По данным Всемирной организации здравоохранения, малярия поражает сотни миллионов людей во всем мире, ежегодно убивая более 400 000 человек. Десятилетия применения инсектицидов не помогли справиться с комарами, переносчиками малярийного паразита, и привели к устойчивости многих штаммов комаров к инсектицидам. В ответ ученые начали генетически модифицировать комаров и другие организмы, которые могут помочь уничтожить комаров. До сих пор ни один из этих трансгенных подходов не выходил за рамки лабораторных испытаний.
В исследовательской статье, опубликованной в номере журнала Science от 31 мая 2019 года, группа ученых из Университета Мэриленда и Буркина-Фасо описала первое внелабораторное испытание трансгенного подхода к борьбе с малярией. Исследование показало, что встречающийся в природе грибок, созданный для доставки токсина комарам, безопасно сократил популяцию комаров более чем на 99% в смоделированной деревне в Буркина-Фасо, Западная Африка..
«Ни одна трансгенная борьба с малярией не продвинулась так далеко в направлении реальных полевых испытаний», - сказал Брайан Ловетт, аспирант кафедры энтомологии UMD и ведущий автор статьи. «Эта статья знаменует собой большой шаг и создает прецедент для продвижения этого и других трансгенных методов."
«Мы продемонстрировали, что эффективность трансгенных грибов настолько выше, чем у дикого типа, что это оправдывает дальнейшее развитие», - сказал Раймонд Сент-Леже, заслуженный профессор энтомологии Университета штата Мэриленд и соавтор исследования. исследование.
Грибок является естественным патогеном, который заражает насекомых в дикой природе и медленно их убивает. Он использовался для борьбы с различными вредителями на протяжении веков. Ученые использовали штамм грибка, специфичного для комаров, и разработали его для производства токсина, который убивает комаров быстрее, чем они могут размножаться. Этот трансгенный гриб привел к тому, что популяции комаров на их испытательном полигоне сократились до неприемлемого уровня в течение двух поколений.
«Вы можете думать о грибке как об игле для подкожных инъекций, которую мы используем для введения сильнодействующего токсина, специфичного для насекомых, в комара», - сказал Сен-Леже.
Токсин представляет собой инсектицид под названием Hybrid. Он получен из яда воронкового паука австралийских Голубых гор и был одобрен Агентством по охране окружающей среды (EPA) для применения непосредственно на сельскохозяйственных культурах для борьбы с сельскохозяйственными насекомыми-вредителями.
«Простое нанесение трансгенного грибка на простыню, которую мы повесили на стену в нашем исследовательском районе, привело к резкому сокращению популяции комаров в течение 45 дней», - сказал Ловетт. «И он столь же эффективен для уничтожения устойчивых к инсектицидам комаров, как и неустойчивых».
Лабораторные испытания Lovett сказали, что грибок заразит всю гамму малярийных комаров. Обилие видов, передающих малярию, препятствует усилиям по борьбе с болезнью, потому что не все виды реагируют на одни и те же методы лечения.
Чтобы изменить грибок Metarhizium pingshaense, чтобы он производил и доставлял гибрид, исследовательская группа Университета Мэриленда использовала стандартный метод, в котором используется бактерия для преднамеренного переноса ДНК в грибы. ДНК, которую ученые разработали и внедрили в грибы, послужила основой для создания гибрида, а также управляющим переключателем, который сообщает грибку, когда производить токсин.
Управляющий переключатель является копией собственного ДНК-кода грибка. Его нормальная функция - подсказывать грибку, когда нужно построить вокруг себя защитную оболочку, чтобы он мог спрятаться от иммунной системы насекомого. Строительство этой оболочки обходится грибу дорого, поэтому он прилагает усилия только тогда, когда обнаруживает подходящее окружение - внутри кровотока комара.
Объединив генетический код этого переключателя с кодом для создания гибрида, ученые смогли гарантировать, что их модифицированный грибок производит токсин только внутри тела комара. Они протестировали свой модифицированный грибок на других насекомых в Мэриленде и Буркина-Фасо и обнаружили, что грибок не вреден для полезных видов, таких как медоносные пчелы.
«Эти грибы очень избирательны», - сказал Сен-Леже. «Они знают, где они находятся, по химическим сигналам и форме черт на теле насекомого. Штамм, с которым мы работаем, любит комаров. Когда этот грибок обнаруживает, что он на комаре, он проникает через кутикулу комара и проникает в насекомое. Он не доставит проблем другим насекомым, поэтому вполне безопасен для полезных видов, таких как медоносные пчелы».
После демонстрации безопасности своего генетически модифицированного грибка в лаборатории Ловетт и Сен-Леже тесно сотрудничали с коллегами-учеными и государственными органами Буркина-Фасо, чтобы протестировать его в контролируемой среде, имитирующей природу. В сельском, эндемичном по малярии районе Буркина-Фасо они построили закрытую структуру площадью примерно 6 550 квадратных футов, которую назвали MosquitoSphere. Внутри несколько экранированных камер содержали экспериментальные хижины, растения, небольшие бассейны для размножения комаров и источник пищи для комаров.
В одной серии экспериментов исследователи повесили черную хлопчатобумажную простыню, покрытую кунжутным маслом, на стену хижины в каждой из трех комнат. На один лист наносили масло, смешанное с трансгенным грибком Metarhizium pingshaense, на один лист наносили масло с Metarhizium дикого типа и на один наносили только кунжутное масло. Затем они выпустили 1000 взрослых самцов и 500 взрослых самок комаров в каждую камеру MosquitoSphere для создания размножающихся популяций. Затем исследователи подсчитывали комаров в каждой камере каждый день в течение 45 дней.
В камере с простыней, обработанной трансгенным грибком, популяция комаров за 45 дней резко сократилась до 13 взрослых комаров. Самцам этого недостаточно для создания роя, необходимого для размножения комаров. Для сравнения, исследователи насчитали 455 комаров в камере, обработанной грибком дикого типа, и 1396 комаров в камере, обработанной простым кунжутным маслом через 45 дней. Они проводили этот эксперимент несколько раз с одними и теми же потрясающими результатами.
В подобных экспериментах в лаборатории ученые также обнаружили, что самки, зараженные трансгенным грибком, отложили всего 26 яиц, из которых только три превратились во взрослых особей, в то время как неинфицированные самки отложили 139 яиц, из которых родилось 74 взрослых особи.
По мнению исследователей, крайне важно, чтобы новые противомалярийные технологии, такие как проверенная в этом исследовании, были легко применимы местными сообществами. Черные хлопковые простыни и кунжутное масло относительно недороги и легко доступны на месте. Практика также не требует от людей изменения своего поведения, потому что грибок можно применять в сочетании с широко используемыми сегодня пестицидами.
«Тщательно следуя протоколам EPA и Всемирной организации здравоохранения, работая с центральными и местными органами власти, чтобы соответствовать их критериям, и работая с местными сообществами, чтобы добиться признания, мы преодолели барьер», - сказал Ловетт. «Наши результаты будут иметь широкое значение для любого проекта, предлагающего масштабировать новые, сложные и потенциально спорные технологии для искоренения малярии».
Далее международная группа ученых надеется протестировать свой трансгенный грибок в местной деревне или общине. Перед развертыванием этого нового метода в открытой среде, такой как деревня, необходимо выполнить множество нормативных и социальных критериев, но исследователи говорят, что это исследование помогает обосновать такие испытания.