Transgene Pilze zur Bekämpfung der Malariamücken

Afrika südlich der Sahara ist am stärksten von Malaria betroffen. Auf diese Region entfallen mehr als 90 Prozent aller Malarianeuinfektionen und -todesfälle. Fast drei Viertel der Malariatodesopfer dort sind Kinder unter fünf Jahren.
Die Malariaerreger sind einzellige Parasiten der Gattung Plasmodium. Von dieser gibt es vier Arten, die beim Menschen Malaria auslösen können: Plasmodium ovale, Plasmodium vivax, Plasmodium malariae und Plasmodium falciparum. Diese Plasmodienarten gelangen durch den Stich einer Stechmücke der Gattung Anopheles1 in den Blutkreislauf des Menschen. Nur die trächtigen Weibchen stechen. Sie brauchen die Proteine im menschlichen Blut für die Entwicklung ihrer Eier, ernähren sich aber sonst, wie die Männchen, von Nektar und Pflanzensäften. Die Männchen sind mit ihrem stark unterentwickelten Stechapparat unfähig, zu stechen und Blut zu saugen.

Credit: By Photo Credit: James Gathany Content Providers(s): CDC [Public domain], via Wikimedia Commons Eine weibliche Anopheles albimanus, die einen Menschen sticht und sich dabei mit Blut vollsaugt.

Die Gattung Anopheles besteht aus ca. 420 verschiedenen Arten, von denen 40 Arten fähig sind Malariaplasmodien zu übertragen2. Stechmücken der Art Anopheles gambiae, die mit Plasmodium falciparum infiziert sind, finden den Geruch von Menschen wesentlich attraktiver als nicht infizierte Stechmücken [1]. Dieser Parasit verändert das Geruchssystem seiner Wirtsmücke und sorgt somit für seine Übertragung in den Menschen [2].

Verhindern Epidemiologen den Kontakt zwischen weiblichen, trächtigen, infizierten Anophelesmücken und Menschen, können sie damit die Ausbreitung der Malaria stoppen. Dazu dienen Maßnahmen der Vektorkontrolle wie die Verteilung von Moskitonetzen oder das Versprühen von Insektiziden. Da die Anophelesmücken resistent gegen die üblichen chemischen Insektizide geworden sind, möchten Insektenforscher die Anophelesmücken mit dem parasitischen Pilz Metarhizium pingshaensei biologisch bekämpfen.

Dieser Pilz befällt spezifisch Stechmücken wie z. B. Anopheles gambiae und die Ägyptische Tigermücke (Aedes aegypti), die Überträgerin des Gelbfiebervirus. Für Säugetiere, Vögel, Bienen und andere nützliche Insekten ist dieser Pilz ungefährlich. Die Sporen des Pilzes haften auf dem Außenskelett der Stechmücke und wachsen3 dort über einen Keimschlauch in die lebende Stechmücke hinein. Die Stechmücke stirbt innerhalb von acht Tagen und wird vom Pilz durchwachsen. Schließlich bilden sich auf der Oberfläche der toten Stechmücke wieder Millionen von Sporen, die auf andere Stechmücken übertragen werden können.

Da Metarhizium pingshaensei ziemlich langsam tötet und dafür eine relativ große Anzahl von Sporen benötigt, suchte ein Forscherteam mit Forschern aus Burkina Faso, China, Australien und den USA nach einem Weg, den Pilz effizienter zu machen. Das heißt, der Pilz soll mit weniger Sporen schneller töten [3]. Genetiker statteten den Pilz deshalb zusätzlich mit zwei Genen für Nervengifte aus, die die Erregungsleitung in Nervenzellen blockieren. Das eine Nervengift stammt aus dem Nordafrikanischen Wüstenskorpion4 (Androctonus australis), das andere aus der Australischen Blaue Berge-Trichternetzspinne (Hadronyche versuta). Das Skorpiontoxin AaIT blockiert die spannungsgesteuerten Natriumkanäle in der Nervenzellmembran, das Spinnentoxin ω/κ-hexatoxin-Hv1a die spannungsgesteuerten Kalium- und Kalziumkanäle.

