DNA Merpati Nicobar dan 2,300 Sasaran AI Bawa Projek Menghidupkan Semula Dodo ke Fasa Ujian Baharu

Merpati hidup menjadi tumpuan cadangan menghidupkan semula burung yang telah pupus

Colossal Biosciences berkata platform kecerdasan buatan baharunya telah mengenal pasti kira-kira 2,300 sasaran DNA yang mungkin membantu menjelaskan bentuk paruh dan struktur muka unik dodo. Laluan yang dicadangkan syarikat bioteknologi dari Dallas itu untuk menghasilkan burung hidup melibatkan spesies yang ditemui di Kepulauan Andaman dan Nicobar serta kawasan lain di Asia Tenggara: merpati Nicobar.

Syarikat itu kini mempunyai 36 ekor merpati Nicobar dalam koloni pembiakan di Texas. Ia merancang menggunakan sel burung tersebut sebagai bahan permulaan untuk menghasilkan burung yang membawa ciri dodo terpilih, dengan menggabungkan DNA purba, kejuruteraan genetik dan teknik pembiakan yang melibatkan ayam sebagai induk tumpang.

Pengumuman GenoMorph oleh Colossal menerangkan alat yang dilatih menggunakan data perkembangan daripada burung puyuh, itik, ayam dan merpati. Tujuannya adalah untuk mengecilkan senarai perbezaan genetik yang amat besar kepada calon yang boleh diuji saintis di makmal.

Projek ini melibatkan tiga tugas yang saling berkait: mengenal pasti perubahan DNA yang menghasilkan ciri dikehendaki, membuat perubahan tersebut dalam sel yang boleh mewariskannya kepada keturunan, dan menyediakan habitat yang sesuai di Mauritius, satu-satunya habitat asal dodo. Kemajuan dalam setiap bidang diperlukan sebelum burung hasil kejuruteraan itu boleh menjadi sebahagian daripada populasi pembiakan di sana.

Syarikat itu menyifatkan haiwan yang ingin dihasilkannya sebagai dodo berfungsi, yang membawa ciri utama spesies pupus itu. Natural History Museum pula menggambarkan hasil yang dicadangkan itu sebagai merpati seakan-akan dodo. Perbezaan istilah itu mencerminkan perdebatan saintifik utama tentang sejauh mana burung hasil kejuruteraan boleh menyerupai haiwan yang rupa dan tingkah lakunya masih belum difahami sepenuhnya.

Mengapa satu genom yang masih wujud menimbulkan teka-teki sukar

Colossal telah menyusun satu genom dodo berkualiti tinggi, berbanding 104 genom mamot berbulu yang disebut dalam pengumuman GenoMorph. Genom ialah himpunan arahan genetik sesuatu organisma. Mempunyai banyak sampel membantu penyelidik mengenal pasti perbezaan yang lazim dalam sesuatu spesies dan yang dikaitkan dengan ciri tertentu.

Keadaan di Mauritius menyukarkan pemeliharaan arahan genetik itu. Haba dan kelembapan memecahkan DNA menjadi fragmen, manakala keadaan lebih sejuk yang dikaitkan dengan tinggalan mamot telah memelihara lebih banyak bahan genetik. Dengan hanya satu genom dodo berkualiti tinggi, peluang saintis untuk menyemak sama ada ciri genetik tertentu lazim dalam kalangan dodo adalah lebih terhad.

Beth Shapiro, ketua pegawai sains Colossal, bekerjasama dengan Tom Gilbert dan John Fjeldså dari Universiti Copenhagen untuk mengetuai pasukan penjujukan dan penyusunan genom. Menurut pelan projek dodo syarikat itu, mereka menggunakan DNA yang diekstrak daripada tengkorak di Natural History Museum of Denmark.

Colossal berkata genom itu dijujuk pada liputan sekitar 50X. Ini bermakna kedudukan DNA dibaca kira-kira 50 kali secara purata, sekali gus membantu penyelidik menyemak jujukan tersebut. Syarikat itu juga menyifatkan genom itu sebagai kira-kira 95% lengkap dan analisisnya hampir selesai. Liputan mengukur kekerapan bacaan berulang, manakala kelengkapan merujuk kepada jumlah jujukan yang berjaya diperoleh.

