Forscher in Kalifornien züchten genetisch veränderte Mücken, die gegen den Malariaerreger immun sind. In der Freiheit könnten sie sich so vermehren, dass immer mehr immune Populationen entstehen, hoffen die Forscher.
Die Moskitos, die in Zukunft vielleicht einmal Millionen Menschenleben retten werden, leben in einem Keller in Südkalifornien, den nur eine Handvoll Personen betreten darf. Hinter zwei schweren Stahltüren, von denen sich jeweils nur eine öffnen lässt, wenn die andere geschlossen ist, schwirren sie in Popcorn-Bechern herum und saugen Blut von Kühen in sich auf.
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Es sind Mücken der Gattung Anopheles stephensi. In Indien gelten sie als wichtigster Überträger von Malaria. Die Insekten im US-Exil sind dazu allerdings nicht fähig. Denn die Arbeitsgruppe von Anthony James an der University of California in Irvine hat ihnen zwei Gene eingesetzt, die den Malaria-Erreger ausschalten.
Doch das ist noch nicht alles: Würden die Insekten aus den Popcornbechern sich mit wilden Anopheles stephensi paaren, könnten auch die Mücken der folgenden Generation keine Menschen mehr mit Malaria anstecken. Ebenso wenig deren Nachkommen und die Nachkommen der Nachkommen.
Lange, mühevolle Forschungsarbeit
Fast seine gesamte Karriere hat der 65-jährige James auf dieses Ziel hingearbeitet. Er kennt die Genetik der Mücken in- und auswendig, er hat die Konstrukte in ihrem Erbgut erfunden, die verhindern, dass die Insekten den Malaria-Parasiten weitergeben. Doch der letzte und entscheidende Schritt – dass sich diese Eigenschaft in einer Population verbreitet – daran haben seine Mitarbeiter und er sich die Zähne ausgebissen.
Alles was sie ausprobierten, funktionierte nicht so wie gewünscht. Doch jetzt ist James’ Moment gekommen: Im vergangenen Jahr wurde ein einfacher wie effektiver Trick erfunden, der die Gen-Mücken zu einer neuen Alternative der Krankheitsbekämpfung machen kann.
Diese Technologie heißt Gene Drive. Sie verleiht einem Gen Superkräfte bei der Vererbung. Während sonst bei sexueller Fortpflanzung stets ein Gemisch von väterlichen und mütterlichen Erbanlagen entsteht, setzt sich beim Gene Drive immer das manipulierte Merkmal durch.
Ein Gen ist stärker als die anderen
Im Fall von Anthony James’ Mücken heißt das: Ein paar Gene-Drive-Insekten könnten theoretisch innerhalb weniger Generationen ein ganzes Moskito-Volk immun gegen den Malaria-Erreger machen. Ohne weiteres menschliches Zutun. Auch für Tigermücken, die Dengue, Gelbfieber oder Zika übertragen können, sind Gene Drives in Entwicklung. Ließen sich also globale Gesundheitsprobleme durch die Freisetzung von ein paar Gene-Drive-Mücken lösen?
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WHO warnt: Malaria bleibt große Bedrohung
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WHO warnt: Malaria bleibt große Bedrohung
Die Idee ist auch deshalb so verführerisch, weil der Erfolg aller anderen Maßnahmen gegen Mücken davon abhängt, dass Menschen sie anwenden. Dass sie Insektizide versprühen, stehendes Wasser beseitigen, in dem die Mücken brüten können, zum Schlafen unter imprägnierte Netze kriechen, und zwar regelmäßig, täglich, für immer. Genau deshalb sind auch schon so viele Versuche gescheitert. Entweder die Menschen lassen die Bekämpfung schleifen, oder die Mücken gewöhnen sich an die eingesetzten Chemikalien – sie sind bereits heute gegen zahlreiche Insektengifte resistent.
