Gene Drives: Beschleunigte Vererbung gegen Malaria-Mücken und andere Schädlinge

von Juliette Irmer

Gene Drives könnten eines Tages helfen, Malaria zu bekämpfen, landwirtschaftliche Schädlinge einzudämmen oder invasive Arten zurückzudrängen. Die Technologie hat sich in den vergangenen Jahren deutlich weiterentwickelt. Vor einer möglichen Anwendung müssen jedoch weiterhin offene Fragen zu Sicherheit, Regulierung und gesellschaftlicher Akzeptanz geklärt werden.

Schon lange sind genetische Elemente bekannt, die sich häufiger vererben, als es nach den Mendelschen Regeln zu erwarten wäre. Anfang der 2000er-Jahre entstand die Idee, diesen Mechanismus gezielt zu nutzen, etwa um Malaria übertragende Mücken zu bekämpfen. Der technische Durchbruch gelang 2012 mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Methode (Gen-Schere). In den folgenden Jahren ging es vor allem um die Frage, ob sogenannte Gene Drives überhaupt funktionieren. Heute hat sich der Schwerpunkt der Forschung verlagert: Im Mittelpunkt steht, wie sich Gene Drives kontrollieren und begrenzen lassen und unter welchen Bedingungen ihr Einsatz möglich wäre.

Mithilfe eines Gene Drives wird die Vererbung einer bestimmten genetischen Veränderung beschleunigt. Laut den Mendelschen Regeln erbt im Durchschnitt die Hälfte der Nachkommen einer Generation eine bestimmte Genvariante. Ein Gene Drive sorgt dafür, dass die gewünschte Veränderung im Idealfall an alle Nachkommen weitergegeben wird. Dadurch breitet sich diese innerhalb weniger Generationen in der gesamten Population aus (Infokasten links oben). Das gelingt, weil die Gen-Schere CRISPR/Cas die gewünschte Genveränderung nicht nur erzeugt, sondern auch auf das homologe Chromosom kopiert. Gleichzeitig wird auch die Bauanleitung für die Gen-Schere vererbt, sodass sich der Vorgang in jeder neuen Generation wiederholt (links unten).

Von Malaria-Mücken bis Kirschessigfliegen: Gene Drives bisher nur im Labor

Gene Drives könnten helfen, die Schädlingsbekämpfung zu verbessern: Statt Schädlinge mit Insektiziden oder Giftködern zu bekämpfen, die häufig auch Nichtzielarten schädigen, könnten Gene Drives gezielt einzelne Schädlingsarten beeinflussen.

Im Mittelpunkt der Forschung stehen bislang Stechmücken, die Krankheiten wie Malaria, Dengue oder Gelbfieber übertragen. Malaria allein forderte 2024 weltweit rund 610.000 Todesopfer. Besonders betroffen ist Afrika, wo vor allem Kinder unter fünf Jahren an der Infektionskrankheit sterben. Inzwischen stehen mit RTS,S (Mosquirix) und R21 zwei von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlene Malaria-Impfstoffe zur Verfügung. Sie können schwere Krankheitsverläufe und Todesfälle verringern, bieten jedoch keinen vollständigen Schutz und ergänzen deshalb andere Maßnahmen wie Moskitonetze, Insektizide und Medikamente. Da Resistenzen gegen Insektizide und Malariamedikamente jedoch zunehmen, werden weitere Strategien benötigt. Die WHO unterstützt daher die Erforschung von Gene Drives und hat Leitlinien für ihre schrittweise Erprobung und Risikobewertung veröffentlicht.

Gene Drives könnten außerdem in der Landwirtschaft und im Artenschutz Anwendung finden, indem sie landwirtschaftliche Schädlinge bekämpfen und invasive Arten zurückdrängen. In Kalifornien haben Wissenschaftler mehrere Gene-Drive-Systeme für die ursprünglich aus Südostasien stammende Kirschessigfliege entwickelt, einen invasiven Schädling im Beeren- und Steinobstanbau, der auch in Europa große Schäden anrichtet. Darüber hinaus wird erforscht, ob Gene Drives Resistenzen gegen Insektizide in Schadinsekten wieder rückgängig machen könnten.

Im Naturschutz wird vor allem der Einsatz von Gene Drives auf Inseln diskutiert. Sie könnten helfen, invasive Nagetiere wie Ratten und Mäuse gezielt zurückzudrängen, so dass sich einheimische Vogel- und Reptilienarten wieder erholen können.

Bislang wurden Gene Drives ausschließlich im Labor oder in Biosicherheits-Insektarien untersucht, unter anderem in Hefen, Fruchtfliegen, Stechmücken und Mäusen. Eine Freisetzung selbstverbreitender Gene Drives in die Umwelt wurde bisher weltweit nicht genehmigt.

Gen Drive-Ziele: Eine Population reduzieren oder deren Eigenschaften verändern

Mittlerweile existiert eine Vielzahl verschiedener Gene-Drive-Systeme, die sich zwei Kategorien zuordnen lassen:

• Suppression Drive: Das genetische Pendant zum Insektizid mit dem Ziel, eine Population zu reduzieren oder gar auszulöschen.
• Replacement Drive: Die Tiere bleiben am Leben. Der Gene Drive verändert eine Eigenschaft, etwa die Fähigkeit, einen Krankheitserreger zu übertragen (früher modification drive)

Suppression Drive: Nicht jede Art ist Gene Drive-tauglich. In Frage kommen nur Organismen, die sich sexuell fortpflanzen und die eine möglichst kurze Generationszeit aufweisen. Trotz beschleunigter Vererbung braucht es mehrere Generationen, bis eine gewünschte Veränderung eine komplette Population durchdringt.

