Il forcing genetico ( gene drive in inglese) o guida genetica , è una tecnica di ingegneria genetica che permette di trasmettere un gene con quasi certezza attraverso la riproduzione sessuale , anche se va contro le leggi di Mendel . Questa tecnica, che è apparso agli inizi del XXI ° secolo, utilizza la tecnica CRISPR / case.9 . La spinta genica consente di promuovere l'eredità di un particolare gene e di aumentarne la prevalenza in una popolazione.
Il gene drive può - in teoria - essere utilizzato per prevenire la diffusione di insetti portatori di malattie (in particolare zanzare che trasmettono malaria , dengue o virus Zika ), per controllare specie invasive o per eliminare la resistenza agli erbicidi o ai pesticidi di alcune specie. La tecnica può essere utilizzata per aggiungere, interrompere o modificare geni di un'intera popolazione in modo da provocare una drastica riduzione di quella popolazione riducendo le sue capacità riproduttive. Le spinte geniche funzionano solo per le specie che si riproducono sessualmente attivamente, non possono essere utilizzate per modificare popolazioni di virus o batteri. Questi esempi rimangono promesse fino ad oggi.
Diversi meccanismi molecolari possono essere utilizzati per i gene drive. La spinta genica può verificarsi naturalmente quando i meccanismi molecolari aumentano le possibilità di oltre il 50%, che è la normale probabilità di trasmissione di un allele . Moduli genetici sintetici con proprietà simili sono stati sviluppati in laboratorio come tecnica per modificare i genomi delle popolazioni. Il gene drive dell'endonucleasi è il meccanismo sintetico più versatile e in via di sviluppo attivo conosciuto nel 2017.
Poiché il gene drive costituisce un mezzo per alterare artificialmente l'eredità di alcuni geni, questa tecnica costituisce un passo importante nel mondo della biotecnologia. Il potenziale impatto del rilascio di meccanismi di trasmissione genica in natura solleva importanti preoccupazioni bioetiche per quanto riguarda il loro possibile sviluppo e la gestione che dovrebbe essere fatta. A dicembre 2020, più di 150 ONG internazionali chiedono "una moratoria sul gene drive".
Austin Burt, un genetista in evoluzione presso l' Imperial College di Londra , ha proposto la possibilità di costruire motori genetici basati su geni naturali "egoisti" utilizzando endonucleasi già nel 2003. I ricercatori avevano precedentemente dimostrato che questi geni "egoisti" potevano diffondersi rapidamente attraverso le generazioni successive. Burt ha suggerito che il gene drive potrebbe essere usato per impedire a una popolazione di zanzare di trasmettere il parassita della malaria o per annientare completamente una data popolazione di zanzare. I primi tentativi di gene drive a base di endonucleasi sono stati effettuati in laboratorio con popolazioni transgeniche di zanzare e moscerini dell'aceto .
Nel agosto 2016, la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti ha rilasciato un "No Significant Impact Finding" (FONSI) per il piano dell'azienda biotecnologica Oxitec di rilasciare Aedes aegypti (zanzare) geneticamente modificate in Florida . Questo piano mira a prevenire la diffusione di malattie trasmesse dalle zanzare, compresa l' infezione da virus Zika . La modificazione genetica aggiunge un gene che uccide la prole delle zanzare prima che raggiungano l'età riproduttiva. Prima che possa rilasciare insetti GM in natura, Oxitec richiede ancora l'approvazione del Florida Keys Mosquito Control District.
La Bill and Melinda Gates Foundation ha investito 75 milioni di dollari nella tecnologia del gene drive. La fondazione aveva inizialmente stimato che la tecnologia sarebbe stata pronta per il primo utilizzo sul campo entro il 2029 da qualche parte in Africa . Tuttavia, Gates nel 2016 ha rivisto la sua stima e ora sta valutando un primo utilizzo entro i prossimi due anni. Questa fondazione ha anche donato 1,6 milioni di dollari a Emerging AG, una società di lobby, per evitare una moratoria internazionale su questa tecnica altamente controversa, attualmente in discussione con la Convenzione sulla diversità biologica .
Tata Trusts , un ente di beneficenza con sede a Bombay, ha anche investito diversi milioni di dollari in progetti di gene drive per combattere in particolare la malaria.
Nel dicembre 2016, i governi mondiali hanno respinto le richieste di una moratoria globale sulle tecniche di trasmissione genica in una riunione delle Nazioni Unite sulla biodiversità .
