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基因擴散的新武器

時間:2024-10-25 12:45:08

假如有個心懷鬼胎的外星人來到地球,打算把人類變成自己的奴隸,他會怎麼辦呢?一個辦法就是先制造一個“奴隸基因”,将其植入到某人的基因組中,然後把他(或她)放到社會上去,任其結婚生子,慢慢把這個“奴隸基因”擴散到整個人類種群當中去。

這個辦法聽上去似乎不錯,但真的可行嗎?讓我們來做個簡單計算。已知一個孩子的基因組一半來自父親,一半來自母親,所以這個“奴隸基因”隻有50%的可能性會傳給某個孩子。為了便于計算,讓我們假設這個被外星人改造過的人隻生了兩個孩子,那麼最大的可能是隻有一個孩子攜帶“奴隸基因”,攜帶率為50%。

再假設這兩個孩子長大後分别找一個健康人結婚生子,又分别生下了兩個孩子,那麼按照上述方式計算,第二代這4個孩子當中,隻有一個孩子攜帶有“奴隸基因”,另外3個孩子都是健康的,攜帶率降到了25%。依次類推,第三代8個孩子當中仍然隻會有一個孩子攜帶“奴隸基因”,攜帶率進一步降到了12.5%。

換句話說,這個外星人的計劃是不太可能成功的,因為遺傳規律決定了一個新基因很難在種群中擴散開來,除非這個基因能讓攜帶者具備某種生存優勢。比如,如果攜帶“奴隸基因”的人會變得非常有魅力,因此而生下了更多的孩子,那麼下一代當中這個基因的攜帶率就會比正常值多那麼一點點。這樣慢慢積累下來,最終該基因就會取代原來的等位基因,成為新常态,這就是生物進化的機制。

但是,這個機制卻給人類操控自然種群帶來了很多困難。比如,為了對付瘧疾,有人曾經設想把一個自殺基因導入傳播瘧疾的蚊子種群當中,讓其自行滅絕。但這樣的基因顯然不具備生存優勢,按照上文的邏輯,這個基因是很難在野生蚊子種群中自主地擴散開來的,必須設法将其“驅動”起來。

為了解決這個“基因驅動”(GeneDrive)的難題,科學家們想出過很多辦法,但要麼操作難度太大,要麼效果不太理想,一直很難付諸實踐。2012年,有人發明了一種名為CRISPR-Cas9的基因編輯技術,可以在活細胞内對特定的基因片段進行編輯。這項技術很快就被應用于生物學研究的各個方面,基因擴散自然也包括在内。

2014年,美國加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的兩位遺傳學家在《科學》(Science)雜志上發表論文,報告了一種基于CRISPR-Cas9的新方法,在果蠅身上實現了基因的定向驅動,而且效率相當高。

這個方法解釋起來有點複雜,簡單說,就是通過基因編輯技術,把受精卵當中來自健康一方的那條染色體也變成這個特殊基因的攜帶者。這樣一來,隻要雌雄雙方有一方攜帶了這個外源基因,那麼它們生下的後代就全都攜帶這個基因了,而不是遺傳學規則預言的隻有50%。

這篇論文發表後引起了轟動,但果蠅畢竟是低等生物,高等哺乳動物不一定可行,于是兩位科學家決定在小鼠身上進行類似的實驗。2018年7月4日,一家專門刊登論文預印本的網站bioRxiv刊登了他倆撰寫的新論文,證明這套基因驅動系統在小鼠身上也可以工作,隻是效率要比昆蟲低一些。

消息一經披露,立刻引發了一場關于科學倫理的大讨論。有人認為這項研究将為恐怖分子提供一種新式基因武器,幫助他們在人群中擴散某種有害基因,就像前文所說的外星人奴隸養成計劃一樣。不過這篇論文的作者指出,起碼從目前來看,這項技術不太可能做到這一點,因為這套系統還不夠穩定,小鼠繁殖幾代之後就很有可能失去活性。

雖然有可能被壞人濫用,但這項技術在抑制有害生物物種方面還是很有潛力的,尤其是擅長傳播各種傳染病的蚊子,非常适合運用這項技術加以定點清除。所以,這項技術雖然有些争議,但研究的步伐并沒有因此而放緩。

讓我們拭目以待吧。

5月22日,德國國家分子醫學中心内一名研究人員用CRISPRCas9技術做研究(東方IC供圖)
   

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