Blockierte Fortpflanzung: Mit Gentechnik gegen unerwünschte Insekten

Zahlreiche Insekten übertragen Krankheitserreger oder schädigen Nutzpflanzen. 2014 wurden in Brasilien erstmals gentechnisch veränderte Tigermücken mit einem „selbstlimitierenden“ Gen zugelassen, um Infektionen durch das Dengue- und Zika-Virus einzudämmen. Auch Freilandversuche in Florida waren viel versprechend. Denselben Ansatz verfolgt man auch bei Pflanzenschädlingen. Seit April 2021 ist ebenfalls in Brasilien der Einsatz gentechnisch veränderter Heerwürmer erlaubt, um die Schädlingspopulation in Schach zu halten.

Stechmücken sind die gefährlichsten Tiere der Welt: Sie übertragen die Erreger für einige der schlimmsten Infektionskrankheiten des Menschen, die oft tödlich verlaufen. Weltweit erkranken jedes Jahr rund 200 Millionen Menschen an Malaria, eine halbe Million Menschen sterben daran. Beim Dengue-Fieber sind es 50-100 Millionen Erkrankungen und 20.000 Todesfälle im Jahr.

In der Landwirtschaft sorgen Insekten für zum Teil erhebliche Ernteausfälle, entweder durch direkte Fraßschäden oder durch die Übertragung von Pflanzenkrankheiten. Zahlreiche Nutzpflanzen werden deswegen regelmäßig mit Insektiziden behandelt.

Aufgrund des weltweiten Reise- und Warenverkehrs werden heute immer wieder krankheitsübertragende Insekten und landwirtschaftliche Schädlinge auch in Mitteleuropa eingeschleppt. Durch die steigenden Temperaturen in Folge des Klimawandels können sie - oft aus tropischen und subtropischen Gebieten stammend - inzwischen auch bei uns überleben. Die Asiatische Tigermücke (Aedes albopictus) etwa ist immer häufiger auch in Deutschland anzutreffen, in Südwest-Deutschland haben sich bereits feste Populationen etabliert. Sie kann mehr als 20 zum Teil gefährliche Viren übertragen, etwa Dengue-, Zika-, Chikungunya- oder West-Nil-Viren. Und auch landwirtschaftliche Schadinsekten breiten sich immer weiter nach Norden aus, so die aus Asien stammende Kirschessigfliege (Drosophila suzukii). Zukünftig werden auch hierzulande effektive Bekämpfungsmaßnahmen gegen solche krankheitsübertragenden Insekten und landwirtschaftlichen Schädlinge immer wichtiger werden.

Wissenschaftler arbeiten daran, die Fortpflanzung unerwünschter Insekten durch gentechnische Veränderungen zu verhindern. Am weitesten fortgeschritten sind die Ansätze der britischen Firma Oxitec, einer Ausgründung der University of Oxford. Oxitec setzt dabei ein sogenanntes „selbstlimitierendes“ Gen ein: Es wird in das Erbgut männlicher Insekten eingeführt und sorgt dafür, dass nach der Paarung der Nachwuchs schon im Larvenstadium stirbt. Das Gen beeinflusst die Aktivität anderer Gene und setzt wichtige Zellfunktionen außer Kraft. Schon 2009 führte Oxitec die ersten Freisetzungsversuche mit gentechnisch veränderten (gv) Ägyptischen Tigermücken (Aedes aegypti) auf den Cayman-Inseln, in Malaysia, Panama und Brasilien durch. Ägyptische Tigermücken übertragen verschiedene tropische Viren wie Dengue, Chikungunya und Zika. Freigelassen wurden nur männliche Mosquitos.

Die erste kommerzielle Nutzung der gv-Tigermücken (OX513A) erfolgte 2014 in Brasilien. Die Stadt Piracicaba im Bundesstaat São Paulo war die erste Gemeinde, in der 2015 in einem Stadtteil mit 5000 Einwohnern gv-Mücken ausgesetzt wurden. Auch in anderen Städten Brasiliens wurden seitdem gv-Mücken freigelassen. In den betroffenen Stadtbezirken gingen die Mückenpopulationen um mehr als 80 Prozent zurück und entsprechend auch die Zahl der Infektionen in der Bevölkerung.

Inzwischen hat Oxitec die gv-Tigermücken so weiterentwickelt (2. Generation, OX50340), dass nur der weibliche Nachwuchs stirbt (nur die Weibchen stechen und übertragen Krankheitserreger). Die männlichen Mücken tragen das „selbstlimitierende“ Gen in die nächste Generation weiter. Da das Gen an jeweils die Hälfte der Nachkommen weitergegeben wird, verbleibt es länger in der Mückenpopulation, nimmt aber mit der Zeit ab. Gv-Mücken der zweiten Generation wurden im Mai 2020 in Brasilien zugelassen.

Auch in den USA haben die Oxitec-Mücken 2020 grünes Licht erhalten für ein Pilotprojekt in Florida. Ab April 2021 wurden an verschiedenen Standorten über sieben Monate fünf Millionen gv-Tigermücken freigesetzt. Auch in Texas sind Freisetzungen geplant. Die beiden Bundesstaaten haben seit einem Zika-Ausbruch 2016 mit Infektionen durch das Virus zu kämpfen. Für die Florida-Freisetzung liegen bereits erste positive Ergebnisse vor. Die gv-Insekten verhielten sich wie geplant. Das „selbstlimitierende“ Gen überdauerte in der Population zwei bis drei Monate.

