Prédire l'efficacité de la stratégie de remplacement de la population utilisant la modélisation mathématique

Vous ne pouvez pas réaliser d'expériences à l'échelle écologique, car cela n'est pas une expérience. C'est une libération effective. Que se passe-t-il si quelque chose tourne mal ?

N'oubliez pas que ces moustiques transmettent un certain nombre de maladies très graves. Et s'ils devenaient des superbactéries et commençaient à transmettre encore plus efficacement ? Peut-être commenceraient-ils à transmettre d'autres maladies qu'ils n'avaient pas été capables de transmettre par le passé.

Nous devons vraiment formuler nos politiques sur la base de modèles informatiques, tout comme nous disposons de modèles informatiques pour toutes les éventualités liées à l’alunissage d’une personne sur la Lune. De même, nous devons disposer de simulations de toutes les éventualités concernant ce qui se produit après le relâchement de moustiques modifiés génétiquement. Je m'appelle Charles Taylor.

Je travaille à l'université de Californie à Los Angeles, au sein du département d'écologie et de biologie évolutive, avec mes étudiants et mes postdoctorants. J'étudie les aspects mathématiques de la tentative d'utiliser des moustiques génétiquement modifiés pour lutter contre le paludisme. Nous avons adopté plusieurs approches différentes pour traiter diverses parties de ce problème.

Aujourd'hui, je vais vous présenter une partie de nos travaux réalisés au cours des dernières années, et je vais vous présenter l'un de mes étudiants, John Marshall. La modélisation que nous avons effectuée se décline sous plusieurs formes différentes. Tout d'abord, il existe des caractéristiques fondamentales de la biologie qui doivent être comprises et qui nécessitent une modélisation.

Par exemple, quelle est la taille de la population, la survie et les déplacements, et vous verrez quelques exemples de ces paramètres. Ensuite, il s'agit de comprendre que si nous envisageons de relâcher un élément transposable, nous savons qu'il existe au moins 2050 variables susceptibles d'être importantes. L'importance de ces variables est parfois difficile à évaluer uniquement par des arguments verbaux, et nous souhaitons disposer de bons modèles mathématiques afin d'être rigoureux et de formuler des énoncés précis tels que : si cela doit fonctionner, alors la valeur sélective du moustique transposé doit être telle, ou bien les déplacements du moustique doivent être ainsi.

Ainsi, vous verrez que nous avons effectué des travaux analytiques dans ce domaine. Le problème suivant consiste non pas seulement à établir des prévisions, mais plutôt à évaluer ce qui se produit après le relâchement initial. Si nous réalisons un test, puis obtenons des résultats, que signifient-ils alors ?

Est-ce que cela signifie que nous avons réussi ou que nous avons échoué ? Il faut donc des simulations plus complexes à cet effet. Accessoirement, c'est cela qui nous a d'abord amenés à intégrer le modèle, ce groupe quatre.

Ensuite, nous avons les problèmes plus sérieux, en particulier les problèmes graves liés aux considérations éthiques. Qu'est-ce qui pourrait mal tourner ? À quel point les éventuels dysfonctionnements sont-ils graves ?

Si nous disposons d'une bonne règle d'arrêt, nous devons alors être très clairs à ce sujet et savoir comment nous allons remédier au désordre si quelque chose tourne mal. Supposons que nous créions un super moustique. Les premières études que nous avons menées avaient simplement pour but d'identifier les paramètres fondamentaux et leurs valeurs pour les populations.

Quelles sont les tailles des populations ? Quelle est l'importance du flux génétique ? Quelle est la survie quotidienne des moustiques dans cette région ?

Nous avons utilisé une méthode traditionnelle très bien établie appelée capture-marquage-recapture. Pour ce faire, le principe de la capture-marquage-recapture consiste à capturer d'abord un grand nombre de moustiques, disons mille. Nous nous rendons dans les villages, les aspirons sur les murs, les plaçons dans un flacon, puis nous appliquons une petite quantité de poudre qui fluoresce sous ultraviolets, similaire à celle utilisée pour fabriquer les peintures vendues dans les magasins ou pour les objets psychédéliques.