Das Tolle an dem Skorpiontoxin ist, dass es mit den Pyrethroiden, das sind synthetische Insektizide die gegen Anophelesmücken eingesetzt werden, zusammenwirkt. Auch Pyrethoide blockieren den spannungsgesteuerten Natriumkanal binden aber an einer anderen Stelle als das Skorpiontoxin. Es ist sogar so, dass Mutationen in diesem Natriumkanalgen, die Resistenz gegen Pyrethroide verleihen, die Bindungsfähigkeit des Skorpiontoxins an den Natriumkanal erhöhen. Zusammen mit dem gänzlich anderen Wirkmechanismus des Spinnentoxins wird so eine Resistenzbildung in den Anophelesmücken stark vermindert.

Die Neurotoxingene stehen unter der Kontrolle eines hochspezifischen genetischen Schalters5, der nur aktiv wird, wenn sich der Pilz in der Hämolymphe, im Körperinneren, einer Stechmücke befindet. Tödlich wird der Erreger also nur in der Steckmücke – es besteht keine Gefahr, dass diese Nervengifte in Menschen oder Vögel produziert werden. Beide Neurotoxine wurden bereits von der amerikanischen Environmental Protection Agency (EPA) für den Einsatz als Insektizid zugelassen.

In Tests an insektizidresistenten Anopheles gambiae und Anopheles coluzzii, in einem abgeschlossenen Forschungslabor, hat der „so bewaffnete“ transgene Pilz die Erwartungen der Forscher erfüllt: Er benötigte 1,5-mal weniger Pilzsporen um die Hälfte der Mückenpopulation zu töten als der normale Pilz (LC50). In vier Tagen war die Hälfte der Population, der mit durchschnittlich sechs Pilzsporen pro Mücke infizierten Mücken, beim transgenen Pilz gestorben, während es beim normalen Pilz mit der gleichen „Dosis“ Pilzsporen sieben Tage dauerte (LD50).

Die Infektion mit dem transgenen Pilz hatte einen weiteren negativen Effekt auf das Blutmahlzeitverhalten (und damit auch auf die mögliche Plasmodiumübertragungsrate): Benutzten die Biologen einen transgenen Pilz, der nur das Spinnentoxin produzierte, flogen, 3 Tage nach der Infektion, 37% weniger Mücken ein Meerschweinchen für eine Blutmahlzeit an als nicht infizierte Mücken. Anophelesmücken sind nachtaktiv und meiden das Licht. Die Genetiker hatten den normalen Pilz und den transgenen Pilz deshalb zusätzlich mit Genen für fluoreszierende Proteine ausgestattet, sodass die Sporen, mit Licht spezifischer Wellenlänge angestrahlt, im Dunkeln leuchten. Auf diese Weise ließen sich die mit dem Pilz infizierten Mücken leichter erkennen. Die normalen Pilzsporen leuchteten Rot, die transgenen Pilzsporen Grün.

Vektorkontrolle ist eine wichtige Strategie im Kampf gegen Malaria. Der in dem Fachartikel vorgestellte transgene Pilz hat bereits einige Kriterien der Weltgesundheitsorganisation, für die Zulassung zur Malariavektorkontrolle, erfüllt, doch weitere Experimente sind notwendig. Hoffen wir, dass diese Experimente erfolgreich sind, damit weniger Kleinkinder in Malariagebieten sterben.

Fußnoten

1. Anophelesmücken sind auf allen Kontinenten der Erde verbreitet. Sie sind zu erkennen an der speziellen Form und Gestalt ihres Rückenschilds. Es ist gleichmäßig rund und mit einer Reihe durchgehender Borsten versehen. Die Weibchen dieser Mückenart sind an ihren langen Tastern zu erkennen.