Bagaimana GenoMorph mencari ciri paruh dodo

GenoMorph menggabungkan maklumat tentang burung yang masih hidup dengan jujukan dodo purba. Colossal berkata bahan latihannya merangkumi DNA pengawal selia yang disampel pada enam peringkat perkembangan embrio dan tiga kawasan yang terlibat dalam perkembangan muka, di samping maklumat genetik dan ukuran tengkorak daripada lebih 70 spesies burung.

DNA pengawal selia bertindak seperti suis dan pelaras. Ia membantu mengawal bila gen menjadi aktif, di mana ia berfungsi dan sejauh mana kesannya. Perubahan pada kawalan ini boleh mempengaruhi bentuk paruh atau tengkorak yang sedang berkembang.

Perincian yang diberikan syarikat menyenaraikan 653 unsur pengawal selia calon yang dikaitkan dengan saiz paruh dan 1,698 yang dikaitkan dengan ketebalan serta lebarnya. Jumlah kedua-dua kategori ialah 2,351 calon, sejajar dengan angka tajuk anggaran 2,300 sasaran.

Shapiro menerangkan bagaimana syarikat itu beralih daripada ramalan komputer kepada eksperimen:

Jadi, GenoMorph mengkaji perkembangan tengkorak dan paruh merentasi lebih 70 spesies burung yang masih hidup, serta mengenal pasti suis genetik yang mengawal bentuknya. Ia memberikan kami senarai pendek kira-kira 2,300 calon yang dikaitkan dengan saiz dan bentuk paruh. Sasaran ini kini sedang disahkan di makmal.

Pengesahan makmal bermaksud mengubah atau menguji kawasan DNA calon dan memerhatikan hasilnya. Penyelidik perlu menentukan calon yang mempengaruhi perkembangan, sejauh mana kesannya dan bagaimana calon-calon itu berinteraksi sebelum memilih perubahan untuk sel merpati Nicobar.

Apakah yang menjadikan merpati Nicobar berguna?

Merpati Nicobar ialah saudara terdekat dodo yang masih hidup. Bulunya yang berkilauan hijau dan tembaga serta kebolehannya terbang menjadikannya kelihatan sangat berbeza daripada burung pupus itu, namun hubungan genetiknya menjadikan spesies ini asas kepada rancangan kejuruteraan Colossal.

Solitaire Rodrigues yang telah pupus turut menjadi bahan perbandingan penting. Colossal mengenal pasti burung itu sebagai saudara dodo yang paling hampir dari segi genetik dan menggunakan genomnya untuk membantu memahami ciri yang dikongsi kedua-dua burung pupus itu. Perbezaannya mudah: solitaire menyediakan maklumat genetik purba, manakala merpati Nicobar yang masih hidup boleh membekalkan sel untuk eksperimen dan pembiakan.

Colossal berkata pembiakan yang berjaya telah meningkatkan koloni di Texas kepada 36 ekor burung. Koloni itu membolehkan penyelidik mengkaji perkembangan, pembiakan dan genetik, selain membekalkan sel khusus yang diperlukan untuk pendekatan pembiakan yang dicadangkan.

Sel tersebut dipanggil sel germa primordial, atau PGC. Sel ini ialah sel peringkat awal yang akhirnya menjadi telur atau sperma. Penyuntingan sel ini menawarkan cara untuk mewariskan perubahan genetik kepada keturunan, berbanding mengubah tubuh seekor burung sahaja.

Penghasilan sel pembiakan menjadi titik perubahan lebih awal

Colossal sebelum ini mengumumkan bahawa pihaknya telah berjaya membesarkan sel germa primordial daripada burung merpati batu, iaitu merpati biasa yang ditemui di bandar, selama 60 hari. Penyelidiknya menguji lebih 300 gabungan nutrien, faktor pertumbuhan dan bahan lain sebelum menemui keadaan yang membolehkan sel itu terus membesar.