Ensuite, après les avoir marqués, nous les relâchons, puis nous effectuons des captures sur les parois lors des nuits suivantes. En fonction du nombre d'individus recapturés et de leur localisation, nous pouvons utiliser des modèles mathématiques pour estimer la taille de la population, la distance qu’ils parcourent et leur taux de survie. Dans cette première vidéo, vous verrez un résumé des principaux résultats de nos premières expériences. En effet, la modélisation peut soutenir de plusieurs manières le programme relatif aux moustiques génétiquement modifiés.

L'un de ces objectifs est simplement d'aider à comprendre la biologie fondamentale des moustiques. Il s'agit de certains de nos tout premiers travaux dans ce domaine, visant à estimer quel est le niveau de dispersion, quelle est la taille de la population, quel est le taux de survie des moustiques ? En examinant ceci, qui constitue un résumé de nos résultats de recherche, on observe plusieurs aspects fondamentaux de la biologie qui pourraient intéresser les spectateurs.

Tout d'abord, nous observons un village, le village de Bottom Body, où nous avons mené une grande partie de nos travaux au Mali. Il comprend environ 70 compounds différents, pouvant chacun abriter plusieurs habitations d'habitation, et ceux-ci sont représentés ici. Ils sont principalement construits en terre, et les moustiques peuvent y entrer et en sortir librement.

La biologie quotidienne se reflète dans les couleurs présentes ici. Ceci est la nuit. Supposons le crépuscule, le jaune représente la journée, et le comportement des moustiques est différent pour chacun.

Par exemple, pendant la journée, ils restent à leur emplacement jusqu'à ce que le crépuscule arrive, puis ils commencent à se déplacer et sortent pour chercher des endroits où se nourrir ou pondre leurs œufs. Ensuite, lorsque le soir arrive, au milieu de la nuit, ils reviennent à leur point de départ, et vous pouvez observer que les zones autour de chaque domicile sont représentées en différentes couleurs, indiquant le gradient de CO₂ et d'odeur corporelle que les moustiques utilisent pour localiser leurs cibles. L'un des résultats les plus importants obtenus la première année, et qui a été exploité à cette fin, a été de comprendre que, dans une population au sein d'un village, peu importe l'endroit où nous les relâchons, un jour, deux ou trois jours plus tard, les moustiques sont répartis de manière homogène sur plusieurs kilomètres.

Ainsi, du point de vue de la modélisation ultérieure, on pourrait dire qu’un village est un village. Il n’y a aucune distinction à l’intérieur du village. La question est alors de savoir quelle quantité de déplacement se produit entre les villages et entre les différentes sous-espèces de moustiques.

Et l'illustration suivante vous montrera notre compréhension actuelle des différentes formes chromosomiques et des déplacements entre les villages. Bon, dans la vidéo que nous venons de voir, nous observons qu'il y a beaucoup de déplacements à l'intérieur d'un village sur une ou deux journées. C'est fondamentalement homogène, mais la réalité est beaucoup plus complexe que ce qui est montré ici.

Tout d'abord, ce n'est pas une seule espèce de moustique qui transmet le paludisme. En réalité, il en existe plusieurs dans ce village, mais à Bonham et au Mali, une seule espèce est présente, Anopheles gambiae. Toutefois, cette unique espèce comprend plusieurs sous-espèces différentes, appelées formes chromosomiques, qui coexistent au même endroit.

Et si nous insérons le gène dans la population, un élément transposable dans une forme donnée, il devra se déplacer à travers toutes les autres. Et de manières qui peuvent être très complexes, la seule façon de vraiment comprendre ce processus consiste à utiliser des simulations informatiques pour l'analyser plus en profondeur. La taille de la population varie au cours de l'année.

Et les déplacements d’un village à l’autre, auxquels nous n’avions pas pensé auparavant, doivent être intégrés. Permettez-moi donc de vous montrer une image extraite d’un des films réalisés par mes étudiants, qui illustre le problème. Voici une forme chromosomique.

En voici un autre, en voici encore un autre. Ceux-ci sont appelés formes iCal de Mopti Savannah. La taille du disque jaune indique l'ampleur de la population.

L'intensité de la ligne noire indique la quantité de flux génétique qui se produit d'un lieu à un autre dans cette zone. Le fleuve Niger Nigel s'écoule ici, et l'échelle du disque représente probablement de 10 à 15 ou 30 kilomètres d'ici à là. Examinons donc d'abord ce qui se passe au cours de l'année.

