RNA-Spray als Alternative zu Pestiziden und gentechnisch veränderten Pflanzen

12. Juni 2018

Jährlich gehen etwa 30 bis 40% der weltweiten Ernteerträge aufgrund von Schädlingen und Krankheitserregern verloren [1]. Es ist davon auszugehen, dass die Erreger es durch die globale Erwärmung zukünftig leichter haben, sich auch in bisher klimatisch ungeeigneten Regionen auszubreiten [2]. Auf der anderen Seite wird für die kommenden Jahre mit einem starken Anstieg der Weltbevölkerung gerechnet. Bis 2050 sollen etwa 10 Milliarden Menschen auf der Welt leben, die es zu ernähren gilt [3]. Bisherige Versuche die Ernteerträge zu erhöhen, basieren auf der Züchtung schädlingsresistenter Pflanzen oder dem Einsatz von Pestiziden. Die Züchtung resistenter Pflanzensorten nimmt viel Zeit in Anspruch, die Resistenz tritt durch zufällige Mutationen im Erbgut auf und ist nicht steuerbar. Die Herstellung gentechnisch veränderter Pflanzen, die eigene Insektizide produzieren, ist in der Bevölkerung stark umstritten, der Anbau der Pflanzen in vielen Ländern nicht erlaubt. Ein zusätzliches Problem ist, dass Insekten zum Teil bereits resistent gegenüber diesen Pflanzen geworden sind [4]. Neue Genome-Editing Verfahren wie CRISPR/Cas9 könnten hier Abhilfe schaffen, da kleinere Veränderungen in pflanzeneigenen Genen nicht als gentechnische Veränderung gewertet werden und die Ergebnisse der bisher vom Zufall abhängigen Züchtung beschleunigen (siehe Die Gentechnik-Revolution CRISPR/Cas9). Das Einbringen von zusätzlichen Resistenzgenen in die Pflanze fällt jedoch weiterhin unter das Gentechnik-Gesetz, sodass hier langjährige Testverfahren oder Anbauverbote einzuhalten sind [5]. 

Während Pestizide zwar gegen Schädlinge wirksam sind, haben sie oftmals negative Auswirkungen auf andere Insektenarten und die Umwelt. Besonders schwierig gestaltet sich der Pflanzenschutz gegenüber Viren, gegen die Pestizide unwirksam sind. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von virenresistenten Züchtungen, sofern es diese bereits gibt. Die Alternative hierzu ist das Abtöten der Virus-verbreitenden Organismen, wie beispielsweise Blattläusen [6].

Hier könnte ein anderer Ansatz Abhilfe leisten: RNA Interferenz (RNAi), ausgelöst durch sprühbare RNA-Moleküle.

Dieser Vorgang wird als Translation bezeichnet. Mehrere Aminosäuren werden als Peptid bezeichnet, längere Sequenzen von aneinander geketteten Aminosäuren als Protein. So wird aus einem Gen ein Protein, welches dann in der Zelle Aufgaben ausführt. Um die Ausübung der Proteinfunktion zu verhindern, können die Vorgänge der Trans-kription oder Translation, also die Bildung des Proteins, verhindert werden; das fertige Protein kann außerdem blockiert und somit in seiner Funktion beeinträchtigt werden.

Es gibt zwar Chemikalien, die die gesamte Transkription oder Trans-lation einer damit behandelten Zelle blockieren, jedoch werden dann auch sämtliche andere Proteine der Zelle nicht ausgebildet, was auf lange Sicht zum Zelltod führt. Um gezielt ein einzelnes Protein zu blockieren, ist es möglich, die Sequenz des Gens zu verändern. Durch das Einbringen von Genmutationen kann dafür gesorgt werden, dass die gebildete mRNA instabil ist und von der Zelle noch vor der Translation abgebaut wird. Andere Mutationen können dafür sorgen, dass das gebildete Protein nicht die gesamte Anzahl an Aminosäuren enthält, sodass das Protein instabil ist und von der Zelle abgebaut wird.

Wie funktioniert RNAi?

