9 công cụ di truyền tuyệt vời có thể tiết kiệm đa dạng sinh học

Nhân bản vô tính có thể cung cấp hy vọng cho tê giác trắng phía bắc đang bị đe dọa nghiêm trọng. Hình: REUTERS / Christian Hartmann

Hội đồng Đại dương Quốc gia Nishan Degnarain của Chính phủ Mauritius

Ryan Phelan Đồng sáng lập và Giám đốc điều hành, Revive & Restore

Thomas Maloney Giám đốc Khoa học Bảo tồn, Hồi sinh và Khôi phục

Bài viết này là một phần của Hội nghị thường niên Diễn đàn kinh tế thế giới

Chúng tôi đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng đa dạng sinh học toàn cầu. Hàng chục ngàn loài động vật đang bị tuyệt chủng mỗi năm, các nhà khoa học ước tính. Gần một nửa đa dạng sinh học của thế giới đã biến mất kể từ những năm 1970, theo Chỉ số Hành tinh Sống.

Những xu hướng đáng lo ngại này cho thấy không có dấu hiệu chậm lại. Thật vậy, dân số và tăng trưởng kinh tế, hủy hoại môi trường sống trên diện rộng, các loài xâm lấn, bệnh động vật hoang dã và biến đổi khí hậu làm tăng áp lực.

Hình: Hồi sinh và Khôi phục

Để bảo vệ đa dạng sinh học của hành tinh chúng ta, chúng ta cần những cách tiếp cận mới. May mắn thay, những tiến bộ nhanh chóng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư trong công nghệ sinh học hứa hẹn. Các công cụ di truyền và công nghệ sinh học mới đã được sử dụng trong các hệ thống y học và nông nghiệp, đặc biệt là trong cây trồng và vật nuôi. Công nghệ sinh học đang phát triển với tốc độ thậm chí còn nhanh hơn so với Định luật Moore, nơi chứng kiến ​​sức mạnh xử lý vi mạch tăng gấp đôi sau mỗi hai năm trong khi chi phí giảm một nửa.

Như đường cong Carlson ở trên cho thấy, chi phí giải trình tự bộ gen đã giảm từ 100 triệu đô la năm 2001 xuống dưới 1000 đô la ngày nay. Bây giờ chúng ta không chỉ có thể đọc mã sinh học nhanh hơn mà còn có thể viết và thiết kế với nó theo những cách mới.

Dưới đây là chín công nghệ sinh học mới hoặc mới nổi có thể giúp bảo vệ thiên nhiên.

1. Biobanking và bảo quản lạnh

Biobanks lưu trữ các mẫu sinh học để nghiên cứu và làm nguồn dự phòng để bảo tồn sự đa dạng di truyền. Ví dụ như Sở thú đông lạnh San Diego, các dự án Frozen Ark và nhiều ngân hàng hạt giống. Các mẫu cung cấp các mô, dòng tế bào và thông tin di truyền có thể tạo thành cơ sở để phục hồi và phục hồi động vật hoang dã đang bị đe dọa. Để cho phép điều này, việc thu thập các mẫu sinh học liên tục từ các loài phải đối mặt với sự tuyệt chủng phải diễn ra.

2. DNA cổ đại

DNA cổ (aDNA) là DNA đã được chiết xuất từ ​​các mẫu vật của bảo tàng hoặc các địa điểm khảo cổ có niên đại hàng nghìn năm. DNA xuống cấp nhanh chóng, do đó, hầu hết aDNA đến từ các mẫu trẻ hơn 50.000 tuổi và từ vùng khí hậu lạnh. Mẫu vật lâu đời nhất được ghi lại với DNA có thể phục hồi là một con ngựa được khai quật từ mặt đất đóng băng ở Yukon, Canada. Nó đã được xác định là từ 560.000 đến 780.000 năm tuổi.

