Малярия ежегодно убивает почти полмиллиона человек, по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). В некоторых наиболее пострадавших районах Африки к югу от Сахары комары, являющиеся переносчиками малярийного паразита, стали устойчивыми к традиционным химическим инсектицидам, что усложняет борьбу с болезнью.
Новое исследование Университета Мэриленда и его коллег из Буркина-Фасо, Китая и Австралии предполагает, что уничтожающий комаров грибок, генетически модифицированный для производства токсинов пауков и скорпионов, может служить высокоэффективным биологическим механизмом борьбы с малярией. переносящие комаров. Грибок специфичен для комаров и не представляет опасности для человека. Кроме того, результаты исследования показывают, что гриб также безопасен для медоносных пчел и других насекомых. Исследование было опубликовано онлайн в журнале Scientific Reports 13 июня 2017 года.
«В этой статье мы сообщаем, что наши самые сильнодействующие штаммы грибов, разработанные для экспрессии нескольких токсинов, способны убивать комаров с помощью одной споры», - сказал Брайан Ловетт, аспирант кафедры энтомологии и энтомологии UMD. соавтор статьи. «Мы также сообщаем, что наши трансгенные грибы не дают комарам питаться кровью. Вместе это означает, что наши грибковые штаммы способны предотвратить передачу болезни более чем 90 процентами комаров всего за пять дней."
Исследователи использовали грибок Metarhizium pingshaensei, который является естественным убийцей комаров. Первоначально гриб был выделен от комара, и предыдущие данные свидетельствуют о том, что гриб специфичен для переносчиков болезней видов комаров, включая Anopheles gambiae и Aedes aegypti. Когда споры грибка вступают в контакт с телом комара, споры прорастают и проникают в экзоскелет насекомого, в конечном итоге убивая насекомого-хозяина изнутри.
Однако сам по себе грибок требует довольно больших доз спор и большого количества времени, чтобы иметь летальные последствия. Чтобы повысить смертоносную силу грибка, исследователи разработали грибок с несколькими генами, которые экспрессируют нейротоксины из яда пауков и скорпионов - как отдельно, так и в сочетании с другими токсинами. Токсины блокируют кальциевые, калиевые и/или натриевые каналы, необходимые для передачи нервных импульсов.
Затем исследователи проверили модифицированные штаммы грибов на выловленных в дикой природе, устойчивых к инсектицидам комарах в Буркина-Фасо. Каждый модифицированный штамм убивал комаров быстрее и эффективнее, чем неизмененный грибок. Но в наиболее эффективном штамме использовалась комбинация двух токсинов, один из которых был получен из североафриканского пустынного скорпиона Androctonus australis, а другой - из австралийского паука-воронковидного паука Hadronyche versuta. Токсин скорпиона блокирует натриевые каналы, а токсин паука блокирует как калиевые, так и кальциевые каналы. Оба этих токсина уже одобрены Агентством по охране окружающей среды США для использования в качестве инсектицидов.
"ВОЗ определила резистентность к инсектицидам как основную угрозу эффективной борьбе с комарами, которая имеет отношение не только к малярии, но и к ряду переносимых комарами болезней, таких как лихорадка денге, желтая лихорадка, вирусный энцефалит и филяриатоз", сказал Рэймонд Сент-Леже, заслуженный профессор университета на кафедре энтомологии UMD и старший автор исследования. «В отличие от химических инсектицидов, которые воздействуют только на натриевые каналы, многие токсины пауков и скорпионов поражают кальциевые и калиевые ионные каналы нервной системы, поэтому у насекомых нет предсуществующей резистентности."
Когда Ловетт, Сент-Леже и их коллеги вставили гены токсина в грибок Metarhizium, они включили дополнительную отказоустойчивость: высокоспецифичную промоторную последовательность, или генетический «переключатель», который гарантирует, что гены токсина могут быть активируется в крови насекомых. В результате грибок не будет выделять токсин в окружающую среду.
Чтобы еще больше обеспечить безопасность нецелевых видов насекомых, исследователи также протестировали модифицированные штаммы грибов на медоносных пчелах. Работая в Буркина-Фасо, команда преднамеренно заражала местных пчел, используя как пассивные методы (воздействие на пчел ткани, покрытой спорами), так и прямые методы (опрыскивание пчел спорами, взвешенными в жидкости). Спустя две недели ни одна пчела не погибла в результате усиленного токсинами грибка.
«Токсины, которые мы используем, являются сильнодействующими, но полностью специфичными для насекомых. Они вырабатываются грибком только в насекомом. Кроме того, грибок вообще ничего не делает с пчелами и другими полезными видами»,.- сказал Леже. «Таким образом, у нас есть несколько разных уровней биобезопасности».
Вдохновленные результатами текущего исследования, исследователи планируют расширить свой режим тестирования на местах в Буркина-Фасо. В настоящее время команда тестирует споры на комарах, содержащихся в специально построенном корпусе, напоминающем теплицу, со стенами из сетки вместо стекла. Исследователи также тестируют грибок на видах насекомых, которые тесно связаны с комарами, таких как мошки и комары, чтобы убедиться, что грибок полностью безопасен для нецелевых насекомых. В конце концов, команда надеется применить споры в полевых условиях к популяциям диких комаров.
"Это наше первое углубленное исследование воздействия грибков, выделяющих токсины, на комаров, помимо их способности убивать быстрее. Это также наша самая широкая характеристика нашего арсенала токсинов пауков и скорпионов, убивающих насекомых - сказал Ловетт. «Наши результаты напрямую расширяют наше понимание того, как эти технологии можно использовать в полевых условиях против комаров-вредителей."