9 coola genetiska verktyg som kan spara biologisk mångfald

Kloning kan ge hopp för kritiskt hotade nordliga vita noshörningar. Bild: REUTERS / Christian Hartmann

Nishan Degnarain National Ocean Council för Mauritius regering

Ryan Phelan grundare och verkställande direktör, Revive & Restore

Thomas Maloney chef för konserveringsvetenskap, återuppliva och återställa

Denna artikel är en del av World Economic Forum årsmöte

Vi står inför en global biologisk mångfaldskris. Tiotusentals djurarter försvinner varje år, beräknar forskare. Nästan hälften av världens biologiska mångfald har försvunnit sedan 1970-talet, enligt Living Planet Index.

Dessa oroande trender visar inga tecken på att sakta ner. Faktum är att befolknings- och ekonomisk tillväxt, omfattande förstörelse av livsmiljöer, invasiva arter, djurlivssjukdomar och klimatförändringar ökar trycket.

Bild: Återuppliva och återställa

För att skydda vår planets biologiska mångfald behöver vi innovativa nya strategier. Lyckligtvis lovar den fjärde industriella revolutionens snabba framsteg inom bioteknik. Nya genetiska och biotekniska verktyg används redan inom medicin och jordbrukssystem, särskilt i grödor och husdjur. Bioteknologi går framåt med ännu snabbare takt än i Moore's Law, som såg processen för mikrochip fördubblas vartannat år medan kostnaderna sjönk med hälften.

Som Carlson-kurvan ovan visar har kostnaden för att sekvensera ett genom sjunkit från 100 miljoner dollar 2001 till under 1000 $ idag. Vi kan nu inte bara läsa biologisk kod snabbare, utan också skriva och designa med den på nya sätt.

Här är nio nya eller nya biotekniker som kan hjälpa till att skydda naturen.

1. Biobanking och kryokonservering

Biobanker lagrar biologiska prover för forskning och som en reservresurs för att bevara genetisk mångfald. Exempel inkluderar San Diego Frozen Zoo, Frozen Ark-projekten och många utsädesbanker. Prover ger vävnader, cellinjer och genetisk information som kan utgöra grunden för att återställa och återhämta hotade djurliv. För att möjliggöra detta måste pågående insamling av biologiska prover från arter som utsätts för utrotning ske.

2. Forntida DNA

Forntida DNA (aDNA) är DNA som har utvunnits från museumsprover eller arkeologiska platser upp till tusentals år gamla. DNA bryts ned snabbt, så de flesta aDNA kommer från prover som är yngre än 50 000 år gamla och från kalla klimat. Det äldsta exemplet inspelat med återvinnbart DNA är en häst som släppts upp från frusen mark i Yukon, Kanada. Det har daterats till mellan 560 000 och 780 000 år gammalt.

För bevarandeändamål kan aDNA ge inblick i evolution och populationsgenetik och avslöja skadliga mutationer som har utvecklats över tid. Det kan också tillåta oss att återhämta värdefulla "utrotade alleler", för att återlämna full genetisk mångfald till arter som genetiskt har utarmats av små eller fragmenterade populationer. Det finns till och med utsikterna att återvända utrotade arter till livet och till deras gamla ekologiska roller i naturen.

(PS. Tyvärr inga dinosaurier. "Du kan inte klona från sten.")

3. Genom sekvensering

Genom sekvensering med genomströmning skapar ett referensgenom som kan ge grunden för att förstå en art genetiskt och kan fungera som byggstenarna för genteknik i framtiden. Flera initiativ fokuserar på att sekvensera livet på jorden, skapa en oöverträffad resurs för att fånga livets genetiska mångfald. Genome 10K, Fish-T1K (transkriptomer av 1 000 fiskar) och Avian Genomes Project är anmärkningsvärda exempel.

Snabba sekvenseringsverktyg, med lägre täckning än ett referensgenom, kan användas för att studera populationer kostnadseffektivt. De kan ge insikt för bevarandeplanering, förbättra fiskeri- och djurlivsregleringen och förbättra restaureringsresultaten.

Avancerad genomsekvensering gör det möjligt för forskare att identifiera genetiska markörer som förmedlar resistens mot sjukdomar eller andra delar av adaptiv kondition.

4. Bioinformatik

Bioinformatik - sammanslagning av databehandling, big data, artificiell intelligens och biologi - ger nya perspektiv på bevarandeåtgärder. Det möjliggör genomik, proteomik och transkriptomik - vetenskaperna för genomer, proteiner respektive RNA-transkript. Ökande datorkraft möjliggör snabbare analys av de genetiska prekursorerna för anpassning, motståndskraft mot miljöförändringar och besläktning hos vilda arter.