Đối với mục đích bảo tồn, aDNA có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiến hóa và di truyền dân số, và tiết lộ những đột biến nguy hiểm đã phát triển theo thời gian. Nó cũng có thể cho phép chúng tôi phục hồi các alen đã tuyệt chủng có giá trị, để trả lại sự đa dạng di truyền đầy đủ cho các loài đã bị suy giảm di truyền bởi các quần thể nhỏ hoặc bị phân mảnh. Thậm chí còn có triển vọng đưa các loài tuyệt chủng trở lại với cuộc sống và vai trò sinh thái cũ của chúng trong tự nhiên.

(PS. Xin lỗi, không có khủng long. Bạn không thể nhân bản từ đá.

3. Trình tự bộ gen

Trình tự bộ gen thông lượng cao tạo ra một bộ gen tham chiếu có thể cung cấp nền tảng để hiểu một loài về mặt di truyền và có thể đóng vai trò là khối xây dựng cho kỹ thuật di truyền trong tương lai. Một số sáng kiến ​​tập trung vào giải trình tự sự sống trên Trái đất, tạo ra một nguồn tài nguyên vô song để nắm bắt sự đa dạng di truyền của sự sống. Bộ gen 10K, Cá-T1K (bảng điểm của 1.000 loài cá) và Dự án bộ gen Avian là những ví dụ đáng chú ý.

Các công cụ giải trình tự nhanh chóng, với độ bao phủ thấp hơn bộ gen tham chiếu, có thể được sử dụng để nghiên cứu quần thể một cách hiệu quả. Họ có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc cho kế hoạch bảo tồn, cải thiện quy định nghề cá và động vật hoang dã, và tăng cường kết quả phục hồi.

Trình tự bộ gen tiên tiến cho phép các nhà nghiên cứu xác định các dấu hiệu di truyền truyền khả năng kháng bệnh hoặc các yếu tố khác của thể dục thích nghi.

4. Tin sinh học

Tin sinh học - sự hợp nhất của xử lý dữ liệu, dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo và sinh học - mang đến những quan điểm mới về nỗ lực bảo tồn. Nó cho phép genomics, proteomics và transcriptomics - khoa học về bộ gen, protein và bản phiên mã RNA, tương ứng. Tăng sức mạnh tính toán cho phép phân tích nhanh hơn các tiền chất di truyền để thích nghi, khả năng phục hồi với sự thay đổi môi trường và sự liên quan ở các loài hoang dã.

Hình: Hồi sinh & Khôi phục

5. Chỉnh sửa bộ gen

Những tiến bộ như CRISPR đã giúp chỉnh sửa bộ gen chính xác hơn và dễ tiếp cận hơn trong năm năm qua. Các nhà quản lý động vật hoang dã hiện có một cách nhắm mục tiêu để kích hoạt khả năng kháng bệnh có thể không hoạt động. Người ta cũng có thể đánh bại những đặc điểm di truyền của người Viking từ một loài khác, cho phép chống lại các bệnh mới. Hơn nữa, chỉnh sửa bộ gen có thể đẩy nhanh sự phát triển của các hệ thống rạn san hô mỏng manh và có nguy cơ tuyệt chủng, khiến chúng trở nên dẻo dai hơn với các đại dương ấm hơn và có tính axit hơn.

6. Ổ đĩa gen

Cuộc xâm lược của các loài gây hại không bản địa, chẳng hạn như loài gặm nhấm, lợn hoang và côn trùng, là một mối đe dọa toàn cầu đáng kể đối với đa dạng sinh học, đặc biệt là trên các đảo nhỏ giàu đa dạng sinh học. Các phương pháp truyền thống để diệt trừ các loài như vậy thường liên quan đến các chất diệt khuẩn mạnh có thể gây ra các tác động ngoài mục tiêu có hại. Công cụ di truyền mới có thể giúp đỡ.

Ổ đĩa gen là quá trình một biến thể gen hoặc gen cụ thể được di truyền ở tần số cao. Ví dụ, để giải quyết vấn đề của loài gặm nhấm xâm lấn, một ổ gen có thể được áp dụng để thay đổi tỷ lệ giới tính của một quần thể chuột để chúng trở thành tất cả con đực và không sinh sản. Những tiến bộ trong công nghệ này có thể cho phép những đặc điểm như vậy có thể điều chỉnh, khu vực và có thể đảo ngược.

