9 классных генетических инструментов, которые могут спасти биоразнообразие

Клонирование может дать надежду для находящихся под угрозой исчезновения северных белых носорогов. Изображение: REUTERS / Кристиан Хартманн

Nishan Degnarain Национальный совет по океану при правительстве Маврикия

Райан Фелан Соучредитель и исполнительный директор, Revive & Restore

Томас Малони, директор по науке о сохранении, возрождению и восстановлению

Эта статья является частью ежегодной встречи Всемирного экономического форума

Мы сталкиваемся с глобальным кризисом биоразнообразия. По оценкам ученых, десятки тысяч видов животных вымирают каждый год. Согласно Индексу Живой Планеты, почти половина биологического разнообразия в мире исчезла с 1970-х годов.

Эти тревожные тенденции не показывают никаких признаков замедления. Действительно, рост населения и экономический рост, повсеместное разрушение мест обитания, инвазивные виды, болезни дикой природы и изменение климата усиливают давление.

Изображение: Возродить и восстановить

Чтобы сохранить биоразнообразие нашей планеты, нам нужны новые инновационные подходы. К счастью, быстрые успехи Четвертой промышленной революции в области биотехнологий обещают. Новые генетические и биотехнологические инструменты уже используются в медицине и сельскохозяйственных системах, особенно в сельскохозяйственных культурах и домашних животных. Биотехнология продвигается еще быстрее, чем закон Мура, согласно которому мощность обработки микрочипов удваивается каждые два года, а затраты снижаются вдвое.

Как показывает приведенная выше кривая Карлсона, стоимость секвенирования генома упала со 100 миллионов долларов в 2001 году до менее 1000 долларов сегодня. Теперь мы можем не только читать биологический код быстрее, но и писать и разрабатывать его по-новому.

Вот девять новых или появляющихся биотехнологий, которые могут помочь защитить природу.

1. Биобанк и криосохранение

Биобанки хранят биологические образцы для исследований и в качестве резервного ресурса для сохранения генетического разнообразия. В качестве примеров можно привести замороженный зоопарк Сан-Диего, проекты Frozen Ark и многочисленные банки семян. Образцы предоставляют ткани, клеточные линии и генетическую информацию, которая может стать основой для восстановления и восстановления дикой природы, находящейся под угрозой исчезновения. Для этого необходимо постоянно отбирать биологические образцы у видов, находящихся на грани исчезновения.

2. Древняя ДНК

Древняя ДНК (АДНК) - это ДНК, которая была извлечена из музейных экспонатов или археологических памятников до тысячелетней давности. ДНК быстро разлагается, поэтому большая часть ДНК поступает из образцов моложе 50 000 лет и из холодного климата. Самым старым экземпляром, записанным с помощью извлекаемой ДНК, является лошадь, обнаруженная на мерзлом грунте в Юконе, Канада. Он был датирован от 560 000 до 780 000 лет.

В целях сохранения, аДНК может дать представление об эволюции и популяционной генетике, а также выявить вредные мутации, которые развивались с течением времени. Это также может позволить нам восстановить ценные «вымершие аллели», чтобы вернуть полное генетическое разнообразие видам, которые были генетически истощены небольшими или фрагментированными популяциями. Существует даже перспектива возвращения вымерших видов к жизни и их прежней экологической роли в дикой природе.

(PS. Извините, никаких динозавров. «Вы не можете клонировать из камня».)

3. Секвенирование генома

Высокопроизводительное секвенирование генома создает эталонный геном, который может обеспечить основу для генетического понимания вида и может служить строительным материалом для генной инженерии в будущем. Несколько инициатив направлены на упорядочение жизни на Земле, создавая непревзойденный ресурс для захвата генетического разнообразия жизни. Геном 10K, Fish-T1K (транскриптом 1000 рыб) и проект «Птичий геном» являются яркими примерами.

Инструменты быстрого секвенирования с меньшим охватом, чем у эталонного генома, могут быть использованы для экономически эффективного изучения популяций. Они могут дать представление о планировании сохранения, улучшить рыболовство и регулирование дикой природы, а также улучшить результаты восстановления.

Усовершенствованное секвенирование генома позволяет исследователям идентифицировать генетические маркеры, которые передают устойчивость к болезням или другим элементам адаптивной приспособленности.

4. Биоинформатика

Биоинформатика - объединение обработки данных, больших данных, искусственного интеллекта и биологии - открывает новые перспективы в области сохранения. Он включает геномику, протеомику и транскриптомику - науки о геномах, белках и РНК-транскриптах соответственно. Увеличение вычислительной мощности позволяет быстрее анализировать генетические прекурсоры для адаптации, устойчивости к изменениям окружающей среды и родству у диких видов.

