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Gene Drive - Malaria und invasive Arten als Ziel

Gene Drives sollen bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten, invasiven Arten und landwirtschaftlichen Schädlingen helfen.

Stechmücken, Aga-Kröten und Kirschessigfliegen - nur drei Beispiele für Tierarten, die die menschliche Gesundheit, natürliche Ökosysteme oder die Landwirtschaft bedrohen. Eine Bekämpfung ist mit konventionellen Methoden nur schwer möglich, und so suchen Forscher dringend nach neuen Optionen.

Der Gene Drive könnte eine dieser Optionen sein. Forscher wollen "egoistische" genetische Elemente nutzen, um neue Gene in wildlebenden Populationen zu verbreiten. Das wäre ein schwerer Eingriff in die Natur, verbunden mit ungeklärten ethischen Fragen und kaum absehbaren ökologischen Risiken. Aber auch der Nutzen scheint hoch: Ein Gene Drive verspricht die effiziente, vielleicht sogar endgültige Lösung vieler Probleme.

Infektionskrankheiten - Malaria und Co

Jährlich erkranken mehr als 200 Millionen Menschen an Malaria, über 400 000 versterben daran1. Der Erreger wird durch Stechmücken übertragen, und dies ist der einzige natürliche Infektionsweg. Mücken übertragen noch eine Reihe anderer Infektionskrankheiten, darunter auch Gelb-, Dengue- und Zikafieber. Wenn Forscher die Mückenplage eindämmen, wäre damit auch ein großer Schritt zur Bekämpfung dieser Krankheiten getan.

Die Stechmücke ist der einzige natürliche Überträger des Malaria-Erregers. (Bild: J. D. Gathany, CDC)

Gängige Methoden zur Malaria-Bekämpfung sind nur begrenzt wirksam. Moskitonetze schützen während des Schlafes vor Stichen, aber viele Mücken sind auch draußen oder tagsüber aktiv. Insektizide können Mücken zurückdrängen, aber nicht gänzlich ausrotten. Und Medikamente sind vor allem in armen und abgelegenen Gebieten nicht immer zugänglich, zudem wird ihre Wirksamkeit durch unweigerlich aufkommende Resistenzen eingeschränkt.

Der Gene Drive bietet zwei neue Optionen. Zum einen könnte er Mücken eine Immunität gegen Malaria verleihen, so dass sie als Überträger der Krankheit ausfallen. Dazu wird ein Gen implantiert, das einen Antikörper gegen den Malaria-Erreger erzeugt und dessen Überleben im Moskito verhindert2.

Deutlich radikaler ist die Idee, mit einem Gene Drive die Population der Mücken zu dezimieren oder gar vollständig auszurotten. Die Organisation Target Malaria entwickelt dazu zwei unterschiedliche Ansätze: Ein CRISPR-basierter Gene Drive soll ein Gen in der Population verbreiten, das in weiblichen Mücken zur Unfruchtbarkeit führt. Im äußersten Fall könnte dies zur Ausrottung der Art führen.

Alternativ könnte ein sogenannter X-Shredder dazu führen, dass nur noch männliche Nachkommen geboren werden. Die Mückenpopulation würde in diesem Fall zwar deutlich einbrechen, ein Aussterben der Art ist aber eher unwahrscheinlich3.

Invasive Arten - Mäuse gefährden Seevögel

Viele Länder kämpfen mit dem Problem, dass eingeschleppte (invasive) Arten die einheimische Flora und Fauna bedrohen. Neuseeland hat es besonders hart getroffen: Ratten, Hermeline und Fuchsusus treiben zahlreiche Vogelarten an den Rand des Aussterbens. Aber auch in Australien richtet die gefräßige Aga-Kröte gewaltige Schäden an natürlichen Ökosystemen an, während auf vielen Südseeinseln Mäuse und Ratten brütende Seevögel bedrohen.

Die Aga-Kröte gehört zu den invasiven Arten, die schwere Schäden in natürlichen Ökosystemen verursachen. (Bild: B. Dupont, cc by-sa 2.0)

Oft versuchen die betroffenen Länder das Problem durch intensive Jagd, dem Aufstellen von Fallen oder Auslegen von vergifteten Ködern in den Griff zu bekommen. Als besonders rabiate Maßnahme wurden auch tödliche Infektionskrankheiten eingeführt. Diese Ansätze können die invasiven Arten zwar zurückdrängen, aber nur selten wirksam ausrotten. Nur auf kleinen und abgelegenen Inseln besteht hier Aussicht auf Erfolg.

Neuseeland hat das ambitionierte Programm Predator Free 2050 aufgelegt, das mit neuen Methoden alle invasiven Raubtiere bis zum Jahr 2050 ausrotten soll. Anfangs wurde noch explizit der Gene Drive als mögliche Maßnahme aufgeführt, aber seit einem Regierungswechsel herrscht größere Zurückhaltung: Erst sollen die technischen, sozialen und ethischen Fragen geklärt werden, bevor wieder über den Einsatz eines Gene Drive nachgedacht wird4.

