基因驱动可以对抗疟疾和其他全球杀手，但可能会产生意想不到的后果

每年，有超过60万人死于蚊子传播的疟疾，其中大多数是五岁以下的儿童。一些传播疾病的昆虫，比如蚊子，目前正在全球范围内扩大活动范围，带来了新的威胁。基因工程技术可以通过所谓的“基因驱动”来解决这个问题，它能永久性地改变昆虫的基因。这项技术允许选定的一组基因以某种方式改变动物的生物特性，例如使其产生不育的后代。无法繁殖的特性将席卷整个种群，打破传统的遗传规律。这些基因会在每一代中呈指数级复制，迅速掌控整个种群。如果谨慎使用，它们可能通过使蚊子无法传播疟疾，或者完全消灭蚊子，从而挽救数百万人的生命。一个终结重大传染性疾病的可能性，使得这种技术修复方案具有很强的说服力。然而，你不需要成为反技术的鲁德派或技术惊悚小说家，就能想象这一切可能走向可怕的失败。生态系统是复杂的，细微的平衡可能被彻底打破。设计不当的基因驱动甚至可能会跳转到与之密切相关的动物上，例如不传播疾病的动物，从而引发灾难性的连锁反应。2003年，伦敦帝国理工学院的奥斯汀·伯特（Austin Burt）提出了基因驱动的概念。他设想了一种系统，其中某个基因会生成一种DNA切割酶（一种核酸酶），该酶能精确地靶向该基因在染色体上的编码位置。这种系统在真菌中自然存在，但在动物中却未发现。当一个携带两个该基因副本的个体与另一个不携带该基因的个体交配时，所有后代最初都会从携带基因驱动的亲本那里继承一个染色体上的该基因的一个副本。但受精后不久，这种核酸酶会在染色体的另一端、非基因驱动亲本那边的染色体上切割DNA序列，恰好在基因驱动的精确位置。随后，细胞使用完好的染色体修复另一条染色体上的DNA序列缺口。原本只有一个基因副本的后代，现在每个个体都拥有两个基因副本。在下一代和再下一代中，同样的情况会再次发生；该基因在种群中的频率将呈指数级增长。伯特后来意识到，如果将一种核酸酶基因和一个诱导不育或使蚊子对疟疾寄生虫免疫的基因结合起来，理论上就可以将这一特性驱动到种群中，从而彻底消灭蚊子或使其不再成为疟疾传播的媒介。成功将对人类健康产生巨大影响。然而，挑战在于如何将这种核酸酶基因及其相关遗传物质引入基因组中，确保其在安全地起作用的同时，不会无意中影响动物生理的其他方面。2013年，基于CRISPR的基因编辑技术出现后，这一梦想变成了现实。2015年，加州大学圣迭戈分校的研究人员在无害的果蝇（Drosophila）中创建了一个实验室基因驱动，使其所有果蝇的眼睛都变成黄色。他们称自己制造了“一种诱变连锁反应”。换句话说，他们制造了一种可能被认为是“基因原子弹”的东西。如果其中一种释放到野外，将无法阻止其扩散。世界各地的研究人员很快在蚊子中开发了基因驱动。在实验室中，由于基因驱动，数百万只蚊子在不到一年的时间内消失。在昆虫中，至少在技术上不存在限制这种“基因炸弹”释放的障碍。然而，在哺乳动物中，制造基因驱动仍然存在巨大问题（目前尚不存在），因为哺乳动物细胞在生命的不同阶段对DNA断裂的反应方式不同。一种自然存在的基因元件，表现出部分基因驱动行为，最近在小鼠中被利用，但仍无法证明它能改变整个种群的DNA。由于这些技术上的困难，目前可能难以利用这种技术，例如，来消灭入侵性的啮齿动物。为了回应基因驱动可能带来的生态威胁，美国国家科学院、工程院和医学院在资助基因驱动研究的主要机构——DARPA（国防高级研究计划署）的支持下，设立了一个专门委员会来研究这个问题。该机构属于国防部的一部分，对这种技术可能带来的安全威胁极为感兴趣。在委员会审视了基因驱动在野外传播的潜在优势和巨大不确定性之后，2016年报告的结论是明确的：“目前尚无足够的证据支持将基因驱动改造的生物释放到环境中。”这一声明并未缓解所有担忧。麻省理工学院基因驱动先驱凯文·埃斯沃尔特（Kevin Esvelt）预测，到2030年，将发生实验室泄漏或其他涉及基因驱动的事件。