Изображение: Возродить и восстановить

5. Геном редактирования

Такие достижения, как CRISPR, сделали редактирование генома намного более точным и доступным за последние пять лет. Менеджеры дикой природы теперь имеют целевой способ активировать устойчивость к болезням, которая может быть неактивной. Также возможно «вбивать» генетические признаки от другого вида, обеспечивая устойчивость к новым болезням. Кроме того, редактирование генома может ускорить развитие хрупких и находящихся под угрозой исчезновения систем коралловых рифов, делая их более устойчивыми к более теплым и более кислым океанам.

6. Джин Драйв

Вторжение неместных видов вредителей, таких как грызуны, дикие свиньи и насекомые, представляет собой серьезную глобальную угрозу биоразнообразию, особенно на небольших островах, богатых биоразнообразием. Традиционные подходы к уничтожению таких видов обычно включают мощные биоциды, которые могут оказывать вредное воздействие вне цели. Новые генетические инструменты могут помочь.

Генный привод - это процесс, с помощью которого определенный ген или вариант гена наследуется с высокой частотой. Например, для решения проблемы инвазивных грызунов можно использовать генный драйв, чтобы изменить соотношение полов островной популяции крыс, чтобы они стали все мужчинами и не размножались. Достижения в этой технологии могут сделать такие черты регулируемыми, региональными и обратимыми.

Технология генного драйва может искоренить болезнь. По-видимому, можно устранить способность комара переносить такие заболевания человека, как малярия, лихорадка Зена и лихорадка денге, а также болезни дикой природы, такие как птичий малярия.

При ответственном применении генные приводы представляют собой потенциально преобразующий новый инструмент. Однако высокая степень наследования этого привода делает применение технологии генного привода в полевых условиях достаточно спорным. К счастью для сохранения, в настоящее время разрабатываются несколько различных типов генного драйва, в которых используются различные методологии, чтобы избежать распространения драйва за пределы целевой популяции.

7. Передовые репродуктивные технологии

Геномика, передовые репродуктивные технологии и клонирование широко применяются в секторе животноводства, особенно в производстве быков для разведения крупного рогатого скота и для спортсменов-коневодов с лучшими показателями в поло и на спортивных соревнованиях. При наличии криоконсервированных тканей клонирование может принести новое генетическое разнообразие критически уязвимым видам, а также тем, которые пострадали от узкого места в популяции. Клонирование дает новую надежду нескольким видам млекопитающих, включая черноногого хорька в Северной Америке, букардо в Европе и северного белого носорога в Африке.

8. Двухцепочечная РНК

Глобальная торговля и путешествия непреднамеренно привносят грибковые заболевания в ландшафты и виды, в которых отсутствует развитая защита. Новые геномные технологии предоставляют набор потенциальных инструментов для передачи устойчивости к болезням и снижения вирулентности инфекции. В частности, короткие двухцепочечные РНК (дцРНК) становятся мощным инструментом борьбы с болезнями.

Были значительные коммерческие инвестиции в разработку этой технологии для борьбы с различными грибковыми заболеваниями, которые угрожают сельскохозяйственному производству. дцРНК предлагают эффективный, безвредный для окружающей среды способ борьбы с определенными патогенными видами с небольшим влиянием вне цели. Популяции летучих мышей в Северной Америке погибли из-за грибкового патогена, известного как синдром белого носа. Эта технология может позволить этим летучим мышам выжить и выздороветь.

9. Синтетические альтернативы продуктам дикой природы

Злоупотребление натуральными продуктами для биомедицинского и потребительского использования продолжает вызывать или угрожать исчезновению. Синтетическая биология предлагает новые методы производства, чтобы вытеснить спрос на продукты дикой природы. Например, подковообразных крабов, которых собирают и обливают кровью для получения уникального белка, используемого при тестировании безопасности инъекционных лекарств и вакцин, можно заменить синтетической альтернативой.

Изображение: Возродить и восстановить

Биоразнообразие в четвертой промышленной революции

Новое государственно-частное партнерство, использование инноваций частного сектора, управление государственным сектором и множество новых технологий могут помочь в модернизации набора инструментов для сохранения биоразнообразия. Внимание также должно быть сосредоточено на легитимности биотехнологии для сохранения и выработке консенсуса относительно ее использования.

С правильными генетическими инструментами и партнерскими отношениями мы сможем переломить ситуацию на грани исчезновения.

Первоначально опубликовано на www.weforum.org.