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Pestizide: Mit RNA gegen Schädlinge

Pestizide auf Basis von RNA-Interferenz töten Insekten, indem sie Gene stilllegen. Sie erzeugen keine giftigen Rückstände und lassen Bestäuber in Ruhe - theoretisch jedenfalls.
Ein Trecker versprüht eine Flüssigkeit über Jungpflanzen auf einem Feld.Laden...

Bei dem Embryo ist in der Entwicklung etwas gründlich schiefgegangen. Das ist Jan, einem angehenden Biologen, auf den ersten Blick klar: »Das sieht erheblich anders aus als normal.« Jan sucht vergeblich die Beine. Normalerweise könnte er sie bei den Insekten in diesem Stadium schon erkennen. Auch wo Insekten für gewöhnlich in Segmente unterteilt sind, ist bei diesem Tier nur ein einheitlicher Körper zu erkennen; außerdem fehlen zwei der Mundwerkzeuge.

Im Seminarraum der Georg-August-Universität in Göttingen schauen Jan und andere Studentinnen und Studenten Embryonen des Rotbraunen Reismehlkäfers (Tribolium castaneum) unter dem Lichtmikroskop an. Er ist zufrieden: Dass dieser Käferembryo sich so schlecht entwickelt hat, bedeutet, dass sein Experiment geglückt ist. Jan hat in dem Embryo vor einer Woche das so genannte Hunchback-Gen abgeschaltet, und zwar mittels einer Methode namens RNA-Interferenz (RNAi).

Wie die funktioniert und welche Rolle die einzelnen Käfergene in der Entwicklung der Tiere spielen – genau das bringt Gregor Bucher seinen Studierenden in diesem Kurs bei. Der Professor leitet die Abteilung Evolutionäre Entwicklungsgenetik an der Universität Göttingen. Im Projekt iBeetle haben Buchers Team und er fast sämtliche Gene des Reismehlkäfers durchprobiert.

Pestizide aus der Grundlagenforschung

Ihre Arbeit dient zuerst einmal der biologischen Grundlagenforschung. Fast alles, was über die Gene von Insekten bekannt ist, weiß man von der Taufliege Drosophila melanogaster. Doch was in der Fliege stimmt, kann im Käfer falsch sein. Zum Beispiel bildet die Fliege ohne Hunchback-Gen einen Buckel. Der ist beim Reismehlkäfer nicht zu finden.

Bei den meisten Genen hat Buchers Forschung interessante Erkenntnisse gebracht – etwa beim Hunchback-Gen. 10 bis 20 Prozent der Käfergene dagegen lieferten keine Einsichten in ihre Funktion: »Bei denen sterben die Tiere, bevor sie Nachkommen machen«, sagt Bucher: »Das war für uns zunächst einmal eine Enttäuschung.« Aber dann kam Bucher eine andere Idee: »Das kann man ja verwenden für die Schädlingsbekämpfung, das ist ja eigentlich sogar ziemlich cool, dass die Tiere sofort sterben.«

Seit die Menschen unerwünschten Insekten mit Gift zu Leibe rücken, hatten die Tiere bei diesem Wettrüsten immer die Nase vorn, sagt Gregor Bucher: »Bisher haben die Insekten gezeigt, dass sie gegen alles resistent werden, was man gegen sie macht.« Beim Kartoffelkäfer (Leptinotarsa decemlineata) zum Beispiel liegt es daran, dass er sehr viel frisst, sehr effektiv entgiftet und sehr viel Nachwuchs hat: je mehr Nachkommen, desto größer die Chance, dass einer davon besser mit dem Gift zurechtkommt und sich weiter fortpflanzen kann.

Pestizidforschung ist schwierig

Um neue Mittel zu finden, probieren Chemiefirmen alle möglichen Wirkstoffe an verschiedenen Insektenarten aus. DDT, Pyrethroide, Neonikotinoide – immer wieder fanden sie neue Substanzen mit vermeintlichen Vorteilen: weniger toxisch für den Menschen und andere Organismen, die verschont bleiben sollen etwa.

Die Anforderungen an neue Wirkstoffe sind groß: »Die Wahrscheinlichkeit, dass man etwas Neues findet, was nicht tödlich ist, was dem Menschen nichts ausmacht, was auch biologisch abbaubar ist, ist so gering, dass man eben wahnsinnig viele Substanzen screenen muss«, sagt Gregor Bucher: »Das heißt, es wird immer teurer, und deswegen sind natürlich alle auf der Suche nach ganz neuen Methoden, die einen ganz anderen Mechanismus haben.« Buchers RNAi ist eine solche Methode. Eine Methode, die zudem verspricht, wirklich nur die Insekten zu töten, die das Gift treffen soll.