Das nicht-staatliche Programm Genetic Biocontrol of Invasive Rodents (GBIRd) treibt hingegen die Entwicklung von Gene Drives aktiv voran. Neben Universitäten in Australien und den USA zählt auch die kleine Organisation Island Conservation dazu, die sich sich seit 25 Jahren um den Schutz von Seevögeln bemüht und nach eigenen Angaben bereits 63 Inseln von invasiven Nagetieren befreit hat.

Gene Drives, die sich vor allem gegen Mäuse richten, sollen weitere Fortschritte ermöglichen. Bei der Entwicklung eines derartigen Gene Drives haben Forscher aus den USA auch erste Fortschritte erzielt, die von einem praktischen Einsatz aber noch weit entfernt sind5.

Kirschessigfliegen und Schraubwurmfliegen

Insekten, die aus fernen Ländern eingeschleppt werden, treffen in ihren neuen Umgebung nur selten auf Fressfeinde und können sich ungehemmt vermehren. So auch die asiatische Kirschessigfliege: Der winzige Schädling legt seine Eier auf diversen Obstsorten wie Kirschen,Trauben und Brombeeren ab. Da die Eiablage kurz vor der Reifung erfolgt, ist ein Einsatz von Insektiziden kaum möglich und die schlüpfenden Larven können die Ernte im schlimmsten Fall fast vollständig vernichten.

Die Kirschessigfliegen stammt ursprünglich aus Asien und richtet nun weltweit große Schäden im Obstanbau an. (Bild: J. Gallagher, cc by 2.0)

Besonders schwer trifft es Kirschplantagen in Kalifornien. Der Verband der kalifornischen Kirschbauern begann daher im Jahr 2013, die Entwicklung eines Gene Drive mit jährlich 100 000 US-Dollar zu fördern. Forscher in San Diego erzeugten einen sogenannten Medea Drive, der sich im Labor und in Käfigen bereits als wirksam erwiesen hat6.

Ein weiterer hartnäckiger Schädling ist die Neuwelt-Schraubenwurmfliege, die früher in ganz Amerika anzutreffen war. Sie legt ihr Eier in die Nähe von Wunden und Körperöffnungen von Tieren ab - die schlüpfenden Larven bohren sich tief in das Gewebe ein und verursachen schwere Entzündungen.

In Nord- und Mittelamerika wurde die Fliege durch die Sterile-Insekten-Technik ausgerottet, und eine breite Schutzzone in Panama soll eine Neueinwanderung aus Südamerika verhindern. Deren Unterhalt ist allerdings sehr kostspielig, so dass Forscher über einen Gene Drive als kostengünstige Alternative nachdenken. Erste Vorarbeiten wurden bereits durchgeführt, ein funktionsfähiger Gene Drive liegt allerdings noch in weiter Ferne7.

Probleme bei Pflanzen

Grundsätzlich könnte ein Gene Drive auch gegen Unkräuter eingesetzt werden: Er könnte Resistenzen gegen Pflanzenschutzmittel zurücknehmen oder die natürliche Vermehrung behindern. Eine Anwendung bei Pflanzen wird jedoch durch eine Reihe von Problemen erschwert, so dass die Forschung in diesem Bereich nur schwer in Gang kommt.

1 WHO, World malaria report 2017, 29.11.2017 (Link)
2 E. Pennisi, Gene drive turns mosquitoes into malaria fighters, Science, November 2015 (Link)
alle Referenzen anzeigen 3 Facchinelli et al., Large-cage assessment of a transgenic sex-ratio distortion strain on populations of an African malaria vector, Parasit Vectors, Februar 2019 (Link)
4 Murphy et al., Conserving New Zealand’s native fauna: a review of tools being developed for the Predator Free 2050 programme, Journal of Ornithology, März 2019 (Link)
5 Grunwald et al., Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR-Cas9 in the female mouse germline, Nature, Februar 2019 (Link)
6 Buchman et al., Synthetically engineered Medea gene drive system in the worldwide crop pest Drosophila suzukii, PNAS, Mai 2018 (Link)
7 Scott et al., Agricultural production: assessment of the potential useof Cas9-mediated gene drive systems for agricultural pest control, Journal of Responsible Innovation, 2018 (Link)
Die Stechmücke ist der einzige natürliche Überträger des Malaria-Erregers. (Bild: J. D. Gathany, CDC)

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Die Aga-Kröte gehört zu den invasiven Arten, die schwere Schäden in natürlichen Ökosystemen verursachen. (Bild: B. Dupont, cc by-sa 2.0)

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Die Kirschessigfliegen stammt ursprünglich aus Asien und richtet nun weltweit große Schäden im Obstanbau an. (Bild: J. Gallagher, cc by 2.0)
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