“这不会是生物恐怖主义，而是生物错误，”他在2016年说道。埃斯沃尔特认为，必须在考虑使用这种技术之初就建立监管保障和公众参与机制。生物伦理学家和监管机构当前最紧迫的问题是：基因驱动是否应该从实验室中释放出来。与基因驱动相关的国际主要框架是《联合国生物多样性公约》。所有联合国成员国中，只有美国尚未签署该公约，而且也不太可能签署。包括弗朗西斯·福山在内的斯坦福大学的研究人员呼吁建立一个类似国际民航组织（ICAO）的基因驱动监管机构，以制定标准。但国际民航组织设立于1947年，当时各国对国际监管有强烈的需求。监管基因驱动将需要全球范围内，特别是在美国，进行深刻的政治变革。由于担心潜在的生态损害以及对DARPA等资助机构的怀疑，基因驱动的反对者呼吁暂停研究。然而，研究仍在继续，但普遍认为，在考虑释放之前，必须进行环境风险评估，并确保受影响社区的积极参与。因为对环境的潜在影响，人们需要给予所谓“事先、知情和自愿的同意”。目前正在进行积极的努力，以测试如果基因驱动被释放到野外，可能会发生什么情况。2021年，伦敦帝国理工学院的研究人员，由“靶向疟疾”项目（Target Malaria）资助，该项目本身由比尔与梅琳达·盖茨基金会资助，确定了基因驱动可能产生的八大主要生态效应，这些影响可能通过46条路径显现。他们研究的潜在问题包括基因驱动可能传播到受重视的非目标物种，导致其种群密度下降或其所贡献的生态系统服务受损。另外，基因驱动还可能对目标物种造成意外的基因变异，例如使其能够承受更广泛的环境条件，从而导致该传播疾病的昆虫扩散，而不是被消灭。在做出是否部署这些基因改造昆虫的决定之前，每一种可能性都需要在实地进行测试，即使获得了当地社区的支持。获得社区同意被证明相当困难。在布基纳法索政府的批准下，靶向疟疾项目于2019年7月释放了经过灭菌并喷涂荧光粉的非基因驱动蚊子，以观察它们的传播范围，从而评估基因驱动蚊子扩散的潜在风险。由于当地语言中没有“基因”这个词，研究人员不得不创造新的术语。他们还利用戏剧来解释该项目，确保文盲不会成为理解与决策的障碍。然而，知识差距仍让一些村民感到无助。一位农民在2019年告诉《世界报》：“他们告诉我们他们将根除疟疾，由于我们不是科学家，我们相信他们，但我们仍然对未来风险有疑问。”另外，2018年《世界报》的一篇文章中引用了一位妇女的话：“无论如何，我们都不会有发言权，这里所有的决定都是男人做主。”尽管让当地社区拥有否决权至关重要，但基因驱动挑战了我们对“本地”概念的理解，因为昆虫并不尊重边界。正如凯文·埃斯沃尔特所说，“任何地方的释放，很可能就是整个世界的释放。”一个饱受疟疾困扰的村庄可能希望消灭蚊子，并愿意做一切事情来拯救孩子的生命。但不清楚他们是否应该拥有为整个区域、国家、大陆甚至星球做出决定的权利。这就是为什么某种具备监管权力的国际监督机构，如国际民航组织，至关重要。也许确实无需担忧；目前被目标的昆虫并非任何其他动物的唯一食物来源。但疟疾蚊（按蚊属，Anopheles gambiae）是几十种不同物种的食物。如果其中一些捕食者略微挨饿，它们可能会将注意力转向其他猎物，从而引发不可预见的生态问题，破坏微妙的生态平衡。出于对更简单、更温和解决方案的期待，人们对基因驱动的快速发展也可能持谨慎态度。世卫组织于2021年底批准了一种疟疾疫苗，超过一百万非洲儿童在试点研究中已接受一剂或多剂疫苗。基因驱动研究人员的目标是精准的、时间与空间受限的，且具有可嘉的人道主义动机。没有人计划像漫威电影《复仇者联盟》中的灭霸一样造成大规模生物灭绝。我们必须确保在部署基因驱动之前，对其进行最严格的审查和国际监管，否则，治疗方案可能会比疾病本身更糟糕。这是一篇观点与分析文章，所表达的观点不一定代表《科学美国人》的立场。