Anna Keyte, pengarah spesies burung Colossal, berkata resipi sedia ada untuk sel germa ayam tidak berjaya pada burung lain yang diuji, termasuk burung puyuh. Setiap spesies mungkin memerlukan keadaan yang berbeza, menjadikan hasil kajian merpati itu satu langkah praktikal ke arah penyelidikan menggunakan sel merpati Nicobar.

Penyelidikan burung merpati batu itu belum melalui semakan rakan sebaya ketika diumumkan. Semakan rakan sebaya ialah penilaian oleh penyelidik lain sebelum penerbitan dalam jurnal saintifik. Colossal kemudian berkata pihaknya telah menghasilkan sel penting yang menjadi telur dan sperma dalam penyelidikan merpati Nicobar.

Ujian pembiakan seterusnya yang diterangkan selepas pengumuman tentang burung merpati batu itu ialah menggunakan sel merpati yang dikultur untuk menghasilkan merpati hidup melalui ayam sebagai induk tumpang. Pelan Colossal turut merangkumi ujian keadaan berbeza bagi meningkatkan pertumbuhan sel germa primordial merpati Nicobar, sebelum ciri dodo terpilih dimasukkan ke dalam sel tersebut.

Mengapa ayam menjadi sebahagian daripada rancangan

Pembiakan burung memerlukan pendekatan yang berbeza daripada kaedah pengklonan yang digunakan pada mamalia. Strategi Colossal bergantung pada ayam yang membawa sel pembiakan daripada merpati, dengan sel germa ayam itu sendiri dibuang melalui kejuruteraan genetik.

Penyelidik akan memindahkan sel germa primordial merpati yang telah disunting ke dalam embrio ayam yang sedang berkembang. Hasil yang dihasratkan ialah burung induk tumpang dewasa yang menghasilkan telur atau sperma daripada sel yang dipindahkan itu. Pembiakan melalui sistem ini kemudiannya akan menghasilkan keturunan yang membawa perubahan genetik terpilih.

Ayam berguna kerana saintis sudah mempunyai banyak pengalaman dalam bidang genetik dan pembiakannya. Colossal juga berkata kebolehan terbang ayam yang terhad menjadikannya lebih mudah dikendalikan berbanding merpati.

Shapiro menjelaskan bahawa keperluan mewujudkan keturunan induk betina dan jantan memerlukan masa tambahan. Penyelidik perlu mendapatkan burung yang menghasilkan sel pembiakan yang diperlukan dan membiakkannya supaya keturunan menerima perubahan yang dihasratkan daripada kedua-dua induk. Pelan projek syarikat itu turut menyatakan kecekapan yang terhad untuk membuat banyak suntingan genetik serentak sebagai kekangan teknikal.

Cara lebih pantas menguji perubahan di dalam telur

Colossal berkata pihaknya telah membangunkan nanopartikel lipid yang boleh menghantar alat genetik terus ke dalam embrio burung yang sedang berkembang. Partikel kecil yang diperbuat daripada bahan berlemak ini membawa DNA, RNA atau komponen CRISPR ke dalam sel. CRISPR ialah alat yang digunakan untuk membuat perubahan terarah pada DNA.

Kelebihan yang dicadangkan ialah kepantasan. Saintis boleh memerhatikan kesan suntingan terhadap perkembangan embrio tanpa menunggu burung matang dan melengkapkan kitaran pembiakan. Ini dapat membantu mereka menapis calon GenoMorph sebelum memulakan proses pembiakan yang lebih lama.

Eksperimen awal menyasarkan Runx2, gen yang terlibat dalam perkembangan tulang, pada burung termasuk embrio burung merpati batu dan itik. Colossal melaporkan perubahan yang kelihatan pada ciri tengkorak dan muka selepas suntingan tersebut.