Effizienter als der Einsatz sterilisierter Moskitos
Die neue Methode wäre viel effizienter und billiger als der Einsatz von Insektiziden. Und auch die Nutzung “normaler” durch Genmanipulation sterilisierter Moskito-Männchen wäre nicht so nachhaltig. Diese Technik setzt darauf, dass sterile Männchen sich mit Mückenweibchen paaren, die dann keinen Nachwuchs mehr zeugen. Doch von den Männchen müssten immer wieder riesige Mengen ausgesetzt werden, um eine Wirkung zu erzielen.
Die Stiftung von Microsoft-Gründer Bill Gates und seiner Frau Melinda hat ihre Förderung für die Gene-Drive-Forschung im September von 40 auf 75 Millionen US-Dollar aufgestockt. Gates glaubt, die Technologie könne bereits in zwei Jahren eingesetzt werden. “Die Möglichkeit liegt direkt vor uns, wir müssen nur zugreifen”, sagt der Genetiker Francis Collins, Direktor der amerikanischen Gesundheitsbehörde NIH.
Das Erbgut selbst bedient die Genschere
Aber sollen wir wirklich zugreifen? Insekten, die frei in der Umwelt fremde Gene verbreiten, sind eine andere Kategorie als genmanipulierte Mäuse, die nie ein Labor von außen sehen. Gene Drive ist ein Spiel mit der Evolution.
Was, wenn sich das DNA-Konstrukt unbeabsichtigt auf andere Arten überträgt? Oder wenn zufällige Mutationen sich per Turbo-Vererbung verbreiten, die Malaria noch gefährlicher machen? Wer soll über den Einsatz von Lebewesen entscheiden, die an Landesgrenzen nicht Halt machen? Kritiker wittern eine Büchse der Pandora: Einmal in der Welt, lassen sich die Übel nicht zurückholen.
Gene Drive wurde durch die 2012 entdeckte Molekular-Schere Crispr/Cas9 möglich. Damit lassen sich Veränderungen am Erbgutmolekül DNA in einer Präzision vornehmen, die vorher nicht oder nur mit hohem Aufwand zu erreichen waren.
Beim Gene Drive bleibt es aber nicht beim Entfernen oder Hinzufügen einzelner Gene. Wissenschaftler bauen das Crispr/Cas9-Werkzeug gleich mit in das Erbgut ein. Dort spürt das System fortan wie ein Jagdhund jede ursprüngliche Version des veränderten Gens auf. Zum Beispiel, wenn bei der Paarung eine unerwünschte Genvariante dazukommt. Cas9 entfernt diesen DNA-Schnipsel, und die Zellen bauen stattdessen eine Kopie des manipulierten Gens ein. So entstehen bei der Fortpflanzung im Idealfall ausschließlich Zellen mit den erwünschten Genvarianten.
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Mit Vorsorge gegen Malaria
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Mit Vorsorge gegen Malaria
Unerwünschte Effekte nicht auszuschließen
In Anthony James’ Labor hat diese Turbo-Vererbung bei den Malaria-Mücken gut geklappt. Ein Test, ob die beiden eingebauten Gene wirklich die Verbreitung des Malaria-Erregers stoppen, steht noch aus. In früheren Experimenten ohne Gene Drive hat dies jedoch funktioniert.
Aber die meisten Fragen, wie sich Gene-Drive-Mücken auswirken, sind ungeklärt. Crispr/Cas9 ist zwar im Vergleich zu früheren Techniken ein präziseres DNA-Werkzeug. Doch schneidet die Molekül-Schere auch mal an Stellen, wo das nicht beabsichtigt war. Diese sogenannten Off-Target-Effekte könnten überhaupt keine Folgen haben. Sie könnten aber auch bewirken, dass etwas völlig Unvorhersehbares mit einer betroffenen Mücke passiert.