RNAi ist die Bezeichnung für einen natürlichen Mechanismus in allen höheren Lebewesen bzw. in allen eukaryotischen Zellen (Zellen, die einen Zellkern besitzen), der der gezielten Abschaltung von Genen dient.

Der Mechanismus beginnt mit der Bildung kurzer doppelsträngiger RNA-Moleküle (dsRNA) mit einer Länge von etwa 20 Basenpaaren. Die kurze dsRNA geht aus der Spaltung mehrerer tausend Basenpaar langer dsRNA Moleküle hervor, die entweder beim Vervielfältigungsprozess von Viren, die die Zelle befallen haben, entstehen (exogener Ursprung), oder durch das Ablesen palindromischer DNA-Sequenzen im Erbgut erzeugt werden, wenn die gebildete RNA sich zu einem Doppelstrang faltet (endogener Ursprung). Endogene und exogene dsRNA-Moleküle werden im Cytosol von dem Enzym Dicer in kurze dsRNA-Moleküle geschnitten [7].

Die kurzen dsRNA-Moleküle binden an einen Enzymkomplex, der RISC (RNA-induced silencing complex) genannt wird. Dieser Komplex besteht aus mehreren Enzymen, von denen ein Enzym die doppelsträngigen RNA-Moleküle entzweit, sodass in der Folge nur ein Strang der RNA-Moleküle im Enzymkomplex verbleibt, während der andere den Komplex verlässt und abgebaut wird. Anschließend ist der RISC-Komplex in der Lage eine mRNA zu binden, deren Sequenz komplementär zu dem bereits gebundenen RNA-Strang ist. Das bedeutet, dass die RNA-Moleküle das Ziel für den RISC-Enzymkomplex bestimmen [7]. Anschließend ist der RISC-Komplex in der Lage, die gebundene mRNA, also das Ziel, zu zerschneiden, was eine Translation dieser mRNA in ein Protein verhindert. Der Abbau der mRNA wird post-transkriptionelle Gen-Stummschaltung (Post-Transcriptional Gene Silencing, PTGS) genannt, das bedeutet die Stummschaltung des Gens nach dessen Transkription [7]. Der RNAi-Mechanismus verhindert also die Übersetzung einer mRNA in ein Protein und hat in der Zelle vor allem eine Aufgabe zur Regulation der Bildung mancher Proteine. Darüber hinaus dient RNAi auch dem Schutz vor RNA-Viren, da er ermöglicht virale RNA zu zerschneiden und abzubauen, wodurch sich der Virus nicht ausbreiten kann.

Nutzung des RNAi-Mechanismus in gentechnisch veränderten Organismen

Der RNAi-Mechanismus wurde bereits in mehreren gentechnisch veränderten Pflanzen angewendet, um gezielt Gene stillzulegen. Bekanntestes Beispiel ist die Flavr-Savr-Tomate, bei der das Gen für das Enzym Galacturonase stummgeschaltet wurde. Dazu wurde die Gensequenz in gegenläufiger Orientierung, also falsch herum, in das Pflanzengenom eingebaut, sodass die daraus gebildete mRNA mit der mRNA des richtig orientierten Gens eine doppelsträngige RNA formt und der RNAi-Mechanismus die Translation des Proteins verhindert [8]. Die Tomate besaß dadurch eine längere Reifezeit und bildete mehr Aromastoffe. Durch den zusätzlichen Einbau der Gensequenz in die Pflanze, handelt es sich hierbei um einen gentechnisch veränderten Organismus.