Am weitesten fortgeschritten ist die Forschung an der Mücke Anopheles gambiae, einer der wichtigsten Überträgerarten von Malaria. Eine Forschergruppe um Andrea Crisanti, Pionier der Gene-Drive-Forschung und Mitbegründer von Target Malaria, einem internationalen Forschungskonsortium zur Bekämpfung der Malaria, hat einen Gene Drive entwickelt, der das Gen doublesex verändert: Die Weibchen werden dadurch unfruchtbar und legen keine Eier mehr. Die Forschergruppe konnte wiederholt zeigen, dass ihre Mückenpopulationen nach mehreren Generationen zusammenbrechen. Zuletzt gelang dies auch in knapp fünf Kubikmeter großen Biosicherheits-Insektarien.

Auch wenn der Zusammenbruch einer Population das erklärte Ziel eines Suppression Drives ist, tritt er nicht zwangsläufig ein. Wie bei anderen Formen der Schädlings- und Vektorkontrolle können sich auch gegen Gene Drives Resistenzen entwickeln. Dabei verändert sich die Zielsequenz der DNA so, dass die Gen-Schere sie nicht mehr erkennt. Der Gene Drive kann sich dann nicht mehr in das Erbgut kopieren und verliert allmählich seine Wirkung. Die resistenten Mücken oder Pflanzenschädlinge können sich vermehren.

Die Funktionsweise der Gen-Schere CRISPR/Cas kann zur Entstehung von Resistenzen beitragen: Die Gen-Schere schneidet das Erbgut an einer bestimmten Stelle, die Reparatur übernimmt jedoch die Zelle. Im Idealfall kommt es zur sogenannten homologen Reparatur (homology-directed repair, HDR). Dabei nutzt die Zelle das Chromosom mit dem Gene Drive als Vorlage und kopiert die genetische Veränderung auf das zweite, homologe Chromosom.

Daneben gibt es einen zweiten Reparaturweg (non-homologous end joining, NHEJ), bei dem die losen DNA-Enden direkt wieder miteinander verknüpft werden. Dabei können einzelne DNA-Bausteine eingefügt oder entfernt werden, sodass sich die Zielsequenz verändert. Die Gen-Schere erkennt diese Stelle dann nicht mehr und der Gene Drive wird nicht mehr auf das homologe Chromosom übertragen.

Um dieses Risiko zu verringern, richten sich neuere Gene Drives gegen evolutionär stark konservierte Gene, die sich in der Evolution kaum verändert haben, oder nutzen mehrere Zielsequenzen gleichzeitig. Ein Beispiel ist das Gen doublesex. Es erfüllt eine zentrale Funktion in der Entwicklung der Mücke, sodass Veränderungen seiner DNA-Sequenz meist nicht überlebensfähig sind. Wird der Schnitt der Gen-Schere fehlerhaft repariert, sterben die betroffenen Mücken häufig. Jene mit einem korrekt kopierten Gene Drive hingegen überleben.

Zumindest in der Theorie ließe sich mit einem solchen Suppression Drive eine freilebende Art gezielt auslöschen. Ein Szenario, das Fragen nach den Folgen für Ökosysteme aufwirft.

Replacement Drives funktionieren subtiler: Wissenschaftler verändern Mücken so, dass sie Krankheitserreger nicht mehr oder deutlich schlechter übertragen können. Ein Beispiel ist das Projekt Transmission Zero des Imperial College London, das gemeinsam mit dem Ifakara Health Institute in Tansania an einem solchen replacement drive arbeitet: Dabei werden Mücken genetisch so verändert, dass sie Moleküle bilden, welche die Entwicklung der Malariaparasiten im Mückendarm verhindern. Ein Gene Drive soll diese Eigenschaft anschließend in natürlichen Populationen verbreiten.

WHO: Gene Drives weiter erforschen

Nicht nur das Potenzial, auch die Kritik an Gene Drives ist groß. Wiederholt wurde auf der Weltnaturkonferenz (Convention on Biological Diversity, CBD) ein weltweites Moratorium gefordert, das die Freisetzung von Gene-Drive-Organismen untersagen sollte. Ein solcher Beschluss kam jedoch nie zustande. Stattdessen verständigten sich die Vertragsstaaten darauf, die Risikobewertung und internationale Leitlinien für einen möglichen Einsatz von Gene Drives weiterzuentwickeln.

So arbeiten Wissenschaftler daran, Gene Drives sicherer und besser kontrollierbar zu machen. Es wurden selbstlimitierende Systeme entwickelt, deren Ausbreitung räumlich oder zeitlich begrenzt ist. Andere Ansätze ermöglichen es, auf die Entstehung von Resistenzen zu reagieren oder einen Gene Drive nachträglich zu inaktivieren (e-CHACR) beziehungsweise wieder aus dem Genom zu entfernen (ERACR).

Um zu klären, ob sich Gene-Drive-Organismen auch unter natürlichen Bedingungen behaupten können, wären zunächst Freilandversuche in räumlich begrenzten Gebieten, etwa auf isolierten Inseln, erforderlich. Aus wissenschaftlicher Sicht rücken entsprechende Freilandversuche zunehmend in Reichweite.

Wie anspruchsvoll der Weg vom Labor in die Praxis ist, zeigte 2025 das Beispiel des westafrikanischen Landes Burkina Faso. Dort beendete die Regierung das Forschungsprojekt Target Malaria nach mehr als zehnjähriger Zusammenarbeit und der zuvor genehmigten Freisetzung einer kleinen Anzahl gentechnisch veränderter Mücken. Diese trugen noch keinen Gene Drive. Mit ihnen sollten Freilanddaten gewonnen werden. Gründe für die Entscheidung wurden nicht genannt. Der Fall verdeutlicht, dass über den möglichen Einsatz solcher Technologien auch politische und gesellschaftliche Prozesse entscheiden.