2. Anophelesmücken übertragen Plasmodien auch auf Reptilien, Vögel und Affen. Sie sind in ihren Hauptwirten jedoch wenig krankheitserregend. Die Infektionen verlaufen meist symptomlos oder gehen mit leichten Symptomen ein her (z. B. Fieber). Einige Vogelplasmodien können allerdings in nichtadäquaten Wirten schwere Erkrankungen und Todesfälle verursachen. Die Affenmalaria ist als Modellinfektion in der Forschung bedeutsam.

3. Der Pilz arbeitet dabei mit einer Kombination von mechanischem Druck und enzymatischen Prozessen: Er bildet Proteasen, Lipasen und Chitinasen, welche die Kutikula abbauen, sodass der Pilz in das Körperinnere eindringen kann.

4. Androctonus australis zählt zu den giftigsten Skorpionen überhaupt und verursacht jährlich mehrere Todesfälle. Das Gift ist ähnlich stark wie das einer Schwarzen Mamba.

5. Bei dem genetischen Schalter handelt es sich um den Mcl1-Promotor.

Weiterführende Literatur

[1] Smallegange RC, van Gemert G-J, van de Vegte-Bolmer M, Gezan S, Takken W, Sauerwein RW, et al. (2013) Malaria Infected Mosquitoes Express Enhanced Attraction to Human Odor. PLoS ONE 8(5): e63602.

[2] Koella JC, Sørensen FL, Anderson RA (1998) The malaria parasite, Plasmodium falciparum, increases the frequency of multiple feeding of its mosquito vector, Anopheles gambiae. Proc. R. Soc. B, 265 (1398), 763–768.

[3] Etienne Bilgo, Brian Lovett, Weiguo Fang, Niraj Bende, Glenn F. King, Abdoulaye Diabate, Raymond J. St. Leger. (2017) Improved efficacy of an arthropod toxin expressing fungus against insecticide-resistant malaria-vector mosquitoes. Scientific Reports 7, Article number: 3433 (2017)

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat.

Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Ja, (fast) alle Mittel um Malaria zurückzudrängen sind OK – auch genmodifizierte, sterile Malariamücken oder genmodifizierte biologische Feinde von Malariamücken.
    Heute gibt es einen Strauss von vielversprechenden Methoden um die Malaria zurückzudrängen:
    – biologische/genetische Bekämpfung der malariaübertragenden Mücke
    Malariaimpfungen
    Neue Malariamedikamente

    Wenn trotz einem Füllhorn an Angriffspunkten gegen Malaria die Menschen in einem Grossteil Afrikas und in armen Ländern Südostasiens (wie Laos) weiterhin mit Malaria leben müssen, ist das vor allem eine Folge von ungenügenden Anstrengungen existierende Mittel gegen Malaria flächendeckend einzusetzen. Auch in weiten Teilen Chinas war die Malaria bis vor wenigen Jahren endemisch. Doch sie wurde stark zurückgedrängt wie “Malaria in China, 2011–2015: an observational study” zeigt. Verbleibende Malariafälle in China sind grossteils aus Afrika importiert. Das Beispiel China, aber auch Europa (welches früher einige Malariagebiete hatte) zeigt für mich, dass eine hohe Malariaverbreitung in einer Region ein Zeichen der Unterentwicklung dieser Region ist.

  2. Pingback:[SciLogs] Transgene Pilze zur Bekämpfung der Malariamücken

  3. Bill Gates berichtet im Artikel Moskito Wars über enorme Fortschritte in der Malariaforschung und -bekämpfung in den letzten 10 Jahren. Weltweit seien die Malariafälle gegenüber dem Jahr 2000 um 50% zurückgegangen und das sei kein Zufall, seien doch die Investitionen in die Malariabekämpfung und -erforschung um 1000% gegenüber dem Jahr 2000 gestiegen und Fortschritte auf mehreren Fronten erzielt worden.

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