C'est une région très aride. Elle se situe juste au sud du Sahara, et Tombouctou n'est pas très éloignée, si bien qu'elle est assez proche de la lisière du désert. Pendant la saison sèche, qui occupe la majeure partie de l'année, il y a très peu de moustiques car il n'existe aucun lieu de reproduction.

Mais une fois que la saison des pluies commence en juin, juillet, août et s'étend jusqu'en septembre, octobre, nous pouvons obtenir un nombre très élevé de moustiques. Dans une région où je travaille, on enregistre plus de 500 piqûres par personne et par nuit. Mais dans cette zone, les chiffres ne sont pas tout à fait aussi élevés.

Néanmoins, la variation saisonnière est considérable, et il est utile de visionner un film pour bien comprendre ce qui se passe en ce qui concerne les tailles des populations, en lien avec les différentes formes chromosomiques et le flux génique ; tous ces facteurs seront importants pour ce qui sera finalement mis en œuvre. Si nous devons effectuer une libération, voici un cycle annuel.

Nous commençons avec des tailles de population assez faibles, ce que l'on peut également observer ici. Puis, en septembre et octobre, on constate que les tailles de population deviennent assez importantes dans chacun des différents villages, et qu'il existe un fort flux génétique entre les différents villages. Lorsque l'année progresse à nouveau vers la période sèche, les tailles de population diminuent de nouveau, tout comme le flux génétique qui s'atténue progressivement.

Vous pouvez donc constater qu'il se passe beaucoup de choses ici. Et lorsque nous introduisons la génétique, la situation est encore pire. Par conséquent, nous devons examiner certaines de ces choses une par une, et non toutes ensemble, afin d'obtenir une compréhension réelle, de faire des prédictions, et surtout de définir des conditions qui doivent absolument être remplies si nous voulons réussir. Pour cela, il est vraiment utile de tout avoir réuni, dans un type de modèle différent de celui que nous avons examiné jusqu'à présent. Maintenant.

Pour cela, il est utile de disposer de modèles analytiques, comme celui sur lequel l'un de mes étudiants, John Marshall, a travaillé au cours de l'année ou deux dernières. Bonjour, je suis John Marshall. Je suis étudiant diplômé dans le laboratoire de la table et j'ai travaillé sur certains des modèles axés davantage sur la génétique, en mettant l'accent sur les paramètres d'un élément transposable lors de sa propagation au sein d'une population, propagation qui résulte de leur réplication, et donc d'une héritabilité accrue au fil des réplications.

Ils ont donc la capacité d'être propagés au sein d'une population par un mécanisme de conduite génétique et d'introduire un gène dans celle-ci. Nous nous intéressons, par exemple, au taux de transposition, à la fréquence à laquelle il se produit des sauts, à l'augmentation du coût adaptatif, qui est souvent une conséquence de la transposition en trans, ainsi qu'au fait que, lorsque l'élément transposable augmente son nombre de copies, sa fréquence de transposition diminue.

Ainsi, ces dynamiques opposées peuvent être décrites à l'aide de modèles mathématiques. Nous allons maintenant examiner des modèles plus complexes, en les suivant sur une période de deux ans, et non plus seulement un an. De plus, la fréquence de l'élément transposable sera illustrée par la couleur de la population.

Alors, souvenez-vous, la taille de la population correspond à la taille du disque et la couleur du disque indique la fréquence de l'élément transposable. Nous commençons ici avec des fréquences très faibles dans toutes les populations. Et au fur et à mesure que l'année avance lentement, nous observons, à l'approche de la saison des pluies, que la taille des populations augmente, et initialement, seul le côté de la zone de relâchement apparaît en rouge.

Et ici, à toutes fins pratiques, c'est cent pour cent. Les autres ont encore reçu un flux génétique insuffisant pour qu'elles soient entièrement transformées, mais malgré les faibles taux de flux génétique, nous observons qu'au bout de la deuxième année, presque tous les individus posséderont l'élément transposable. Ainsi, à la fin de cette simulation avec ces valeurs, la fréquence de l'élément transposable se situe entre 99 et 100 pour cent dans toutes les régions, dans tous les villages explorés.