Il 19 luglio 2017, DARPA ha annunciato un investimento di 65 milioni di dollari in tecnologie di editing genetico. La maggior parte del denaro sarà investito in tecniche di trasmissione genica. Nel 2017, DARPA è diventata con questo investimento il più grande finanziatore mondiale nella ricerca sul gene drive. L'obiettivo di questi investimenti è in particolare quello di sviluppare strumenti per contrastare la propagazione fuori controllo di geni forzati. Tali metodi potrebbero includere sostanze chimiche per bloccare l'editing genetico o "anti-gene drive" che possono invertire una modificazione genetica o immunizzare organismi selvatici inalterati in modo che siano resistenti al gene drive. Alla fine la busta per Darpa, un'agenzia dell'esercito americano, ammonterebbe a $ 100 milioni.
Nelle specie che si riproducono sessualmente , la maggior parte dei geni è presente in duplicato (come alleli diversi o meno). Ciascuna di queste copie ha una probabilità del 50% di essere ereditata. Affinché un particolare allele si propaghi attraverso una vasta popolazione, deve fornire un vantaggio evolutivo aumentando le possibilità degli individui di riprodursi e trasmettere quella copia del gene. Tuttavia, alcuni alleli hanno sviluppato meccanismi molecolari che danno loro una maggiore possibilità di trasmissione rispetto al 50% normalmente osservato. Ciò consente loro di diffondersi in una popolazione, anche se questa copia del gene non fornisce un vantaggio evolutivo o addirittura riduce la capacità di riproduzione di ciascun organismo. Alterando in modo simile l'eredità di alcuni geni, i drive genetici sintetici potrebbero essere utilizzati per diffondere le alterazioni tra le popolazioni.
A livello molecolare, i geni drive dell'endonucleasi agiscono tagliando i cromosomi e costringendo la cellula a riparare il danno fatto copiando la sequenza del gene del ceppo sul filamento danneggiato generando due copie identiche su entrambi i filamenti del cromosoma. Questa tecnica è derivata dalle tecniche di modifica del genoma e utilizza il fatto che le rotture del doppio filamento sono più spesso riparate dalla ricombinazione omologa se il gene è presente su ogni filamento. La riparazione è più raramente eseguita da giunti terminali non omologhi, nel qual caso la forzatura non funziona. In caso di ricombinazione omologa, la cellula ha quindi due copie del "gene forzato". Per raggiungere questo obiettivo, le unità del gene dell'endonucleasi sono costituite da due elementi ad incastro:
Di conseguenza, l'inserimento del "gene forzato" nel genoma ne provocherà la propagazione automatica nella progenie degli individui. Ogni individuo che eredita una copia del gene "wild-type" e del "gene forzato" trasmetterà solo il "gene forzato". Se il gene è già presente nell'uovo (ad esempio quando viene ricevuto da un genitore), tutti i gameti dell'individuo porteranno il gene (invece del 50% nel caso di un gene normale).
CRISPR / Cas9 è un metodo scoperto nel 2013 per tagliare il DNA che ha reso l'ingegneria genetica più veloce, più facile ed efficiente. L'approccio consiste nell'esprimere l' endonucleasi Cas9 guidata da RNA con un RNA “guida” che consente di indirizzare una particolare sequenza da modificare. Quando Cas9 interrompe la sequenza bersaglio, la cellula spesso ripara il danno sostituendo la sequenza originale con DNA omologo. Introducendo una sequenza aggiuntiva con estremità omologhe appropriate, Cas9 può essere utilizzato per eliminare, aggiungere o modificare geni con una precisione senza precedenti fino al 2013. A partire dal 2014, il metodo è stato testato con successo in cellule di 20 specie , inclusi gli esseri umani. In molte di queste specie, le modifiche hanno alterato la loro linea germinale , consentendo loro di essere ereditate.
Esvelt e i suoi colleghi hanno suggerito per la prima volta nel 2014 che CRISPR / Cas9 potrebbe essere utilizzato per costruire un gene drive di endonucleasi. Nel 2015, i ricercatori hanno sviluppato e implementato con successo un metodo di gene drive utilizzando CRISPR in Saccharomyces , Drosophila e zanzare. Tutti e quattro gli studi hanno dimostrato una modificazione estremamente efficace dell'eredità genetica nelle generazioni successive.
A causa della flessibilità di targeting di CRISPR / Cas9, la forzatura genica potrebbe teoricamente essere utilizzata per modificare quasi tutti i tratti. A differenza dei progetti precedenti, potrebbe essere adattato per bloccare l'evoluzione della resistenza all'allenamento nella popolazione target prendendo di mira sequenze multiple in geni appropriati. CRISPR / Cas9 potrebbe anche abilitare una varietà di architetture di controllo genico intese a controllare piuttosto che distruggere le popolazioni. Sembra anche possibile ottenere il gene drive con un'altra endonucleasi guidata da RNA come CRISPR / Cpf1.
