Fortschritte bei der genetischen Schädlingsbekämpfung mit synthetischen Genantrieben

Wissenschaftler arbeiten an neuen Wegen, um Schädlinge und Krankheiten mit fortschrittlichen genetischen Werkzeugen zu bekämpfen. Ein vielversprechender Ansatz sind sogenannte synthetische Genantriebe. Diese Systeme können spezifische Eigenschaften in Populationen von Schädlingen, wie Mücken, verbreiten, um Krankheiten wie Malaria zu kontrollieren.

#Was sind synthetische Genantriebe?

Synthetische Genantriebe nutzen Techniken aus der Genetik, insbesondere ein Verfahren namens CRISPR. Diese Technologie erlaubt es Wissenschaftlern, Gene in lebenden Organismen zu bearbeiten. Genantriebe können sicherstellen, dass eine gewünschte Eigenschaft bei fast allen Nachkommen weitergegeben wird, im Gegensatz zu normalen Vererbungsmustern, wo Eigenschaften nicht immer weitergegeben werden.

Im Kontext der Schädlingsbekämpfung können Genantriebe so gestaltet werden, dass sie die Fortpflanzungsrate einer Schädlingart reduzieren. Beispielsweise schauen Forscher, wie sie die Anzahl der weiblichen Mücken, die sich fortpflanzen können, verringern können, was helfen würde, ihre Populationen zu managen.

#Die Herausforderung der Resistenz

Obwohl Genantriebe viel Potenzial zeigen, stehen sie auch vor Herausforderungen. Ein grosses Problem ist die Entwicklung von Resistenzen. So wie Bakterien resistent gegen Antibiotika werden können, können auch Schädlinge genetische Veränderungen entwickeln, die sie weniger anfällig für Genantriebe machen.

Resistenz kann durch natürliche genetische Variation oder durch Mutationen entstehen, die auftreten, wenn der Genantrieb die DNA schneidet. Diese Veränderungen können verhindern, dass der Genantrieb seine beabsichtigte Eigenschaft effektiv verbreitet. Die Wirksamkeit eines Genantriebs hängt davon ab, wie viele resistente Individuen in der Schädlingspopulation vorhanden sind und wie diese Mutationen ihr Überleben beeinflussen.

#Arten von resistenten Varianten

Forscher haben zwei Arten von Resistenzen identifiziert:

1. Funktionale Resistenz (R1): Diese Veränderungen stellen die Funktion des Zielgens wieder her und machen den Genantrieb im Grunde genommen unwirksam. Individuen mit diesen Mutationen können trotz der Anwesenheit eines Genantriebs gedeihen.

2. Nicht-funktionale Resistenz (R2): Diese Mutationen verhindern, dass der Genantrieb funktioniert, bringen aber Kosten mit sich, wie niedrigere Überlebensraten oder Unfähigkeit zur Fortpflanzung.

Die Forscher fanden heraus, dass R1-Allel schnell eine Population übernehmen können, wenn ein Genantrieb freigesetzt wird, was dazu führt, dass der Antrieb nicht effektiv verbreitet wird. R2-Allel blockieren zwar den Genantrieb, haben jedoch tendenziell einen geringeren Einfluss auf die Gesamtwirksamkeit.

#Wie sich Resistenz entwickelt

Der Hauptweg, wie neue resistente Varianten entstehen, ist ein Prozess namens fehleranfällige Reparatur, nachdem der Genantrieb das Zielgen geschnitten hat. Dieser Reparaturprozess kann Mutationen erzeugen. Bei Mücken können die meisten dieser Mutationen früh in der Entwicklung auftreten, und wenn der Genantrieb vorhanden ist, kann dies zu einer höheren Anzahl resistenter Allele führen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Begrenzung der Expression des schneidenden Enzyms (Cas9) auf die frühen Entwicklungsphasen die Anzahl der produzierten resistenten Allele verringern kann.

#Frühere Erkenntnisse mit Genantrieben

Forschungsteams haben Genantriebe entwickelt, die auf das doublesex (dsx) Gen in Mücken abzielen, um die Anzahl der fruchtbaren weiblichen Mücken zu reduzieren. Einige dieser Genantriebe haben in Laborumgebungen Erfolge gezeigt, wo sie die Mückenpopulationen effektiv verringern konnten. Allerdings wird das Risiko, Resistenzen zu entwickeln, viel grösser, wenn man die Freisetzung in natürlichen Populationen in Betracht zieht.

Da die wildlebenden Mückenpopulationen im Vergleich zu denen in Laborumgebungen riesig sind, haben selbst nur wenige resistente Individuen eine beträchtliche Chance zu überleben und sich fortzupflanzen, was den Genantrieb weniger effektiv oder sogar völlig unwirksam macht.

#Strategie zur Bekämpfung von Resistenzen

Angesichts der Herausforderungen, die durch Resistenzen entstehen, arbeiten Forscher daran, genetische Werkzeuge zu entwickeln, die mehrere Stellen innerhalb des dsx-Gens anvisieren. Indem sie dies tun, hoffen sie, die allgemeine Chance auf die Entwicklung von Resistenzen zu verringern. Wenn ein Genantrieb an mehreren Stellen arbeiten kann, wird es schwieriger, dass eine einzelne Mutation ihn unwirksam macht.