Sprühbare RNA-Moleküle als Pflanzenschutzmittel

Pflanzenforscher sehen in dem RNAi-Mechanismus eine Möglichkeit Pflanzen vor Schädlingen wie Insekten und Pilzen aber auch vor Viren zu schützen [9]. In Experimenten wurden doppelsträngige RNA-Moleküle auf Pflanzen gesprüht. Da RNA normalerweise nicht sehr lange stabil ist und abgebaut wird, wurden die Moleküle auf Nano-Lehmplättchen aufgetragen, welche dann wiederum auf die Pflanzen gesprüht wurden [1]. Die kleinen Lehmteilchen bleiben zunächst auf der Pflanze haften, reagieren jedoch mit dem Kohlenstoffdioxid in der Luft und zerfallen dadurch. Während ihres Zerfalls geben sie die RNA-Moleküle ab, die dann von der Pflanze aufgenommen werden. Durch die lange Zeit, in der die Pflanze die RNA aufnehmen kann, war es nun möglich einer Tabakpflanze über 20 Tage lang Widerstandskraft gegen ein Virus (Pepper Mild Mottle Virus) zu verleihen [1]. Bisher gab es keine Möglichkeit Pflanzen direkt vor Viren zu schützen. Zwar besitzen Pflanzen ein eigenes RNAi-System, dieses wird aber erst aktiv, wenn die Pflanze bereits mit dem Virus infiziert ist, weil erst dann die virale RNA geschnitten werden kann [10]. Die Anwendung sprühbarer RNA-Moleküle ist aber nicht auf die Virus-Abwehr beschränkt. Ausschlaggebend ist die Sequenz der RNA-Moleküle. Ist die Sequenz komplementär zu viraler RNA, wird ein Schutz gegen das entsprechende Virus angeregt, sind die RNA-Sequenzen komplementär zu mRNA wichtiger Gene von Insekten oder Pilzen, kann ein Schutz gegen diese hervorgerufen werden. Vorstellbar ist ebenfalls, dass die RNA-Sequenzen gegen pflanzeneigene Gene wirken [1, 9, 11]. Interessant ist hierbei, dass eine einzige Anwendung des Sprays die Pflanze zwar schützt, die RNA-Moleküle anschließend aber abgebaut werden. Der vorübergehende Schutz ermöglicht eine zeitlich kontrollierte Anwendung. Es wäre möglich das Spray während des Befalls mit Krankheitserregern oder während extremen Wetterverhältnissen anzuwenden. Eine Anwendung kurz vor der Ernte könnte die Trocknung der Pflanze beschleunigen und sie vor Schimmelbefall schützen. Ebenso ist die Beschleunigung der Reife denkbar [12]. Da die versprühten RNA-Moleküle nicht in das Genom der Pflanze eingeschleust werden müssen, handelt es sich nicht um einen gentechnisch veränderten Organismus; der vorübergehende Schutz wird nicht auf die nächste Generation vererbt.

Neben dem schnellen Abbau der RNA ist ein weiterer Vorteil, dass RNA nicht durch menschliche Haut dringen kann [6]und durch Nahrung aufgenommene RNA keinen Effekt auf die Gesundheit hat [7]. Unklar ist zurzeit wie spezifisch die versprühte RNA wirkt. Es kann passieren, dass RNA-Moleküle, die sich gegen Gene bestimmter Insektenarten richten, auch die Gene anderer Insektenarten stilllegen, wenn diese eine ähnliche Sequenz besitzen. Die Sicherheit gegenüber dieser sogenannten Off-target-Effekte muss erst noch überprüft werden, kann aber durch die Veränderung der Sequenz der RNA-Moleküle erreicht werden. Die Möglichkeit die RNA-Sequenz zu ändern, gestattet es auch Schädlingen Herr zu werden, die gegenüber bereits versprühten RNA-Sequenzen resistent geworden sind [6].

Das größte Problem bei der Anwendung sprühbarer RNA-Moleküle sind die Kosten. Zwar ist die Produktion der Nanopartikel aus Lehm sehr günstig, die Herstellung von RNA jedoch vergleichsweise teuer. Ein Gramm der RNA-Moleküle zum Besprühen eines Feldes hätten vor zehn paar Jahren noch etwa 100.000 Dollar gekostet. Das Start-up-Unternehmen APSE strebt zurzeit einen Preis von zwei Dollar pro Gramm RNA an [13].

Zusammenfassend wäre der Einsatz von RNA-Molekülen zum Pflanzenschutz für die Umwelt und auch für den Menschen verträglicher. Als Virenschutz ist diese Methode momentan nahezu die einzige Option.