Syarikat itu berkata dapatan awal telah dibentangkan di persidangan mengenai perkembangan kraniofasial dan biologi molekul, manakala makalah dirancang untuk pelayan praterbit bioRxiv. Praterbit menjadikan penyelidikan boleh diakses kepada orang ramai sebelum semakan rakan sebaya jurnal. Tugas eksperimen seterusnya ialah menguji unsur pengawal selia calon dan memilih perubahan yang menjanjikan untuk sel germa merpati Nicobar.

Sejauh mana burung hasil kejuruteraan boleh menyerupai dodo?

Panduan fakta tentang dodo oleh Natural History Museum menerangkan satu kesukaran asas: bukti tentang rupa dan tingkah laku dodo adalah terhad. Tiada spesimen awetan taksidermi yang lengkap masih wujud, dan hanya dua rangka yang hampir lengkap mengandungi tulang yang diketahui berasal daripada satu individu. Kedua-duanya disimpan di Mauritius.

Muzium itu menganggarkan ketinggian dodo sekitar 70 sentimeter dan beratnya kira-kira 12 kilogram. Halaman projek Colossal memberikan julat lebih besar, iaitu 81 hingga 97 sentimeter dan 13 hingga 23 kilogram. Muzium itu berkata beratnya mungkin berubah mengikut musim, dan kajian menggambarkan burung yang lebih langsing serta tangkas berbanding gambaran yang lazim dilihat.

Scott MacDougall-Shackleton, pengasas bersama dan pengarah Advanced Facility for Avian Research di Western University, berkata perkembangan melibatkan interaksi antara gen, biologi induk, hormon dan persekitaran. Beliau menjelaskan sebab beliau mempersoalkan gambaran syarikat itu tentang matlamatnya:

Semasa perkembangan, genom kita berinteraksi dengan genom induk, hormon dan persekitaran sehingga gen diaktifkan atau dinyahaktifkan dengan cara yang rumit, yang tidak dapat kita ketahui dan tidak dapat kita ulangi untuk spesies yang telah pupus.

Leonardo Campagna, ahli biologi evolusi di Cornell Lab of Ornithology, turut mempersoalkan sejauh mana saintis boleh membina semula seni bina genetik dodo dan interaksinya dengan persekitaran. Pendirian Colossal ialah matlamatnya untuk menghasilkan semula ciri utama dan fungsi ekologi, bukannya menghasilkan salinan genetik yang serupa sepenuhnya.

Mauritius memerlukan lebih daripada burung yang sedia menetas

Dodo pupus di Mauritius selepas pemburuan, perubahan habitat dan haiwan yang dibawa masuk mengubah pulau itu. Tikus, babi dan haiwan lain yang tiba mengancam burung dan sarangnya. Sebarang program pelepasan perlu menangani tekanan tersebut sambil menyediakan habitat yang sesuai dan mencukupi untuk populasi yang semakin membesar.

Urutan peristiwa sejarah juga menunjukkan sebab penampakan terakhir dan anggaran tarikh kepupusan berbeza:

• 1598: Kelasi Belanda tiba di Mauritius, tempat dodo berevolusi tanpa pemangsa yang dibawa masuk selepas manusia menetap di pulau itu.
• 1662: Penampakan sahih yang paling diketahui direkodkan. Natural History Museum turut membincangkan kemungkinan penampakan selewat-lewatnya pada 1680.
• Sekitar 1690: Penyelidik David Roberts dan Andrew Solow menganggarkan tarikh kepupusan dalam analisis yang diterbitkan pada 2003 dan dipetik oleh Colossal.
• 1865: Penemuan mendapan paya Mare aux Songes menemukan banyak tinggalan yang membantu saintis membina semula persekitaran dodo.

Colossal berkata pihaknya bekerjasama dengan saintis Mauritius, kumpulan pemuliharaan dan kerajaan, termasuk melalui perkongsian dengan Mauritian Wildlife Foundation. Pencariannya merangkumi tapak yang bebas daripada tikus. Ketua pegawai eksekutif dan pengasas bersama Ben Lamm berkata tapak pelepasan akan dipilih selepas kajian ekologi dan rundingan dengan masyarakat setempat.