Oxitec arbeitet seit 2018 zusammen mit der Bill & Melinda Gates-Stiftung daran, die Technologie auch bei verschiedenen Anopheles-Mückenarten anzuwenden, die Malaria übertragen. Die Projekte befinden sich derzeit noch in einem frühen Stadium der Entwicklung.

Neben den Oxitec-Ansätzen gibt es inzwischen eine Reihe anderer Projekte von Forschungsinstituten, die mit Hilfe gentechnischer Methoden die Übertragung von Infektionskrankheiten durch Insekten eindämmen sollen. Unter dem Dach von Target Malaria, einem gemeinnützigen Forschungsverbund, wurden z.B. im Juli 2019 erstmals gv-Anopheles-Mücken in Burkina Faso freigesetzt, bei denen die Männchen durch Gentechnik steril gemacht wurden.

Neben den klassischen Gentechnik-Methoden werden heute auch zunehmend die neuen Genome Editing-Verfahren angewandt, um Insektenpopulationen einzudämmem. Mit Hilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas konnten Wissenschaftler in den USA und in Großbritannien beispielsweise zeigen, dass die gezielte Veränderung bestimmter Gene dazu führt, dass weibliche Mücken ihre Flugfähigkeit verlieren, die sie für Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung brauchen.

Bei einigen Projekten wird auch daran gearbeitet, die veränderten Merkmale mit Hilfe von CRISPR/Cas mit einem Gene drive zu kombinieren. Dieser sorgt dafür, dass sich die neuen Erbinformationen in den jeweiligen Populationen schnell von selbst verbreiten. Die Notwendigkeit einer wiederholten Freilassung von gv-Mücken könnte damit umgangen werden. Allerdings ist die Möglichkeit eines Gene Drive auch unter Wissenschaftlern nicht unumstritten, da mögliche Folgen für die Ökosysteme nicht absehbar seien. Bis die Methode in der Praxis eingesetzt werden könnte, ist noch viel Forschung erforderlich.

„Sterblichkeits-Gen“ auch bei Pflanzenschädlingen

Bisher werden Schadinsekten an landwirtschaftlichen Nutzpflanzen vorwiegend mit Insektiziden bekämpft. Deren Einsatz ist aber umstritten, da die Mittel oft nicht spezifisch genug wirken und neben den Schädlingen auch nützliche Insekten abtöten. Den Ansatz, Insektenpopulationen durch ein „selbstlimitierendes“ Gen drastisch zu reduzieren, verfolgt die Firma Oxitec deshalb seit vielen Jahren auch bei Pflanzenschädlingen. In Brasilien wurden im April 2021 erstmals gv-Herbst-Heerwürmer (Spodoptera frugiperda) von Oxitec für den Einsatz in der Landwirtschaft zugelassen. Der Herbst-Heerwurm, ein Kleinschmetterling, stammt ursprünglich aus Amerika. Die Larven treten oft massenweise auf und verursachen große Schäden, vor allem an Mais. Seit 2016 breitet sich die Art auch in Afrika und Südostasien aus und bedroht dort die Maisernte.

Oxitec hat auch bereits verschiedene andere Pflanzenschädlinge mit einem „Sterblichkeits-Gen“ ausgestattet so die Kohlmotte, die Mittelmeer- und Olivenfruchtfliege, die Kirschessigfliege, den Baumwollkapselwurm und den Sojabohnenschleifer. Gv-Kohlmotten wurden bereits 2017 in den USA im Freiland getestet. Die Kohlmotte (Plutella xylostella) verursacht weltweit immense Schäden vor allem bei Kohlgewächsen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz der gv-Motten eine wirksame Schädlingsbekämpfung ermöglichen könnte.

Nach zahlreichen Versuchen in geschlossenen Glashäusern in Australien, Griechenland und Marokko, sind auch Freilandversuche mit gv-Mittelmeerfruchtfliegen (Ceratitis capitata) geplant. Die Fruchtfliege befällt eine ganze Reihe an Kulturpflanzen, v.a. Zitrusfrüchte, aber auch Mangos, Feigen, Kaffee und Pfirsiche. Die Larven entwickeln sich im Fruchtfleisch und zerstören es dadurch. Außerdem sind die Bohrlöcher Eintrittspforten für sekundäre Schaderreger wie Pilze und Bakterien.

Auch mehrere Forschungsinstitute arbeiten daran, Schadinsekten mit Hilfe von Gentechnik oder Genome Editing einzudämmen. Die meisten Projekte befinden sich noch im Bereich der Grundlagenforschung. Erfolgreiche Anwendungen beschränken sich bisher noch auf relativ wenige Insektengruppen (u. a. Motten, Fliegen, Heuschrecken). Das liegt vor allem daran, dass der Einsatz von Genome Editing technische Schwierigkeiten mit sich bringt: Das bei Tieren übliche Einbringen der molekularen Scheren in die Eier durch Mikroinjektion ist sehr kompliziert. Aber auch hier kommt die Forschung voran. Bei einigen Arten konnte bereits geklärt werden, ob und wie ein Eingriff mit CRISPR/Cas überhaupt möglich ist, z.B. bei der Olivenfruchtfliege (Bactrocera oleae) und bei der Tabakmottenschildlaus (Bemisia tabaci).

L = Labortests, F = Freilandversuche, E = frühe Entwicklungsphase