Công nghệ ổ gen có thể loại bỏ bệnh tật. Dường như có thể loại bỏ khả năng của muỗi mang các bệnh ở người như sốt rét, zika và sốt xuất huyết, cũng như các bệnh động vật hoang dã như sốt rét gia cầm.

Nếu được áp dụng có trách nhiệm, các ổ đĩa gen đại diện cho một công cụ mới có khả năng biến đổi. Tuy nhiên, sự kế thừa cao của ổ đĩa khiến cho ứng dụng hiện trường của công nghệ ổ đĩa gen gây tranh cãi một cách dễ hiểu. May mắn thay cho bảo tồn, một số loại ổ gen khác nhau đang được phát triển, triển khai các phương pháp khác nhau để tránh sự lây lan của ổ đĩa vượt ra ngoài quần thể mục tiêu.

7. Công nghệ sinh sản tiên tiến

Genomics, kỹ thuật sinh sản tiên tiến và nhân bản đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chăn nuôi, đặc biệt là sản xuất bò đực để chăn nuôi gia súc và cho các vận động viên cưỡi ngựa biểu diễn hàng đầu trong môn polo và trình diễn. Khi có các mô được bảo quản lạnh, nhân bản vô tính có thể mang lại sự đa dạng di truyền mới cho các loài bị phê phán nghiêm trọng, cũng như đối với những người phải chịu đựng sự tắc nghẽn dân số. Nhân bản vô tính mang lại hy vọng mới cho một số loài động vật có vú, bao gồm chồn chân đen ở Bắc Mỹ, bucardo ở châu Âu và tê giác trắng phía bắc ở châu Phi.

8. RNA sợi đôi

Thương mại và du lịch toàn cầu vô tình giới thiệu các bệnh nấm cho cảnh quan và các loài thiếu phòng thủ tiến hóa. Các công nghệ genomic mới cung cấp một bộ công cụ tiềm năng để truyền đạt khả năng kháng bệnh và giảm độc lực của nhiễm trùng. Đặc biệt, các RNA ngắn, chuỗi kép (DSRNA) đang nổi lên như một công cụ quản lý bệnh mạnh mẽ.

Đã có sự đầu tư thương mại đáng kể để phát triển công nghệ này để kiểm soát các bệnh nấm khác nhau đe dọa sản xuất nông nghiệp. DSRNA cung cấp một cách hiệu quả, thân thiện với môi trường để kiểm soát các loài gây bệnh cụ thể với một vài tác dụng ngoài mục tiêu. Quần thể dơi ở Bắc Mỹ đã bị rơi do một mầm bệnh nấm được gọi là hội chứng mũi trắng. Công nghệ này có thể cho phép những con dơi này sống sót và phục hồi.

9. Thay thế tổng hợp cho các sản phẩm động vật hoang dã

Việc lạm dụng các sản phẩm tự nhiên để sử dụng y sinh và tiêu dùng tiếp tục gây ra hoặc đe dọa tuyệt chủng. Sinh học tổng hợp cung cấp các phương pháp sản xuất mới để thay thế nhu cầu cho các sản phẩm động vật hoang dã. Ví dụ, cua móng ngựa, được thu hoạch và thổi cho một loại protein duy nhất được sử dụng trong thử nghiệm an toàn của thuốc tiêm và vắc-xin, có thể được thay thế bằng một phương pháp thay thế tổng hợp.

Hình: Hồi sinh và Khôi phục

Đa dạng sinh học trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư

Một quan hệ đối tác công-tư mới, khai thác đổi mới khu vực tư nhân, quản lý khu vực công và nhiều công nghệ mới có thể giúp hiện đại hóa hộp công cụ bảo tồn đa dạng sinh học. Sự chú ý cũng phải được tập trung vào tính hợp pháp của công nghệ sinh học để bảo tồn và phát triển sự đồng thuận xung quanh việc sử dụng nó.

Với các công cụ di truyền và quan hệ đối tác phù hợp, chúng ta có thể biến làn sóng tuyệt chủng.

Được xuất bản lần đầu tại www.weforum.org.