טכנולוגיות חדשות בתחום ההנדסה הגנטית מאפשרות לנו לשנות את תכונותיהם של מינים שונים בגמישות רבה. אחד היישומים המשמעותיים ביותר של טכנולוגיות אלה עשוי להיות שינוי גנטי של מינים שלמים בטבע - בעיקר מינים הגורמים נזקים כבדים לבני אדם או לטבע בכלל, כגון יתושים מעבירי מחלות (דוגמת מלריה), מינים הפוגעים בחקלאות, ומינים פולשים הפוגעים בסביבה ובמינים מקומיים. שינוי תכונותיהם של מינים אלה יאפשר צמצום משמעותי של האוכלוסיות המזיקות, ואולי אף יביא למיגורן המוחלט. עם זאת, השימוש בטכנולוגיות אלה היה כרוך עד לאחרונה בקושי בהפצת הגנים המהונדסים באוכלוסיות הטבעיות, כיוון שהגנים המהונדסים ה"פגומים" אינם יכולים להתחרות ביעילות בגנים הטבעיים, ולכן בלחץ הברירה הטבעית הם עשויים להיעלם במהרה מבלי להשאיר עקבות ומבלי להשפיע השפעה ארוכת טווח על צמצום אוכלוסית המין המזיק.

ד״ר גילי גרינבאום מהאוניברסיטה העברית ושלושה חוקרים מובילים מאוניברסיטת סטנפורד בארה״ב פרסמו יחד מחקר חדש בנושא בכתב העת Plos Genetics. זהו מחקר תאורטי המתבסס על מודלים חישוביים, ומציג את האפשרויות העומדות בפני עולם המדע לשימוש בטכנולוגיות של הנדסה גנטית ובפרט בטכנולוגית gene drive, המספקת לראשונה פתרון לבעיית ההפצה של גנים מהונדסים פגומים באוכלוסיות טבעיות.

מהי טכנולוגיית gene drive ?

באמצעות שימוש בטכנולוגיית CRISPR (כלי המאפשר חיתוך, הדבקה ועריכה גנטית מדויקת כמעט בכל גן) ניתן ליצור "מנוע גנטי" המפר את חוקי ההורשה הטבעיים, וכך מאפשר הפצה נרחבת ומהירה של גנים מהונדסים באוכלוסייה, גם במצבים של ברירה טבעית חזקה נגדם. המנוע הגנטי הזה, המכונה gene drive, מאפשר להביא גנים מהונדסים פגומים לתפוצה נרחבת תוך דורות בודדים. מכיוון שטכנולוגיה זו מתבססת על הורשה באמצעות רבייה מינית, היא ישימה בחרקים, יונקים, זוחלים, דגים ומרבית הצמחים, אך לא בחיידקים ווירוסים (ראו סרטון המסביר את השיטה).

למרות היעילות הרבה של השיטה והצלחה של ניסויים במעבדה, טכנולוגיית gene drive עדיין לא יצאה מן המעבדה לשדה בשל החשש ממכלול הסיכונים הכרוכים בשימוש בהנדסה גנטית נרחבת מחוץ למעבדה, ביניהם גלישת הגנים המהונדסים מאוכלוסית המטרה אל אוכלוסיות נוספות או אפילו אל מינים אחרים. לגלישות גנים עשויות להיות השפעות בלתי צפויות, ביניהן הכחדה של אוכלוסיות ומינים בהם איננו רוצים לפגוע, ובעקבותיה השפעות הרסניות על מערכות אקולוגיות שלמות. המחקר החדש של ד"ר גרינבאום ושותפיו נרתם להתמודדות עם בעיית גלישת הגנים עקבות שימוש במנועי gene drive.

על מנת להבין את התפשטותם של מנועי gene drive בין אוכלוסיות ואת התנאים הדרושים לגלישתם, יצרו החוקרים מודל של שתי אוכלוסיות, שבאחת מהן מופעל מנוע gene drive. החוקרים מידלו את הדינמיקה האבולוציונית העתידה להתרחש באמצעות חקר משוואות מתמטיות המתארות את שכיחות מנוע gene drive, והתחקו אחר התפשטות הגנים המהונדסים בשתי האוכלוסיות לאורך זמן. מטרת המחקר הייתה לאתר ולבחון אפשרויות למנוע גלישת גנים באמצעות תכנון ושליטה בתכונות הגנטיות המהונדסות, כך שה-gene drive יתפשט רק באוכלוסית המטרה ולא יגלוש לאוכלוסיה השניה. 

המשוואות האבולוציוניות שניסחו החוקרים מתארות את מאזן הכוחות בין עוצמת הברירה הטבעית בעקבות השינוי הגנטי (עד כמה התכונה המהונדסת משפיעה על שרידות האוכלוסיה), מידת החדירות של מנוע gene drive באוכלוסיה (איזה אחוז של הגמטות באוכלוסיה  אכן יישא את האללים המהונדסים בכל דור), ומעבר הגנים בין האוכלוסיות. חקר שיווי המשקל של הכוחות הללו מאפשר להבין כיצד עשויה להתפתח הדינמיקה האבולוציונית. 

החוקרים גילו מרחב אפשרויות בו ניתן לעצב את התכונות הגנטיות של ה-gene drive, על ידי בחירת צרופים שונים של ערכי פרמטרים שונים, אשר מנעו גלישת גנים מחוץ לאוכלוסית המטרה. העיקרון שמונע את גלישת הגנים כונה על ידי החוקרים differential targeting, והוא מבוסס על שיווי המשקל הנוצר בין כוחות אבולוציונים ואקולוגיים שונים, כפי שבאו לביטוי בניתוח המתמטי של המשוואות השונות. 

עם זאת, מצאו החוקרים ש differential targeting אפשרי רק כאשר הקישוריות (מידת המעבר) בין האוכלוסיות נמוכה יחסית. כאשר קצבי המעבר בין שתי האוכלוסיות עולים, נעלם שיווי המשקל המאפשר הימנעות מגלישת גנים. החוקרים בחנו את סף הקישוריות (כלומר כמה קישוריות יכול”לספוג" המודל לפני שנעלם שיווי המשקל היציב) תחת פרמטרים שונים, וראו שאומנם קיימים שילובים של פרמטרים בהם סף הקישוריות גבוה, אך יש צורך בשילוב מאוד מדויק של פרמטרים על מנת לשמר את סף הקישוריות גבוה. לכן מציעים החוקרים שאין זה אפשרי להשתמש בעיקרון differential targeting כאשר הקישוריות בין האוכלוסיות גבוהה, משום שבמצב זה יהיה צורך בתכנון מאוד מדוייק של מנוע gene drive, דיוק שאיננו אפשרי בטכנולוגיה הקיימת. 

המודל במחקר הנוכחי הינו פשוט ופשטני, ומטרתו לתאר עיקרון שעל פיו ניתן יהיה למנוע גלישה של גנים מהונדסים לאוכלוסיות ומינים שאינם אוכלוסית המטרה. בעתיד יבחנו החוקרים את השפעתם של אלמנטים אקולוגיים ואבולוציוניים נוספים על הדינמיקה האבולציונית של מנועי gene drive, על מנת להבין טוב יותר כיצד יתנהגו המנועים הללו בתנאי שדה, וכיצד ניתן למזער את הסיכון של גלישת גנים. 

קיראו את המאמר