Und schließlich sind Moskitos auch enorm anpassungsfähig, sie haben gegen so gut wie alle Insektizide Resistenzen entwickelt. Warum sollten Mücke oder Erreger nicht auch gegen die Gene-Drive-Behandlung unempfindlich werden? Bestehende Gesetze zur Freisetzung von gentechnisch manipulierten Organismen decken die Möglichkeiten der Methode überhaupt nicht ab. Selbst wenn es doppelt oder dreimal so lange dauert, wie von Gates avisiert, Gene-Drive-Mücken einsatzbereit zu machen, ist das womöglich immer noch zu schnell, um alle Risiken zu identifizieren.
Forschung nur dort, wo die Tiere nicht heimisch sind
Trotz Doppel-Stahltür leben wegen der mit der Technologie verbundenen Risiken in Anthony James’ Kellerlabor keine Tigermücken mehr, die Überträger von Dengue und Zika. James hat die Insekten verbannt, denn Tigermücken sind auch in Kalifornien heimisch. Falls also ein Insekt entkommen wäre, hätte es theoretisch überleben und sich fortpflanzen können. “Es ist besser, wenn woanders an Gene Drives bei Tigermücken gearbeitet wird”, sagt James. “In Großbritannien besteht dieses Risiko zum Beispiel nicht.”
Trotz der schwer abzuschätzenden Risiken plädieren einige Forscher bereits für noch radikalere Lösungen. Sie möchten die wichtigsten krankheitsübertragenden Mückenarten gleich komplett ausrotten. Am Londoner Imperial College wurden Anopheles-Mücken so verändert, dass Weibchen durch den Gene Drive steril werden. Die Wissenschaftler argumentieren, dies sei sicherer, als nur das Virus auszuschalten. Schließlich könne die Malaria-Resistenz durch Mutationen wieder verloren gehen.
Anthony James überzeugt das nicht: “Ich halte es für sehr unwahrscheinlich, dass man wirklich alle Malaria-Mücken in einer Region mit einem Kill-Mechanismus erwischen kann. Irgendwo werden immer welche unentdeckt übrig bleiben und sich dann umso stärker vermehren.” Außerdem würde bei seiner Gene-Drive-Variante, die nur den Krankheitserreger stoppt, keine Art aus dem Ökosystem entfernt, wo sie womöglich eine wichtige Rolle spielt.
Computermodelle, die solche ökologischen Effekte abbilden, müssten aber noch erheblich weiterentwickelt werden, bevor sie überhaupt für eine Risikoabschätzung geeignet seien, bemängeln die National Academies of Science, ein Beratergremium der US-Regierung.
“Wir kennen diese Mücken und ihr gesamtes Erbgut wirklich ganz genau, wir können einen Gene Drive so konstruieren, dass das Risiko minimiert wird”, sagt Anthony James. Mücken bewegen sich zudem meist nur in einem Radius von rund 100 Metern. Ein in einem afrikanischen Dorf freigelassenes Insekt würde sich also nicht blitzschnell über die Welt verbreiten – wenn überhaupt, würde das sehr lange dauern. Viele der Ängste hält James deshalb für übertrieben.
Notbremse falls es schief geht
Wenn Wissenschaftler den Gene Drive beispielsweise auf Gene ausrichten, die nur in Mücken vorkommen, bliebe eine Übertragung auf andere Organismen folgenlos. Auch die Machart des Gene Drive selbst hat sich seit den ersten Veröffentlichungen bereits weiterentwickelt. Der Turbo-Vererbungsmechanismus kann beispielsweise durch einen weiteren Gene-Drive überschrieben werden – eine Art Notbremse für den Gen-Turbo.
Ein anderes Verfahren, das “Daisy Drive” getauft wurde, schaltet den Gene-Drive-Mechanismus nach einer Zeit von selbst ab. Der Biochemiker Kevin Esvelt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) sagt aber auch: “Es ist unmöglich, jedes erdenkliche Risiko dieser Technologie zu antizipieren.”
Unter dem Strich bleibt die Frage, ob es ethisch verboten oder geboten ist, die Technik zu nutzen – angesichts von Hunderttausenden Malariatoten pro Jahr? “Nichtstun resultiert auf jeden Fall in Leiden und Tod”, gibt Anthony James zu bedenken. Daraus eine moralische Verpflichtung abzuleiten, die Methode einzusetzen, geht ihm aber zu weit. Einige seiner Kollegen tun das, sagt der Amerikaner.