Nel 2018, i ricercatori dell'Imperial College di Londra sono riusciti in un esperimento di laboratorio a portare all'estinzione, in 7-11 generazioni, di una popolazione di zanzare Anopheles gambiae che trasmettono la malaria . La modifica con CRISPR-Cas9 del gene "doublesex" che determina il sesso dell'insetto durante il suo sviluppo ha permesso di impedirne la riproduzione. I ricercatori non hanno osservato alcuna resistenza tra la popolazione studiata in laboratorio.
Poiché non può mai più che raddoppiare la frequenza con ogni generazione, il gene drive introdotto da un singolo individuo richiede tipicamente decine di generazioni per influenzare una frazione sostanziale di una popolazione. È possibile produrre e rilasciare un gran numero di individui contenenti il "gene forzato" per influenzare il resto della popolazione entro poche generazioni. Ad esempio, introducendolo in ogni millesimo di individuo, sono necessarie solo dalle 12 alle 15 generazioni affinché il gene sia presente in tutti gli individui. Se il gene forzato alla fine si attaccherà a una popolazione e quanto velocemente dipenderà dal suo effetto sulle condizioni fisiche degli individui, sul tasso di conversione degli alleli e sulla struttura della popolazione. In una popolazione ben mista e con frequenze di conversione alleliche realistiche (≈90%), la genetica della popolazione prevede che il gene forzato sarà impostato per un coefficiente di selezione inferiore a 0,3. In altre parole, gli impulsi genetici possono essere utilizzati non solo per diffondere cambiamenti genetici benefici, ma anche dannosi purché il successo riproduttivo non venga ridotto di oltre il 30%. Questo è un grande contrasto con i geni normali, che possono diffondersi solo in grandi popolazioni se sono benefici.
Gene drive può essere utilizzato per due principali classi di applicazioni che, sebbene basate sulla stessa tecnologia, hanno implicazioni significativamente diverse:
A causa del potenziale senza precedenti del gene drive, sono stati proposti e testati meccanismi di protezione.
Poiché il gene drive si propaga sostituendo altri alleli "selvaggi", la sua applicazione è limitata alle specie che si riproducono sessualmente (perché sono diploidi e gli alleli sono mescolati in ogni generazione). Come effetto collaterale, la consanguineità potrebbe in linea di principio essere scelta come meccanismo di fuga, ma è difficile valutare in che misura ciò possa verificarsi nella pratica.
A causa del numero di generazioni necessarie affinché il gene drive di un gene in un'intera popolazione abbia successo, la tecnica può richiedere meno di un anno per alcuni invertebrati ma secoli per organismi con intervalli più lunghi prima di raggiungere la maturità sessuale, come negli esseri umani. Questo è il motivo per cui questa tecnologia è più adatta per le specie con un ciclo riproduttivo breve.
Alcuni dei problemi identificati dai ricercatori includono:
Una possibile applicazione del gene drive è modificare geneticamente le zanzare e altri vettori di malattie in modo che non possano più trasmettere malattie come la malaria e la dengue . Nel giugno 2014, il Programma speciale per la ricerca e la formazione nelle malattie tropicali dell'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) ha pubblicato le linee guida per la valutazione delle zanzare geneticamente modificate. Nel 2013, l' Autorità europea per la sicurezza alimentare ha pubblicato un protocollo di valutazione ambientale per tutti gli organismi geneticamente modificati. I ricercatori stimano che applicando la nuova tecnica a solo l'1% della popolazione di zanzare selvatiche, potrebbero eradicare la malaria entro lo stesso anno, tuttavia questa tecnologia che provocherebbe una copia incolla del gene modificato in ogni generazione non è ancora disponibile.
La spinta genica potrebbe essere utilizzata per eliminare le specie invasive . L'idea è stata proposta ad esempio in Nuova Zelanda.
Nel luglio 2016 il Primo Ministro della Nuova Zelanda ha presentato il progetto Predator Free 2050 , un programma governativo volto a eliminare completamente entro il 2050 otto specie invasive di mammiferi predatori (ratti, donnole corte e opossum). Nel gennaio 2017, è stato annunciato che la tecnologia del gene drive sarebbe stata utilizzata come parte di questo sforzo.
Nel 2017, due gruppi situati in Australia e Texas hanno pubblicato una ricerca preliminare sulla creazione di "topi senza progenie", utilizzando il gene drive, che è la prima volta nei mammiferi. Questi "topi senza progenie" sono considerati una svolta e particolarmente utili per la Nuova Zelanda e altre isole che devono affrontare l'invasione dei mammiferi. Questo progetto è uno di quelli finanziati dal Darpa (US Army).
Un team con sede nel Regno Unito spera di avviare test sul campo contro le zanzare della specie Anopheles gambiae , il principale vettore di malaria in Africa, già nel 2024 .