Супермухи. Удивительные истории из жизни самых успешных в мире насекомых - Джонатан Бэлкомб

соотношения стерильных насекомых к диким, в идеале более 10:1. В зависимости от вида для достижения эффективности требуется выпустить миллионы или даже миллиарды стерильных самцов. Причина, по которой ученые работают с самцами, заключается в том, что самки, как правило, спариваются только один раз, в то время как самцы делают это так часто, как только смогут, что ускоряет эффект метода. Этот подход гораздо более применим к насекомым, чем к более крупным животным, поскольку их небольшие размеры и высокая плодовитость позволяют выращивать огромное количество особей в неволе за относительно короткое время.

В 2015 году ученые впервые применили новую технику редактирования генов CRISPR для модификации генома желтолихорадочного комара, Aedes aegypti. Также в 2015 году исследователи ввели измененные гены в эмбрионы A. aegypti и продемонстрировали, что с помощью метода CRISPR можно вызвать различные мутации. Учитывая, что определенные последовательности генов играют важную роль в разнообразных физиологических процессах, таких как метаморфоза, развитие эмбриона и взаимодействие хозяина и патогена[433], исследователи успешно создали популяции комаров, у которых наблюдались задержка роста, потеря функции яичников и снижение скорости вылупления яиц; представьте себе потенциал этих методов для изменения популяций диких насекомых в наших целях. Ученые определили эти гены у A. aegypti и при помощи генной инженерии создали маскулинизированных самок с почти полным набором мужских гениталий. Поскольку только самки комаров питаются кровью и впоследствии передают патогенные микроорганизмы, стратегия использования сплайсинга гена для превращения самок комаров в безвредных самцов оказалась многообещающей в качестве борьбы с переносчиками.

Ученые нашли и другой способ помешать размножению комаров; он связан с широко распространенными, в основном паразитическими бактериями, называемыми «вольбахии». Эти бактерии неравнодушны к насекомым. Согласно подсчетам, почти у 70 % всех видов насекомых в организме живут вольбахии.

Впервые вольбахии были обнаружены в 1924 году, однако исследования этой бактерии не велись активно до 1971 года, когда выяснили, что яйца комаров Culex погибают, когда сперма инфицированных вольбахиями самцов оплодотворяет незараженные яйцеклетки. Несмотря на то что бактерии живут в зрелых яйцеклетках, они практически отсутствуют в зрелых сперматозоидах. Таким образом, только инфицированные самки передают инфекцию своему потомству, а самцы – это тупик, поэтому чем больше соотношение полов смещено в сторону самок, тем выше присутствие вольбахий. Бактерии вольбахии – искусные манипуляторы, и у них есть несколько способов выбирать самок. Один из них заключается в том, чтобы просто убить мужские эмбрионы, другой – заставить женские эмбрионы поглотить мужские эмбрионы, а третий – обеспечить, чтобы только инфицированные самки могли успешно спариваться с инфицированными самцами. Это снижает репродуктивный успех неинфицированных самок, тем самым способствуя распространению бактерий[434].

Кроме того, вольбахия заводится в нематодах, в том числе у той, что вызывает слоновость. Причем мутуалистическая связь бактерии с нематодой настолько велика, что если вы убьете вольбахию, то убьете и нематоду. Из этого следует, что основным направлением исследований слоновой болезни становится поиск способов уничтожения вольбахий.

Совсем недавно сделали случайное открытие, что зараженные вольбахией двукрылые не могут передавать вирусы. Оно привлекло внимание исследователей вирусных заболеваний, переносимых комарами, в первую очередь лихорадки денге. Если комары, зараженные вольбахией, передают меньше возбудителя денге, возможно, получится использовать бактерии для уменьшения случаев заражения лихорадкой денге. В ходе эксперимента в северо-восточном австралийском городе Таунсвилл с населением 187 000 человек и значительным уровнем лихорадки денге[435] за четыре года после завоза комаров, инфицированных вольбахией, не было зарегистрировано ни одного случая заболевания. Помимо этого, вольбахия демонстрирует потенциал для снижения угрозы вирусов чикунгуньи и лихорадки Западного Нила.

Как сказала мне Келли Дайер: «Прелесть этого подхода в том, что вы не влияете на популяции комаров, что может привести к кошмарным экологическим последствиям» (из-за ключевой роли комаров в пищевых цепочках). Дайер описывает эту область исследований как «крайне активную» и добавляет, что «Билл Гейтс, например, вложил кучу денег в исследования вольбахий».

Если бактерии могут поддерживать или уничтожать определенных комаров в популяции, можем ли мы манипулировать генами комаров, чтобы сделать то же самое? Необходим генный драйв. Этот метод работает, генерируя наследуемый ген, который может быстро распространяться среди пострадавшей популяции. Это и есть важное различие между генными драйвами и традиционными трансгенными методами. В то время как мух, выведенных трансгенным методом[436], можно и разумно считать безвредными, потому что естественный отбор устранит всех сбежавших мух-мутантов, то ожидания от мух, подвергнутых эксперименту с генным драйвом, противоположны: естественный отбор одобрит такой организм, по крайней мере в некоторой части дикой популяции[437].

Эта идея одновременно воодушевляет и заставляет задуматься. Такая стратегия позволит удалить вредителей на местном уровне[438], не затрагивая другие виды или популяции в других местах[439]. Метод генного драйва может напрямую обратить вспять устойчивость к инсектицидам, приобретенную в ходе эволюции, поскольку некогда эффективные соединения получат новую жизнь. Возможен и другой вариант, при котором так называемые сенсибилизирующие драйвы сделают насекомых чувствительными к относительно безвредным соединениям, возможно, даже к тем, которые совершенно нетоксичны для человека и окружающей среды.

Еще одна надежда, которую питают сторонники генного драйва, заключается в том, что вредителей можно изменить, и они перестанут питаться сельскохозяйственными культурами, при этом в остальном будут выполнять свои естественные экологические функции. Что, если бы можно было, например, манипулировать обонятельной системой мухи так, чтобы ее больше не привлекал урожай?[440][441]

Однако, вызывая саморапространяющиеся генетические изменения, генные драйвы создают экологические риски, поскольку радикально меняют генетический состав диких популяций[442]. Теоретические модели показали[443], что проникновение даже нескольких особей с конструкциями генного драйва может привести к полной замене популяции. Легко себе представить, что этот метод меняет правила игры в борьбе с болезнями, передаваемыми двукрылыми, за что иногда их называют драйвами исчезновения[444].

Сторонники генного драйва напоминают нам, что этот метод создан для подавления целевых популяций, а не для того, чтобы они вымирали. Кроме того, они указывают на вероятность естественного сопротивления этим схемам. Введение генетически модифицированной популяции насекомых создало бы огромное давление, благоприятствующее механизмам резистентности целевой популяции. К ним относятся естественный отбор генов, устойчивых к драйву, предпочитаемый инбридинг и даже бесполое размножение у видов, способных на это. Со временем появление такого рода механизмов станет не просто возможным, но и неизбежным[445].

Недавний семинар по рискам, посвященный изучению возможного вреда от использования генных стимулов для борьбы с малярийным комаром Anopheles gambiae, завершился выводами[446] о том, что, несмотря на существующие риски, они очень малы по сравнению с угрозой малярии. При успешном сценарии ликвидации существует множество других местных видов комаров, которые заполнят