»Das ist ja eigentlich sogar ziemlich cool, dass die Tiere sofort sterben«(Gregor Bucher, Professor für evolutionäre Entwicklungsgenetik, Universität Göttingen)

Im Kern jeder Zelle ist der komplette Bauplan für den Organismus in der DNA gespeichert. Die DNA besteht aus zwei Strängen mit einer bunten Folge von Basen, die wie die Zähne eines Reißverschlusses ineinandergreifen. Wenn eine Zelle ein Protein herstellen soll, öffnet sie den Reißverschluss und schreibt nur den kurzen Teil der DNA ab, den sie für die Bauanleitung dieses einen Proteins benötigt.

RNA-Interferenz

Die Anleitung besteht aus dem Botenstoff Ribonukleinsäure (RNA). Sie verlässt den Zellkern und dient der Zellmaschinerie als Vorlage für das gewünschte Protein. RNA kommt in praktisch jedem Lebewesen auf diesem Planeten vor und besteht aus einem etwas anderen Material als die DNA, die beiden lassen sich nicht verwechseln. Und normalerweise hat RNA lediglich einen einzelnen Strang – sie ist also nur ein halber Reißverschluss. Wenn plötzlich doppelsträngige RNA in einer Zelle auftaucht, wird das Immunsystem hellhörig, denn viele Viren haben als Erbsubstanz doppelsträngige RNA.

»Die Zelle weiß: Sobald ich doppelsträngige RNA sehe, muss das ein Virus sein«, sagt Gregor Bucher. Die Reaktion: »Proteine der Zelle zerhäckseln die doppelsträngige RNA und nehmen diese Schnipsel als Vorlage, um alles zu zerstören, was genau wie diese Schnipsel ausschaut.« Krankheit erfolgreich abgewehrt – zumindest, wenn da tatsächlich ein Virus in die Zelle eingedrungen ist.

Wenn aber Gregor Bucher oder seine Studierenden einem Reismehlkäfer doppelsträngige RNA injizieren, die zum Beispiel mit dem Hunchback-Gen des Insekts identisch ist, dann schaltet der Käfer sein eigenes Gen aus. Sein Immunsystem hält diese Sequenz für Erbinformation eines Virus, und der Käfer kann das Gen nicht mehr in Proteine übersetzen. Mehr noch: Die Proteinbremse wirkt auch in den Eizellen der weiblichen Käferpuppe. Ihre Nachkommen können dieses Protein ebenfalls nicht mehr herstellen. Und sehen dann so aus wie bei den Studenten im Kurs.

Von Schädlingsbekämpfung jedoch hat Bucher keine Ahnung. Außerdem ging ihm das Geld aus – er hätte aufhören müssen, die Funktionen der Reismehlkäfer-Gene zu erforschen. Stattdessen wandte er sich an das Unternehmen Bayer und stieß dort auf großes Interesse. Das Geld des Konzerns erlaubte ihm, die Screens weiterzuführen. Gregor Bucher und sein Team fanden heraus: Bei insgesamt 200 Genen starben die Käfer sehr schnell. Das sind ihre Kandidaten für RNAi-Insektengifte. »Und diese tödlichen Gene kamen sofort in die Hände von Leuten, die wissen, wie man diese Erkenntnisse in die Anwendung bringt.«

Vom Labor aufs Feld

Ganz neu war den Entwicklerinnen und Entwicklern bei Bayer die Idee mit RNA-Interferenz als Insektengift allerdings nicht. Auf dem Forschungscampus des Chemieriesen Bayer in St. Louis im US-Bundesstaat Missouri, vormals Monsanto, haben sie schon in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts einen genmodifizierten Mais entwickelt, den Bt-Mais, der Gift des Bakteriums Bacillus thuringiensis gegen den Westlichen Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera virgifera) herstellt.

In den USA heißt das Insekt der »Eine-Milliarde-Dollar-Käfer«, weil es so große Schäden anrichtet. Seine Larven fressen die Wurzeln der Maispflanzen an. Die Stängel kippen um oder trocknen aus.

In den letzten zehn Jahren erweiterten die Bayer-Entwickler den Bt-Mais um die RNAi-Methode: Heraus kam MON 87411. Sie haben eine ganze Reihe von Genen ausprobiert und sich dann das Gen SNF7 ausgesucht. Es enthält den Bauplan für ein überlebenswichtiges Protein, das der Käfer braucht, um Proteine an der Oberfläche seiner Zellen wiederzuverwerten. »Das klingt wenig dramatisch« sagt Greg Hack, Science Strategy Operations Manager bei Bayer in St.  Louis: »Wenn dieser Prozess allerdings stoppt, kann der Käfer sich nicht mehr ernähren oder wachsen – er stirbt.«

»Doppelsträngige RNA wirkt weniger schnell als ein herkömmliches Insektengift, auch weniger schnell als ein Bt-Toxin, aber sie ist sehr effektiv«(Greg Hack, Science Strategy Operations Manager bei Bayer in St. Louis)