Lamm menyatakan hasrat untuk menghasilkan ribuan burung dengan kepelbagaian genetik hasil kejuruteraan. Shapiro berkata sebarang pengenalan akan dilakukan secara berperingkat. Pengumuman AI terkini tidak menyatakan tarikh penetasan; anggaran Lamm sebelum ini, iaitu sekurang-kurangnya lima hingga tujuh tahun, ialah unjuran yang dibuat semasa pengumuman tentang sel pembiakan, bukannya jadual baharu yang telah disahkan.

Manfaat pemuliharaan dan perdebatan mengenai keutamaan

Teknik ini juga boleh digunakan pada burung yang masih hidup. Membesarkan sel pembiakan, memeliharanya dan memindahkan variasi genetik yang berguna boleh membantu populasi yang mempunyai kepelbagaian genetik rendah atau menghadapi ancaman penyakit serius.

Colossal merujuk kepada merpati merah jambu Mauritius, yang populasinya dianggarkan antara 375 hingga 490 ekor pada halaman projeknya, berbanding 77 ekor di habitat liar pada 1994. Angka itu menggambarkan pemulihan yang berlaku serentak dengan masalah pembiakbakaan dalam dan penyakit yang berterusan, termasuk jangkitan parasit Trichomonas gallinae.

Cock van Oosterhout, profesor genetik evolusi di University of East Anglia, melihat potensi untuk mengenal pasti daya tahan terhadap penyakit dalam sampel sejarah atau spesies berkaitan dan memperkenalkannya ke dalam populasi yang terancam. Beliau menerima sumbangan daripada Colossal untuk penyelidikannya tentang merpati merah jambu. Pendirian beliau ialah teknologi sedemikian boleh membantu pemulihan, namun kehilangan habitat dan punca lain krisis biodiversiti masih memerlukan tindakan langsung.

Ahli biologi Oxford, Rich Grenyer, memberi amaran bahawa janji menghidupkan semula spesies boleh mengurangkan desakan untuk mencegah kepupusan. Kebimbangannya ialah bahaya moral: orang mungkin lebih sanggup menerima kemusnahan jika mereka percaya spesies yang telah pupus boleh digantikan kemudian.

Pembiayaan Colossal memberikan hujah-hujah itu kepentingan praktikal. Seiring pengumuman terdahulu tentang sel, syarikat itu mendedahkan tambahan pembiayaan sebanyak $120 juta, menjadikan jumlah dana yang diperoleh $555 juta dan penilaiannya $10.2 bilion. Pelabur dan pengasas XPRIZE, Peter Diamandis, turut mengumumkan NeoGenesis Capital untuk menyokong perniagaan yang menggunakan platform biologi terprogram Colossal dalam bidang kesihatan, pertanian dan pemuliharaan.

Projek dodo kini menghubungkan pembiayaan swasta yang besar dengan ujian makmal khusus dan perancangan pemuliharaan. Pencapaian seterusnya adalah jelas: mengesahkan calon DNA, menghasilkan keturunan yang sihat dan membawa suntingan berguna, serta mewujudkan keadaan di Mauritius yang membolehkan sesuatu populasi terus hidup.

Perkara Utama

• Colossal berkata GenoMorph mengenal pasti kira-kira 2,300 sasaran DNA calon yang dikaitkan dengan paruh dan struktur muka dodo.
• Syarikat itu mempunyai satu genom dodo berkualiti tinggi dan koloni 36 ekor merpati Nicobar di Texas.
• Laluan pembiakan yang dicadangkan menggunakan sel germa merpati yang disunting dan ayam sebagai induk tumpang.
• Eksperimen embrio dan pengesahan makmal bertujuan mengenal pasti perubahan genetik yang menghasilkan ciri berguna.
• Burung yang ingin dihasilkan akan membawa ciri dodo terpilih; saintis berdebat tentang sejauh mana burung itu boleh menyerupai spesies pupus tersebut.
• Pengumuman AI itu tidak disertai tarikh penetasan, manakala perancangan pelepasan memerlukan kerja pemulihan habitat dan rundingan di Mauritius.