Vous vous souvenez que les études de John Marshall menées avec les modèles analytiques montrent que le taux de transposition est une caractéristique essentielle du déplacement de l'élément transposable au sein de la population. De même, la forme chromosomique que vous libérez fait également une grande différence. Dans ce scénario alternatif, l'un des nombreux que nous avons étudiés, nous observons que lorsque nous l'introduisons dans la forme Abaco, et non dans la forme mopti, nous utilisons un taux de transposition inférieur à celui que je vous avais initialement présenté.

Celle-ci est peut-être plus raisonnable, plus facilement réalisable, et le résultat est très différent après deux ans. Voici un cycle de deux ans, que j'interromprai à mi-parcours afin que vous puissiez observer la différence remarquable. Encore une fois, la population augmente, mais cette fois, nous l'avons relâchée sous forme baco, et non sous forme MTI.

Et lorsque, la deuxième année, la taille de la population a augmenté au milieu de la saison des pluies, voyez ici que ce n’est plus rouge partout comme auparavant. En outre, toute la transposition semble être localisée ici. Cela s’explique par le fait qu’il y a beaucoup moins de flux génique entre la forme iCal et la forme MTI qu’entre la savane et la forme mti.

Ainsi, ici, au fil du reste de l'année, au lieu d'être à cent pour cent, nous avons plutôt que la zone sous forme iCal est désormais seulement à 20 %. La savane est à 8 %. Et le mopti, pour des raisons pratiques, n'a reçu aucun des éléments transposables du point de vue de la conception ou de l'évaluation de l'expérience. Vous voyez, il est essentiel que nous disposions de ces simulations, non seulement pour guider nos attentes, mais aussi pour les évaluer. Enfin, il existe un aspect de ceci qui n'a pas reçu l'attention qu'il mérite.

Et c'est là la considération éthique. La majeure partie des travaux jusqu'à présent a porté sur l'ingénierie génétique, en tentant de créer quelque chose qui fonctionnera. Mais en réalité, même si nous disposons d'une solution qui fonctionne.

Que se passera-t-il s'il est libéré ? Que se passe-t-il si quelque chose tourne mal ? N'oubliez pas que ces moustiques transmettent plusieurs maladies très graves.

Et s'ils devenaient des souches résistantes et commençaient à se transmettre encore plus efficacement ? Ou s'ils acquéraient des antibiotiques et propageaient cette résistance à d'autres espèces ? Autrement, il se pourrait qu'ils commencent à transmettre d'autres maladies qu'ils n'avaient pas pu transmettre par le passé.

Voici seulement trois exemples parmi un très grand nombre de scénarios dramatiques susceptibles de se produire. Et comme nous ne disposons d'aucune base expérimentale pour les étudier, nous devons vraiment formuler nos politiques sur la base de modèles informatiques. Plusieurs approches sont possibles à cet effet.

John examine un seul aspect des problèmes qui peuvent survenir, mais il en existe manifestement bien d'autres. Une chose que nous devrons faire et que nous n'avons pas encore faite consiste à élaborer des modèles indiquant que les problèmes sont suffisamment graves pour que nous devions agir, et voici comment remédier à ce qui a mal tourné par le passé. Espérons que nous n'aurons jamais à appliquer ces informations, mais tout comme nous disposons de modèles informatiques pour toutes les éventualités et pour poser un homme sur la Lune, nous devons également disposer de simulations couvrant toutes les éventualités concernant ce qui pourrait se produire après la libération de moustiques génétiquement modifiés.

Ainsi, ces efforts de modélisation ainsi que les autres efforts de modélisation mentionnés dans ce segment sont importants pour évaluer si le projet peut fonctionner ou non. Vous ne pouvez pas réaliser d'expériences à l'échelle écologique, car cela ne serait plus une expérience, mais une libération effective. Il est donc essentiel de disposer de certaines mesures de paramètres, ainsi que d'une compréhension du fonctionnement des processus dans le modèle, afin d'obtenir une indication sur le fait que le projet fonctionnera ou non.

En outre, il est important que les travaux de modélisation fournissent aux biologistes moléculaires des recommandations sur les paramètres à mesurer, sur les paramètres importants à quantifier, et, lorsqu'ils effectuent ces mesures, sur les types de valeurs essentielles pour la réussite du projet.