Bild: Revive & Restore

5. Genomredigering

Framsteg som CRISPR har gjort genomredigering mycket mer exakt och tillgänglig under de senaste fem åren. Vilda djurförvaltare har nu ett riktat sätt att aktivera sjukdomsresistens som kan vara vilande. Det är också möjligt att "slå in" genetiska egenskaper från en annan art, vilket möjliggör resistens mot nya sjukdomar. Dessutom kan genomredigering påskynda utvecklingen av bräckliga och hotade korallrevssystem och göra dem mer motståndskraftiga mot varmare och surare hav.

6. Genkörning

Invasionen av icke-infödda skadedjurarter, som gnagare, vilda svin och insekter, är ett betydande globalt hot mot den biologiska mångfalden, särskilt på små mångfaldiga rika öar. Traditionella metoder för att utrota sådana arter involverar vanligtvis kraftfulla biocider som kan ha skadliga effekter utanför målet. Nya genetiska verktyg kan hjälpa.

En genenhet är processen genom vilken en viss gen eller en genvariant ärvs med hög frekvens. Till exempel, för att ta itu med problemet med invasiva gnagare, kan en gendrivning tillämpas för att förändra könsförhållandet hos en öpopulation av råttor så att de blir alla manliga och inte klarar avel. Framstegen inom denna teknik kan göra det möjligt för sådana egenskaper att vara justerbara, regionala och vändbara.

Gendriftteknologi kan utrota sjukdomen. Det ser ut som möjligt att eliminera en myggas förmåga att bära mänskliga sjukdomar som malaria, zika och denguefeber samt djurlivssjukdomar som fågelmalaria.

Om de appliceras ansvarsfullt representerar gendrivare ett potentiellt transformativt nytt verktyg. Emellertid gör frekvensomriktarens höga arv en tillämpning av gentrafiktekniken förståeligt kontroversiell. Lyckligtvis för bevarande är flera olika typer av gendrivning under utveckling, som använder olika metoder för att undvika spridningen av enheten utanför målpopulationen.

7. Avancerad reproduktionsteknik

Genomik, avancerad reproduktionsteknik och kloning tillämpas i stor utsträckning inom djuruppfödningssektorn, särskilt när det gäller produktion av tjurar för nötkreatur och för topppresterande hästidrottare inom polo- och showjumping. När det finns kryokonserverade vävnader kan kloning ge ny genetisk mångfald för kritiskt imperilerade arter, liksom till de som har drabbats av en befolkningens flaskhals. Kloning ger nytt hopp för flera arter av däggdjur, däribland den svarta foten i Nordamerika, bucardo i Europa och den norra vita noshörningen i Afrika.

8. Dubbelsträngat RNA

Global handel och resor introducerar oavsiktligt svampsjukdomar till landskap och arter som saknar ett utvecklat försvar. Ny genomisk teknik ger en rad potentiella verktyg för att förmedla sjukdomsresistens och minska virulensen hos en infektion. Speciellt dyker upp korta, dubbelsträngade RNA (dsRNA) som ett kraftfullt sjukdomshanteringsverktyg.

Det har skett betydande kommersiella investeringar för att utveckla denna teknik för kontroll av olika svampsjukdomar som hotar jordbruksproduktionen. dsRNA erbjuder ett effektivt, miljövänligt sätt att kontrollera specifika patogena arter med få effekter utanför målet. Flaggträpopulationer i Nordamerika har kraschat på grund av en svamppatogen som kallas vit-nässyndrom. Denna teknik skulle göra det möjligt för dessa fladdermöss att överleva och återhämta sig.

9. Syntetiska alternativ till djurlivsprodukter

Överanvändning av naturprodukter för biomedicinsk användning och konsumentbruk fortsätter att orsaka eller hota utsläpp. Syntetisk biologi erbjuder nya tillverkningsmetoder för att ersätta efterfrågan på djurlivsprodukter. Exempelvis kan hästskokrabbor, som skördas och blöts för ett unikt protein som används i säkerhetstestningen av injicerbara läkemedel och vacciner, ersättas med ett syntetiskt alternativ.

Bild: Återuppliva och återställa

Biodiversitet i den fjärde industriella revolutionen

Ett nytt offentlig-privat partnerskap, utnyttja innovation inom den privata sektorn, förvaltning av den offentliga sektorn och flera nya tekniker kan hjälpa till att modernisera verktygslådan för bevarande av biologisk mångfald. Uppmärksamhet måste också inriktas på legitimiteten i bioteknik för bevarande och utveckla en konsensus kring dess användning.

Med rätt genetiska verktyg och partnerskap kan vi kanske vända tidvattnet på utrotning.

Ursprungligen publicerad på www.weforum.org.