Darüber hinaus haben Forscher neue Methoden entwickelt, um zu bewerten, wie schnell Resistenzen sich entwickeln können. Dies ist entscheidend für die Vorhersage der Ergebnisse bei der Freisetzung von Genantrieben in die Wildnis. Indem sie zuvor unterschätzte Raten der Resistenzentwicklung verstehen, können sie bessere Genantriebe entwerfen.

#Entdeckung neuer resistenter Varianten

Um besser zu verstehen, wie Resistenz gegen den dsx-Genantrieb entstehen kann, haben Wissenschaftler einen Prozess entwickelt, um sowohl natürlich vorkommende als auch durch Genantrieb induzierte Variationen in grossem Umfang zu testen. Sie konnten die Aktivität des Genantriebs simulieren und seltenere resistente Allele entdecken.

Mit Hilfe genetischer Werkzeuge können Wissenschaftler nun herausfinden, wie viele resistente Allele in einer Population entstehen könnten und wie diese die Wirksamkeit des Genantriebs im Laufe der Zeit beeinflussen könnten.

#Testen der Varianten

Wissenschaftler führten Experimente im Labor durch, um zu sehen, wie sich diese resistenten Varianten verhalten, wenn ein Genantrieb vorhanden ist. Sie schauten sich an, wie gut verschiedene Allele des dsx-Gens funktionierten und wie gut sie dem Genantrieb widerstehen konnten.

Unter den getesteten Varianten stellte sich heraus, dass die natürlichen Mutationen in der Population anfällig für den Genantrieb waren. Allerdings wurden neue resistente Allele identifiziert, die durch die Aktivität des Genantriebs erzeugt wurden, was darauf hinweist, dass Resistenzen tatsächlich unter selektivem Druck evolvieren könnten.

Einige dieser resistenten Varianten wurden entwickelt, um ihre Auswirkungen auf die Aktivität des Genantriebs zu testen. Einige Allele blockierten den Genantrieb vollständig, während andere immer noch eine gewisse Aktivität des Genantriebs zuliessen, jedoch in verringerter Form. Dieses nuancierte Verständnis von Resistenzen wird den Forschern helfen, bessere Strategien zur Bekämpfung von Schädlingen zu entwerfen.

#Multiplexed Gene Drives

Um Resistenzen zu bekämpfen, entwickeln Forscher auch multiplexed Gene Drives, die mehrere Stellen innerhalb eines Gens anvisieren, wie das dsx-Gen. Dieses Design verringert nicht nur die Wahrscheinlichkeit von Resistenzen, sondern verbessert auch die Chancen, dass der Genantrieb sich durch die Population verbreitet. Theoretisch, wenn eine Stelle eine resistente Mutation erhält, können die verbleibenden Stellen den Genantrieb weiterhin funktionsfähig machen.

Die multiplexed Gene Drives haben in Laborexperimenten hohe Übertragungsraten gezeigt und performen genauso gut oder sogar besser als Einzielantriebe. Diese Fortschritte könnten die Strategien zur Schädlingsbekämpfung in natürlichen Umgebungen erheblich verbessern.

#Einfluss auf die Populationskontrolle

Bei Tests der multiplexed Gene Drives in Laborumgebungen beobachteten die Forscher, dass diese neuen Antriebe sich schnell durch Mückenpopulationen verbreiten konnten und die Fortpflanzungskapazität effektiv reduzierten. In mehreren Versuchen konnten die neuen Genantriebe die Mückenpopulation erheblich über einen kurzen Zeitraum verringern.

Durch den Einsatz dieser fortschrittlichen Genantriebe können Wissenschaftler die Mückenpopulationen potenziell viel effektiver managen, was zu einer Verringerung der Übertragung von Krankheiten wie Malaria führt.

#Fazit

Die Entwicklung von synthetischen Genantrieben birgt grosses Potenzial für die Kontrolle von Schädlingspopulationen und die Verhinderung der Ausbreitung von Krankheiten. Jedoch ist die Herausforderung der Resistenz signifikant. Indem sie verstehen, wie Resistenzen sich entwickeln, können Wissenschaftler robustere Genantriebe entwerfen, die mehrere genetische Stellen anvisieren, wodurch ihre Wirksamkeit in realen Szenarien erhöht wird.

Während die Forscher weiterhin diese Werkzeuge verfeinern, wird das Potenzial von Genantrieben, um krankheitsübertragende Schädlinge zu managen, greifbarer. Mit fortlaufenden Studien und Experimenten kommen wir näher an die Verwirklichung der Vorteile von Genantrieben in der öffentlichen Gesundheit und der Schädlingsbekämpfung. Dieser kombinierte Ansatz, Resistenzen zu verstehen und multiplexe Designs einzusetzen, wird eine entscheidende Rolle in der Zukunft der genetischen Schädlingsbekämpfung spielen.