Broń genetyczna

Uciążliwość owadów nie musi się ograniczać do bezpośredniego atakowania ludzi. Wiele z nich atakuje uprawy lub zwierzęta. Jednym z przykładów takiego niepozornego, ale bardzo kłopotliwego owada jest pochodząca z Japonii Drosophila suzukii, nazywana u nas muszką plamkoskrzydłą.

Muszki potwory

To owad bardzo blisko spokrewniony ze znaną muszką owocówką (Drosophila melanogaster). Ta mała muszka, która objada się owocami, bywa uporczywa, ale nie jest niebezpieczna. Co innego jej bliska japońska kuzynka – Drosophila suzukii. Jest ona prawdziwym potworem – gigantycznym niszczycielem upraw owoców miękkich, takich jak maliny, truskawki, czereśnie czy brzoskwinie. A w dobie globalizacji i handlu międzykontynentalnego żywnością muszka rozprzestrzeniła się po świecie. Nie stwierdzono jej obecności jedynie na Antarktydzie. Do USA zawędrowała niespełna 10 lat temu, a już gdzieniegdzie, zwłaszcza w owocowych zagłębiach Kalifornii, potrafi zniszczyć 80 proc. upraw. W Polsce po raz pierwszy znalazła się w Wielkopolsce i na Podkarpaciu jesienią 2014 r. W plantacjach borówki amerykańskiej i maliny. Podlega w naszym kraju obowiązkowi natychmiastowego zwalczania.

Biorąc pod uwagę, że w jednym sezonie owocowym przy sprzyjających warunkach może się rozwinąć nawet kilkanaście pokoleń tego szkodnika, a każda samica składa ok. 350 jaj, szanse na zatrzymanie muszki plamkoskrzydłej bez żadnej interwencji są znikome. Jaja są składane przez nakłucie skórki owocu pokładełkiem tuż pod jej powierzchnią. Larwy rozwijają się w owocach, czasem po kilkanaście w jednym, co powoduje jego nieodwracalne zniszczenie. Gdy owad szybko rozwija wiele pokoleń (ma krótki czas generacji i wysoką płodność), istnieje poważne zagrożenie uodpornienia się szkodnika na środek zwalczający (w Polsce zarejestrowano 3 takie środki).

Walizka z bombą

Jak sobie poradzić z tym problemem skutecznie i nowocześnie? Chemia nie wchodzi w rachubę, gdyż przy uprawie owoców obecność zdrowych pszczół jest równie istotna jak nieobecność niepożądanej drozofili. A pszczoły i muchy należą do jednej owadziej rodziny dwuskrzydłych. Trudno jest zwalczać jedne, nie niszcząc drugich. Na przykład środek stosowany dziś w USA przeciw muszce plamkoskrzydłej jest dla pszczół wysoce toksyczny. Naukowcy zwrócili się więc w kierunku genetyki. W 2007 r. badaczom z California Institute of Technology w Pasadenie pod kierunkiem Bruce’a Haya udało się zaprzęgnąć technologię wymiany (czy nadpisywania) genów opartą na systemie CRISPR/Cas9 do stworzenia muszki, która rozniesie swoją „genetyczną paczkę” wśród przedstawicielek własnego gatunku. W przypadku tego eksperymentu modyfikacja genetyczna muszek nie oznaczała skrócenia ich życia. Przeciwnie, badaczom zależało na tym, żeby zmodyfikowane osobniki żyły długo i szybko rozprzestrzeniały się w swojej populacji. Jak modyfikacja działa? Co zmieniała?

Do genomu samicy muszki wbudowany został gen zabójczy dla rozwoju muszych zarodków. Zmodyfikowana samica staje się niczym Medea mordująca własne dzieci. Gen dla zarodków toksyczny ma jednak stosowny dla siebie gen – antidotum. Nie chodzi o to, by zabić zmodyfikowaną samicę. Nie chodzi też o to, by jedna z setek milionów samic nie mogła mieć potomstwa. Chodzi o to, by w danej populacji jakaś genetyczna modyfikacja rozprzestrzeniała się jak burza. Taką sytuację gwarantuje połączenie genu kodującego truciznę z genem kodującym antidotum. Zawsze będą szły w parze. Wyzwaniem są tu prawa genetyki. Jest niezwykle mało prawdopodobne, by dany gen rozprzestrzenił się w całej populacji. Normalnie, jeśli jeden gen ulegnie mutacji u muszki, to zobaczymy go tylko w niewielkim procencie u jej wnuków. Para trucizna–antidotum została zaprojektowana po to, by te zasady „przechytrzyć”. Będzie to taka genetyczna walizeczka, w której gen toksyny i antytoksyny to jedynie wieczko i denko tej walizki. Samoistnie są one dla muszki zabójcze, więc nie przeżyje żadna, która ma tylko jeden z nich. Przeżyją tylko te osobniki, które odziedziczą po rodzicach parę trucizna–antidotum (wieczko i denko walizki). Cała walizeczka gwarantuje przeżycie i dlatego rozprzestrzenia się w całej populacji. Ostatecznie po kilku pokoleniach każda drozofila ją ma. Kilka pokoleń w praktyce oznacza zaledwie połowę okresu rozrodczego. No i mamy walizkę, która sama z siebie nie jest dla muszek groźna. Po co więc cała ta zabawa? Otóż dr Anna Buchman z University of California w San Diego nauczyła się do tej walizki wkładać „bombę”. Może nią być gen, który „odpala” się pod wpływem jakiegoś czynnika środowiskowego albo chemicznego. Wystarczy np. jeden chemiczny oprysk albo wiosenny wzrost temperatury powyżej jakiejś wartości, by „bomba w walizce” została uruchomiona, unicestwiając całą populację muszek zamieszkujących jakiś obszar.

Potem komary

Na razie naukowcy przeprowadzają próby w warunkach laboratoryjnych. Zanim wyjdą z laboratorium na plantację, muszą być pewni, że sama genetyczna walizeczka utrzyma się przez wiele pokoleń. W kolejce czekają już inne uciążliwe owady, na które nie ma skutecznych środków ze względu na toksyczność wobec pszczół. Są to przede wszystkim komary, roznoszące groźne dla ludzi choroby pasożytnicze (malaria, filarioza), wirusowe (żółta febra, denga, wirus zachodniego Nilu, chikungunya i zika) czy bakteryjne (tularemia). Znalezienie sposobu ich zwalczania to zadanie trudniejsze, ponieważ ich genomy nie są dobrze znane. A gdy genom nie jest całkowicie rozpoznany, nie można stosować metody edycji genów CRISPR-Cas9.

Gdyby udało się na terenach malarycznych wytępić komary bez szkody dla środowiska naturalnego, można by uratować kilka milionów ludzi rocznie. Malaria to jedna z najbardziej śmiertelnych chorób na świecie. Od ponad 20 lat – stosując metody inżynierii genetycznej – naukowcy starają się rozwiązać problem. Może uda się tak zmodyfikować komary, by były odporne na zarodźca malarii? A może dałoby się je tak zmodyfikować, by częściej wykluwały się osobniki męskie, które nie gryzą, a więc nie zakażają? Takie zachwianie równowagi pomiędzy płciami z czasem doprowadziłoby populację tych owadów do zagłady. Najpierw jednak trzeba mieć system, który toksyczne dla komarów geny rozprowadzi w populacji. A tej walizeczki genetycznej dla komara nie udało się dotąd stworzyć.•