Die Bill & Melinda-Gates-Stiftung hält die Gene-Drive-Technologie bereits jetzt für unverzichtbar, um Malaria auszurotten. Im Oktober versprach auch der indische Milliardär Ratan Tata Forschern der University of California in San Diego 70 Millionen US-Dollar, um die Technologie zu erforschen und indische Biologen darin auszubilden.
Doch so groß der Optimismus auch ist, die Technologie steckt noch im Anfangsstadium. Und die Natur bleibt unberechenbar, wie auch Anthony James bei einem Feldversuch mit genmanipulierten Mücken in Mexiko feststellen musste. Seine damals noch ohne Vererbungs-Turbo genveränderten Mücken-Männchen sollten sterile weibliche Nachkommen zeugen. Im Labor hatte das wunderbar funktioniert und Moskitovölker nach einigen Wochen zuverlässig ausgelöscht. Allein, in den großen Freiluftkäfigen, bei realen Wetterbedingungen, wollten sich die Weibchen einfach nicht mit den Gentech-Männchen paaren.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenEin Moskito schlägt zu
Das sicher gefährlichste Tier Afrikas ist die etwa sechs Millimeter kleine Anopheles-Mücke: Sie überträgt Malaria. An dieser Infektionskrankheit sterben jährlich rund eine halbe Million Menschen. Malariaerkrankte leiden an hohem wiederkehrendem Fieber, Schüttelfrost und Krämpfen. Vor allem bei kleinen Kindern kann die Krankheit schnell zum Tode führen.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenAlles beginnt in der Mücke
Sticht die Anopheles-Mücke einen infizierten Menschen, nimmt sie den Malariaerreger auf; beim nächsten Stich gibt sie ihn an einen anderen Menschen weiter. Forscher haben die Erreger hier im Bild mit einem grün leuchtenden Eiweiß markiert. Wie das grüne Leuchten verrät, vermehren sich die Parasiten im Darm der Mücke und sammeln sich schließlich in ihren Speicheldrüsen.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenErreger für die Forschung ernten
Der biologische Name des Malarierregers lautet Plasmodium. Um ihn zu untersuchen, entfernen Forscher infizierten Anopheles-Mücken die Speicheldrüsen und isolieren daraus den Parasiten. Denn im Speichel der Mücke reichert sich die infektiöse Form des Parasiten an – Experten nennen diese Form Sporozoiten. Rechts im Bild ist die Mücke zu sehen, in der Mitte deren entnommene Speicheldrüsen.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenMücke – Mensch – Mücke
Tatsächlich ist der Mensch nur der Zwischenwirt des Malariaparasiten, Endwirt ist die Mücke. In uns vermehrt sich der Erreger ungeschlechtlich: erst in der Leber, dann in den roten Blutkörperchen. Ein Teil der Parasiten bildet schließlich weibliche und männliche Zellen. Diese werden von einer Mücke aufgenommen und pflanzen sich in ihr geschlechtlich fort. Der Kreis schließt sich.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenMalariaerreger laufen im Kreis
Da die Malariasporozoiten gekrümmt sind, bewegen sie sich im Kreis, wenn Forscher sie wie hier auf ein Stück Glas mit Flüssigkeit aufbringen. Die Parasiten sind gelb eingefärbt, ihre Bewegungsbahn ist blau. Die Erreger sind schnell: Für einen Kreis benötigen sie nur etwa 30 Sekunden. In ihren Wirten werden sie durch Hindernisse von der Kreisbahn abgelenkt und laufen dann auch geradeaus.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenZwölf Tage zwischen Stich und Krankheitsausbruch
Im Mensch nistet sich der Malariaerreger zunächst für einige Tage in der Leber ein. Währenddessen merkt der Betroffene nichts. Erst wenn der Parasit sich in der Leber zu kleinen traubenförmigen Merozoiten umgewandelt hat, die das Organ verlassen und die Blutkörperchen befallen, fühlt sich der Patient krank.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenMalariaerreger im Blut
