Кратко и по существу — план эксперимента для оценки риска распространения гена «drive» в популяции насекомых и необходимые меры предосторожности.
1) Цели и параметры для измерения
- Оценить: эффективность конверсии $c$ (homing), частоту образования резистентных аллелей $r$, фитнес‑затраты $s$ для гетеро‑ и гомозигот, демографию (плодит., выживаемость), спаривание и подвижность.
- Выводимые показатели риска: вероятность инвазии, скорость распространения, время до фиксации, вероятность возникновения и распространения резистентных аллелей.
2) Экспериментальный дизайн (пошагово)
- in vitro / клеточные тесты: измерить точность редактирования и частоту NHEJ vs HDR → предварительная оценка $c$ и $r$.
- Микроклеточные (малые стеклянные клетки) многократные репликации: завести несколько линий с разными начальными долями носителей $p_0$ (например $p_0=0.01,0.1,0.5$), по крайней мере $k\ge 5$ реплик на условие; вести наблюдение по поколениям $t$ (например $t\ge 10-20$).
- Измерять в каждом поколении: частоту аллеля $p_t$ (qPCR/секвенирование), жизненный цикл, фертильность, частоту резистентных аллелей.
- Полевая имитация в больших защищённых помещениях (крупные сетчатые вольеры) только после устойчивых данных из клеток; повторить серию реплик и вариации среды (темп., корм, плотность).
- Параллельно — эксперименты с контролируемыми «контр‑драйвами» (split‑drive, reversal) и с генетическими ограничителями (стерильные линии) для тестирования вариантов отката.
3) Математическое и статистическое моделирование (оценка риска)
- Базовая дискретная рекурсия для частоты аллеля: пусть частоты генотипов $DD,DW,WW$ равны $x,y,z$. После конверсии в гетерозиготах доля гамет D от $DW$ равна $(1+c)/2$. Тогда
$$p^{\prime }=\frac{w_{DD}x+w_{DW}y\frac{1+c}{2}}{\bar{w}},\bar{w}=w_{DD}x+w_{DW}y+w_{WW}z.$$ (Добавьте $r$ и третий аллель $R$, если учитываете резистентность.)
- Стокастические модели: Wright–Fisher‑симуляции и ветвевые процессы для малых популяций; пространственные модели (метапопуляции, реакционно‑диффузионные) для ландшафтного распространения.
- Оценивание параметров методом максимального правдоподобия или байесовским выводом из экспериментальных данных; чувствительный анализ по $c,r,s$.
- Критерий инвазии: drive может распространяться, если его среднемножитель по копиям превышает потери от фитнес‑затрат; практическая проверка — положительная тенденция $p_{t+1}-p_t>0$ при малых $p_t$ в детерминированной модели и не пренебрежимо малая вероятность вытухания в стохастике.
4) Статистика и выборки
- Размер выборки на поколение должен позволять обнаруживать изменения $\Delta p$ с заданной мощностью: приблизительно $n$ особей на выборку, где стандартная ошибка для частоты $\sigma \approx \sqrt{p(1-p)/n}$. Выбирайте $n$ так, чтобы $\sigma$ меньше ожидаемого $\Delta p$.
- Повторные независимые реплики ($\ge 5$) для оценки вариабельности.
5) Меры предосторожности (обязательные)
- Физическая изоляция: работать в помещениях, соответствующих рекомендациям Arthropod Containment Guidelines; двойные дверные камеры, мелкоячеистые сетки, ловушки, отрицательное давление/HEPA‑фильтрация воздуха при необходимости. Запрещён выход особей наружу.
- Биологическая и молекулярная конфайнмент‑стратегия: использовать split‑drive (Cas9 и gRNA в разных линиях), daisy‑drive или синтетические таргеты отсутствующие в природных популяциях, повышать зависимость от лабораторных условий. Всегда иметь «reversal» или ингибирующие элементы в разработке.
- Поэтапный подход: переход к больших вольерам и полю — только после строгой оценки риска и одобрения регуляторов. Никаких непроверенных полевых выпусков.
- Техника безопасности и обучение: пригодная одежда, процедуры дезинфекции, уничтожение отходов (аутоклавирование, хим. дезинфекция), учёт и пломбирование культур.
- Мониторинг и аварийный план: постоянный мониторинг на утечку, план немедленных контрмер (локализация, уничтожение, информирование регуляторов) и независимый аудит.
- Регуляторная и этическая проверка: разрешения институциональных и государственные, общественное консультирование и прозрачность данных.
6) Критерии завершения и принятия решения
- Если при реалистичных начальных долях и в стохастических симуляциях вероятность инвазии > приемлимого порога (определяется политикой/риском), эксперименты не переходят к полю.
- Наличие устойчивого механизма отката/контроля и низкая вероятность образования устойчивой резистентности являются условиями для дальнейших работ.
Коротко: измерьте эмпирически $c,r,s$ в контролируемых репликах и в больших вольерах, сопоставьте с детерминированными и стохастическими моделями (Wright–Fisher, пространственные), выполните чувствительный анализ; всё это в рамках строгой физической и молекулярной конфайнментации, регуляторной оценки и плана на случай утечки.