cho phép muỗi Aedes aegypti chỉ tồn tại trong một môi trường hạn chế có thể cung cấp kháng sinh tetracycline (như Công viên kỷ Jura).” vào cơ thể gen của muỗi Aedes aegypti. Khi những con muỗi biến đổi gen này sống trong môi trường có tetracycline, gen gây chết sẽ không được biểu hiện do bị tetracycline ức chế. Nhưng khi ấu trùng hoặc con trưởng thành được thả vào tự nhiên, do mất đi lớp bảo vệ tetracycline, những gen gây chết trội này sẽ bắt đầu một vòng phản hồi tích cực, tạo ra một số lượng lớn các gen gây chết và giết chết chúng.

Oxitec thả những con muỗi biến đổi gen này, mang gen gây chết người vượt trội và sẽ chết nếu không có tetracycline, từ các nhà máy nhân giống tetracycline vào tự nhiên. Thông thường chúng có thể giao phối với muỗi cái hoang dã, nhưng con cái mà chúng sinh ra sẽ tự chết khi không có tetracycline trong môi trường tự nhiên do di truyền gen trội gây chết người. Theo kết quả của các thí nghiệm thực địa gần đây ở Quần đảo Cayman thuộc Anh và Malaysia, chiến lược này dường như thành công trong việc giảm quần thể muỗi truyền bệnh.

Xem thêm: Cửa lưới chống muỗi dạng xếp không ray

Tiếp theo, Oxitec đã tạo ra muỗi Aedes aegypti biến đổi gen chỉ nhắm vào muỗi cái. Trong bộ gen của loài muỗi này, họ đã đặt gen actin với biểu hiện đặc trưng của muỗi cái lên trên gen gây chết do tetracycline ức chế. Do biểu hiện của gen protein này ở con đực rất thấp nên muỗi đực sẽ không bị ảnh hưởng, ngược lại, con cái chỉ sống được trong môi trường có tetracycline.

Bằng cách này, muỗi cái thể hiện một gen gây chết người chiếm ưu thế dành riêng cho con cái. Do đó, trong tự nhiên không có tetracycline, sự biểu hiện của một số lượng lớn gen gây chết người sẽ làm gián đoạn khả năng bay của muỗi cái. Nếu một con muỗi mất khả năng bay, nó tương đương với việc bị tuyên bố là đã chết trong tự nhiên. Tuy nhiên, muỗi đực chuyển gen vẫn phát triển bình thường đến giai đoạn trưởng thành và tiếp tục giao phối với muỗi cái mang gen hoang dã. Bằng cách này, việc thả muỗi biến đổi gen có thể được đơn giản hóa để phổ biến trứng, mà không cần sử dụng những con trưởng thành khó vận chuyển và cần phải lựa chọn giới tính. Trong tương lai, trong quản lý tổng hợp sâu bệnh, công nghệ này có thể đạt được sự tiện lợi cao hơn.

4. Cuộc tranh luận về đạo đức sinh học

Một số binh lính robot muỗi véc tơ này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, và hầu hết chúng vẫn chưa đạt đến mức có thể được gửi đến chiến trường để kiểm tra khả năng của chúng. Tuy nhiên, các nhà phát triển sẽ được yêu cầu trả lời "liệu nó có gây ra sự mất cân bằng về loài và hệ sinh thái hay không".

Trong trường hợp của Medea và HEG , đúng là một trình tự gen tổng hợp sẽ được đưa vào vốn gen của quần thể muỗi vector. Ở một mức độ nào đó, chúng can thiệp vào đa dạng sinh học. Tuy nhiên, từ quan điểm sinh thái, các phương pháp phòng ngừa và kiểm soát này sẽ không gây ra sự tuyệt chủng của quần thể muỗi truyền bệnh như việc áp dụng các tác nhân hóa học; vai trò thích hợp trong .

Xem thêm: Cửa lưới chống muỗi loại nào tốt

Nói một cách tương đối, RIDL không xem xét quá trình tải nạp gen. Nhược điểm là nó phải được truyền nhiều lần, không giống như gen ích kỷ, có thể đạt được khả năng tự động chuyển đổi thành phần của nhóm với một lượng nhỏ quá trình truyền. Sử dụng những con muỗi biến đổi gen này để ngăn ngừa và kiểm soát dịch bệnh thực sự là một chiến lược mới, từ quan điểm đạo đức sinh học, nó có thể giữ cho các loài tồn tại trên trái đất, nhưng chỉ thay đổi khả năng truyền bệnh của chúng.

Liệu muỗi biến đổi gen có thể được triển khai trên các chiến trường thực sự trong tương lai hay không đòi hỏi nhiều nghiên cứu về lĩnh vực sinh thái hơn. Giữa việc theo đuổi sự đa dạng sinh thái hoàn hảo và cứu con người khỏi các bệnh truyền nhiễm, những nghiên cứu này vẫn còn rất nhiều chỗ để thảo luận trong tương lai.