Die Methode funktioniert. In den USA und einigen anderen Ländern hat die Firma bereits eine Zulassung erhalten. Längst gehören Untersuchungen zu Resistenzen zum Zulassungsprozess in den USA: Darum haben die Bayer-Entwickler auf ihrem Feld mit RNAi-Mais die wenigen ausgewachsenen Maiswurzelbohrer eingesammelt, die sie finden konnten. »Im Labor haben wir daraus einen resistenten Stamm züchten können«, sagt Greg Hack, »Resistenzen sind also bereits in kleinem Maß vorhanden.«

Resistenzen werden von Anfang an bekämpft

Hack und sein Team wollen die Ausbreitung dieser Resistenzen verhindern. Sie lassen MON 87411 den Maiswurzelbohrer in die Zange nehmen: Er arbeitet mit RNAi-Technologie, produziert aber gleichzeitig Bt-Gift. Dass ein Tier gleichzeitig gegen zwei ganz unterschiedliche Mechanismen resistent wird, sei sehr unwahrscheinlich.

Auch die RNAi-Methode ist also nicht gegen Resistenzen gefeit. Und es gibt noch ein paar Beschränkungen: »Doppelsträngige RNA wirkt weniger schnell als ein herkömmliches Insektengift, auch weniger schnell als ein Bt-Toxin, aber sie ist sehr effektiv«, sagt Greg Hack. Zudem reagieren nicht alle Insektenfamilien gleich empfindlich darauf: Käfer sind sehr empfänglich für die RNAi-Methode. Andere Insektengruppen haben jedoch im Lauf der Evolution Mechanismen und Enzyme entwickelt, die die doppelsträngige RNA auflösen, bevor sie überhaupt in ihre Zellen gelangen könnte: Schmetterlinge und Falter wie der Herbst-Heerwurm (Spodoptera frugiperda) sind deshalb von vornherein immun gegen RNAi-Gifte.

Immerhin: Inzwischen zeichnen sich Anwendungen ab, bei denen Landwirte diese Mittel einfach versprühen können. Bis vor Kurzem war die Herstellung der Moleküle noch viel zu teuer, sagt Antje Dietz-Pfeilstetter: »Die Herstellungskosten lagen im Jahr 2008 noch bei zirka 12 000 Dollar pro Gramm doppelsträngiger RNA.« Die Biologin beschäftigt sich am Institut für die Sicherheit biotechnologischer Verfahren bei Pflanzen am Julius-Kühn-Institut in Braunschweig mit RNAi. Mittlerweile sind die Kosten auf einen halben bis einen Dollar pro Gramm gesunken.

Das Problem der Stabilität

Ein weiteres Hindernis verbirgt sich hinter einem eigentlichen Vorteil: RNA zerfällt in der Umwelt ohne giftige Abbauprodukte. Und das geschieht ziemlich schnell. Darum müssen Landwirtinnen und Landwirte RNAi-Produkte aber häufiger spritzen als herkömmliche Gifte. Forscher versuchen, den Molekülen Hilfsstoffe beizumischen, die die doppelsträngige RNA haltbarer machen. Australische Forscher zum Beispiel verpacken die doppelsträngige RNA in winzige Lehm-Partikel, die sie auf Pflanzen sprühen.

Doch auch das garantiert noch nicht den Erfolg: Die doppelsträngige RNA muss erst einmal ins Insekt hineingelangen. Und dann muss sie die widrigen Umstände im Darm der Tiere überleben und schließlich in die gewünschten Zellen transportiert werden, sagt Gregor Bucher. »Ein Käfer, der zufällig damit besprüht wird, hat kein Problem, solange er nicht an den Pflanzen frisst.«

Eine Erdhummel (Bombus terrestris) nuckelt an einer violetten Blüte.Laden...
Erdhummel | Die hochspezifischen RNAi-Pestizide sollen nur ihre Zielorganismen treffen und dabei andere Insekten wie diese Erdhummel nicht beeinträchtigen. Ob das tatsächlich funktioniert wie geplant, ist aber noch unklar.

Doch was ist, wenn die falschen Insekten doppelsträngige RNA fressen? Guy Smagghe erforscht seit mehr als 20 Jahren als Professor für angewandte Biologie an der Universität Gent in Belgien die Nebeneffekte von Ackergiften auf die Dunkle Erdhummel Bombus terrestris. Sie ist eine wichtige Bestäuberin sowohl für die Landwirtschaft als auch für Wildpflanzen.

