所以，你已经基因设计了一种抗疟疾的蚊子，现在是什么?你需要多少只蚊子来代替携带疾病的野生型?什么是最有效的分配模式?你怎么能阻止工程蚊子的过早释放?
在不知道这些问题的答案的情况下将基因工程生物释放到环境中可能会对生态系统造成不可逆转的破坏。但是，如果没有现场实验，你如何回答这些问题?
来自哈佛大学和普林斯顿大学的应用数学家和物理学家使用数学模型来指导转基因的设计和分布，这些基因可以有效地取代野生蚊子并得到安全控制。
该研究最近发表在“ 美国国家科学院院刊”上。
在正常的进化过程中，任何特定的特征都只有适度的后代遗传机会。但是，随着CRISPR-Cas9基因编辑系统的发展，研究人员现在可以设计出将所需性状遗传的可能性提高到接近100%的系统，即使该特性具有选择性缺点。这些所谓的基因驱动可以在短时间内取代野生型基因。
这些强大的系统引起了严重的安全问题，例如如果基因工程蚊子意外逃离实验室会发生什么?
“基因驱动构建体向自然环境的意外或过早释放可能会对生态系统造成不可逆转的破坏，”该论文的第一作者，哈佛John A. Paulson工程与应用科学与物理学院的研究生Hidenori Tanaka说。部门。
为了防止这种释放，Tanaka和共同作者David Nelson，生物物理学的Arthur K. Solomon教授和普林斯顿大学的物理和应用物理学教授和Howard Stone提出了一系列选择性缺陷，这些缺陷可以使基因成为可能。传播，但只有在达到临界阈值之后。
研究人员使用非线性反应 - 扩散方程来模拟基因如何在空间中移动。这些模型为开发具有社会责任感的基因驱动提供了一个框架，该基因驱动平衡了基因工程特征与嵌入式弱点，可防止意外释放和无法控制的传播。
“我们实际上可以构建启动和终止基因驱动波的开关，”田中说。“在一个经过精心挑选的制度中，只有当接种参数超过我们能够计算的临界值时，波的空间扩散才会开始或进展。”
为了达到这个临界质量，研究人员发现基因需要在特定区域强烈释放 - 就像遗传炸弹一样 - 而不是在较大的区域内稀释。只有当遗传爆炸的核超过临界尺寸和强度时，这些基因才会传播。
研究人员还发现，通过使基因驱动对一种对野生型基因无害的化合物敏感，基因驱动的传播可以通过杀虫剂等障碍来阻止。
“这项研究说明了物理学家和应用数学家如何在生物实验和理论的基础上建立起来，为日益增长的空间群体遗传学领域做出贡献，”尼尔森说。
接下来，研究人员希望了解基因突变和生物数量波动对基因驱动的影响。