Die Parasiten brauchen ein bis drei Tage, um sich in den roten Blutkörperchen zu vermehren. Dann zerfallen die Blutzellen und setzen viele reife Malariaerreger und giftige Substanzen aus dem Stoffwechsel der Parasiten frei. Die Folge: Fieberschübe. Unter dem Mikroskop ist die Krankheit nach Anfärbung leicht zu diagnostizieren: Die lila gefärbten Erreger fallen im Blutabstrich sofort auf.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenRund um den Äquator
Malaria ist eine typische Tropenkrankheit: Sie tritt dort auf, wo es heiß und feucht ist. Einige Wissenschaftler hatten befürchtet, dass sich die Malaria aufgrund des Klimawandels ausbreiten werde. Neuere Studien kommen zu einem anderen Ergebnis: Tatsächlich nehme ihr Verbreitungsgebiet kontinuierlich ab, da immer mehr Sümpfe trockengelegt würden.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenMoskitonetze = Lebensretter
Das beste Mittel gegen Malaria ist, gar nicht erst von einer Mücke gestochen zu werden. Dabei helfen Repellents – Mückenabwehrmittel zum Eincremen – und natürlich Moskitonetze, deren feine Maschen die Mücken fernhalten. Unter einem Moskitonetz zu schlafen, kann Leben retten!
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenDoppelter Schutz
Forscher haben ein Moskitonetz entwickelt, das besonders schützen soll: In die Fasern der Netze ist ein Insektizid eingewebt, welches kontinuierlich frei wird. Der Wirkstoff tötet alle Mücken, die sich auf dem Moskitonetz niederlassen.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenGiftwaffe gegen Malaria
Nimmt die Malariagefahr überhand, greifen Betroffene oft zu harten Mitteln und versprühen massenweise Insektengift, so wie hier im indischen Mumbai. Ein solches Insektizid ist die Substanz DDT – wirkungsvoll gegen Mücken, aber als Teil des “dreckigen Dutzends” schlecht für Gesundheit und Umwelt: Es ist sehr langlebig und reichert sich in der Nahrungskette an.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenSchnelle Diagnose
Malaria-Schnelltests weisen innerhalb von Minuten Malariaerreger in einem Tropfen Blut nach. Hier untersuchen die “Ärzte ohne Grenzen” einen Jungen im afrikanischen Mali. Sein Test ist positiv. Der Junge bekommt Medikamente und ist zwei Tage später wieder gesund. Solche Schnelltests funktionieren allerdings nicht immer zuverlässig.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenWettlauf gegen die Zeit
Medikamente zerstören den Parasiten im Blut oder verhindern, dass er sich weiter vermehren kann. Allerdings werden die Erreger mit der Zeit resistent gegen den Wirkstoff – einige Medikamente wie Chloroquin wirken in vielen Gegenden schon nicht mehr. Auch Medikamentenfälschungen mit zu wenig Wirkstoff fördern Resistenzen. Einziger Ausweg: neue Arzneien zu entwickeln.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenAusweg Impfung?
Eine Impfung gegen Malaria gibt es bisher nicht. Forscher arbeiten aber eifrig daran. Eine Pilotstudie zum Impfstoff RTS,S könnte Erfolg versprechen. Genaueres weiß man jedoch erst in einigen Jahren, wenn die Daten der Studien vorliegen. Die WHO hegt Zweifel: Die Effektivität des Malaria-Vakzins sei zu begrenzt und die dafür nötige Impfroutine zu aufwendig.
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Malaria – ein einziger Mückenstich kann tötenGut gebettet gegen die Malaria
Auch mit dem neuen Impfstoff – sollte er denn kommen – heißt es demnach weiterhin: Sich vor Mückenstichen zu schützen ist das A und O.