Smagghe arbeitet an einem RNAi-Gift gegen den Kartoffelkäfer und hat dabei untersucht, ob sich Verhalten, Nahrungsaufnahme und Entwicklung der Wildbienen änderten, wenn sie die von seinem Team entwickelte doppelsträngige Kartoffelkäfer-RNA zu fressen bekamen. Das sei nicht der Fall: »RNAi hat keine negativen Effekte auf dem Niveau des Organismus,« sagt er.

Eine hochpräzise Waffe

Darüber hinaus haben Smagghe und seine Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen eine bioinformatische Methode entwickelt, mit der sie am Rechner nachschauen können, ob ein Gen in der Hummel aus genau derselben Buchstabenkombination besteht, die sie im Kartoffelkäfer verstummen lassen wollen. 20 verschiedene Proteine haben sie sich auf diese Weise angeschaut. Nicht nur bei der Hummel, sondern bei einer ganzen Reihe anderer Organismen, die ein Gift nicht treffen darf.

»Das ist eine enorme Arbeit, aber so finden wir wirklich einmalige Gensequenzen, die wir für eine sichere Bekämpfung von Schadinsekten verwenden können.« Guy Smagghe ist überzeugt: »Das beweist noch einmal, dass wir ganz spezifisch wirksame doppelsträngige RNA entwerfen können.«

»In jedem Gramm Boden leben Milliarden von Bakterien, die alle diesen Mitteln ausgesetzt wären«(Jack Heinemann, Professor am Centre for Integrated Research in Biosafety in Christchurch, Neuseeland)

Noch andere Eigenschaften deuten auf die Sicherheit dieser Methode: In Säugetieren funktioniert die RNAi-Methode grundsätzlich nicht. Nicht einmal, wenn wir große Mengen der doppelsträngigen RNA äßen, könnte sie uns schaden. Enzyme im Mund und Magen zerstören sie, lange bevor sie überhaupt in unsere Zellen gelangen würde. Auch auf der Haut und im Blut gibt es Mechanismen, doppelsträngige RNA abzubauen. Darum hat es lange gedauert, ehe erste Anwendungen von RNA-Interferenz in der Medizin möglich wurden. Voraussetzung dafür war, eine Verpackung zu finden, um die Moleküle in die Zelle zu transportieren.

Maßgeschneiderte Insektengifte ohne Kollateralschäden – kann das wirklich funktionieren? »RNAi hat in vielerlei Hinsicht das Potenzial, als Pestizid weitaus gutartiger zu sein als all unsere chemischen Pestizide«, sagt Jack Heinemann. Er ist Professor am Centre for Integrated Research in Biosafety an der School of Biosciences der University of Canterbury im neuseeländischen Christchurch. Er hat so seine Zweifel daran: »Die Spezifizität von RNAi ist überbewertet.«

Zu gut, um wahr zu sein?

Gerade erst hat der Forscher eine Stellungnahme für die neuseeländische Umweltschutzbehörde EPA zu RNAi geschrieben. Die Behörde hat den Einsatz von RNAi-Sprays im Freiland untersagt. Man könne damit, so lautet Heinemanns Einschätzung, zwar sehr genau bestimmte Gensequenzen ins Visier nehmen. Dennoch bestehe die Gefahr, falsche Ziele zu treffen. Schließlich genüge eine Übereinstimmung von wenigen Basenpaaren, um diese mit dem Wirkstoff zu beeinflussen.

Und selbst wenn die Baupläne von Genen nicht vollständig stummgeschaltet würden wie in den Organismen, die sie treffen sollten, könnten die RNAi-Wirkstoffe in anderen Lebewesen unerwünschte epigenetische Effekte auslösen. Dabei markieren Enzyme einzelne Gene mit einem kleinen chemischen Etikett – einer Methylgruppe. Die sorgt dafür, dass das markierte Gen schlechter oder gar nicht mehr abgelesen wird. »Solche Effekte lassen sich nicht vorhersagen.«

Jack Heinemann will gar nicht in Frage stellen, dass die Gifte auf Basis von RNA-Interferenz gründlich geprüft werden. Er weist jedoch darauf hin, dass noch immer nur die Genome einiger weniger wichtiger Tier- und Pflanzenarten vollständig sequenziert sind. »Wenn Sie diese neuen Pestizide in der Umwelt versprühen, kommen weit mehr Organismen damit in Berührung, als Sie vorab testen können.« Zum Beispiel all die Protozoen, die Einzeller, die in der Luft, auf Pflanzen, im Wasser oder im Boden leben. »Diese Organismen sind überall, und sie reagieren stark auf RNA«, sagt der Mikrobiologe.

»In jedem Gramm Boden leben Milliarden von Bakterien, die alle diesen Mitteln ausgesetzt sind, wenn wir sie in der Umwelt einsetzen.« Bei medizinischen Anwendungen oder bei genmanipulierten Pflanzen, die Insekten vergiften, die an ihnen fressen, sei das Risiko noch überschaubar. Nicht aber beim Versprühen.

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