Die Mücken, die Malaria übertragen, entwickeln sich schneller, als Insektizide sie abtöten können.

Der Kampf gegen Infektionskrankheiten ist ein Wettlauf gegen die Evolution. Bakterien entwickeln Resistenzen gegen Antibiotika, und Viren passen sich ständig an, um sich schneller auszubreiten. Auch von Insekten übertragene Krankheiten stellen ein evolutionäres Schlachtfeld dar: Insekten selbst entwickeln Resistenzen gegen die Gifte, mit denen Menschen sie bekämpfen.
Insbesondere die durch Mücken übertragene Malaria fordert jährlich über 600.000 Todesopfer. Seit dem Zweiten WeltkriegInsektizideZur Bekämpfung von Malaria wurden chemische Waffen eingesetzt, die dazu bestimmt sind, mit dem Malariaparasiten infizierte Anopheles-Mücken abzutöten.
Mücken entwickeln jedoch schnell Strategien, um dieseInsektizide unwirksamDadurch werden Millionen von Menschen einem erhöhten Risiko tödlicher Infektionen ausgesetzt. Meine kürzlich veröffentlichte Studie, die ich gemeinsam mit Kollegen durchgeführt habe, erklärt, warum.

Als Evolutionsgenetikerin erforsche ich die natürliche Selektion – die Grundlage der adaptiven Evolution. Genetische Variationen, die für das Überleben am vorteilhaftesten sind, ersetzen jene, die nachteilig sind, was zu Veränderungen in den Arten führt. Die evolutionären Fähigkeiten der Anopheles-Mücke sind wahrlich erstaunlich.
Mitte der 1990er-Jahre waren die meisten Anopheles-Mücken in Afrika empfindlich gegenüber Pyrethroid-Insektiziden, die ursprünglich aus Chrysanthemen gewonnen wurden. Die Mückenbekämpfung beruhte hauptsächlich auf zwei Pyrethroid-basierten Methoden: mit Insektizid behandelte Moskitonetze zum Schutz schlafender Mücken und die Anwendung von Insektizidsprays mit Langzeitwirkung auf Gebäudewänden. Allein diese beiden Methoden verhinderten vermutlich zwischen 2000 und 2015 über 500 Millionen Malariafälle.
Mücken von Ghana bis Malawi entwickeln jedoch zunehmend Resistenzen gegen Pestizide, selbst bei Konzentrationen, die zehnmal höher sind als die früher tödliche Dosis. Neben Maßnahmen zur Bekämpfung von Anopheles-Mücken können landwirtschaftliche Tätigkeiten die Mücken unbeabsichtigt Pyrethroid-Insektiziden aussetzen und so ihre Resistenzen weiter verstärken.
In einigen Teilen Afrikas haben Anopheles-Mücken Resistenzen gegen vier Klassen von Insektiziden entwickelt, die zur Bekämpfung von Malaria eingesetzt werden.
Anopheles-Mücken und Malariaparasiten kommen auch außerhalb Afrikas vor, wo die Forschung zur Pestizidresistenz weniger verbreitet ist.
In weiten Teilen Südamerikas ist die Anopheles-darlingi-Mücke der Hauptüberträger von Malaria. Diese Mücke unterscheidet sich so stark von den Malariaüberträgern in Afrika, dass sie möglicherweise einer anderen Gattung – Nyssorhynchus – angehört. Gemeinsam mit Kollegen aus acht Ländern analysierte ich die Genome von über 1.000 Anopheles-darlingi-Mücken, um ihre genetische Vielfalt zu verstehen, einschließlich möglicher Veränderungen durch jüngste menschliche Aktivitäten. Meine Kollegen sammelten diese Mücken an 16 Standorten in einem riesigen Gebiet, das sich von der Atlantikküste Brasiliens bis zur Pazifikküste der Anden in Kolumbien erstreckt.
Wir stellten fest, dass *Anopheles darlingi*, ähnlich wie ihre afrikanischen Verwandten, eine extrem hohe genetische Vielfalt aufweist – mehr als 20-mal so hoch wie die des Menschen –, was auf eine sehr große Population hindeutet. Arten mit einem so großen Genpool sind gut an neue Herausforderungen angepasst. Bei einer so großen Population steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten geeigneter Mutationen, die einen erwünschten Vorteil bieten. Sobald sich diese Mutation ausbreitet, führt dank des zahlenmäßigen Vorteils selbst der zufällige Tod einiger weniger Mücken nicht zu ihrem vollständigen Aussterben.
Im Gegensatz dazu entwickelte der in den Vereinigten Staaten heimische Weißkopfseeadler nie eine Resistenz gegen das Insektizid DDT und starb schließlich aus. Die evolutionäre Effizienz von Millionen von Insekten übertrifft die von nur wenigen Tausend Vögeln bei Weitem. Tatsächlich haben wir in den letzten Jahrzehnten Anzeichen adaptiver Evolution in Genen beobachtet, die mit Arzneimittelresistenzen bei Anopheles-darlingi-Mücken in Verbindung stehen.
Pyrethroide und DDT wirken, wie auch andere Insektizide, auf dasselbe molekulare Ziel: Ionenkanäle in Nervenzellen, die sich öffnen und schließen können. Sind diese Kanäle geöffnet, stimulieren Nervenzellen andere Zellen. Insektizide zwingen diese Kanäle, geöffnet zu bleiben und weiterhin Impulse zu übertragen, was zur Lähmung und zum Tod der Insekten führt. Insekten können jedoch Resistenzen entwickeln, indem sie die Form der Kanäle selbst verändern.
Frühere genetische Untersuchungen anderer Wissenschaftler sowie unsere eigene Studie konnten diese Art von Resistenz bei Anopheles darlingi nicht nachweisen. Stattdessen entdeckten wir, dass sich Resistenz auf einem anderen Weg entwickelt: durch eine Gruppe von Genen, die Enzyme kodieren, welche toxische Verbindungen abbauen. Eine hohe Aktivität dieser Enzyme, bekannt als P450-Enzyme, ist häufig für die Entwicklung von Pestizidresistenzen bei anderen Mückenarten verantwortlich. Seit dem Beginn des Pestizideinsatzes Mitte des 20. Jahrhunderts hat sich dieselbe Gruppe von P450-Genen in Südamerika mindestens sieben Mal unabhängig voneinander mutiert.
In Französisch-Guayana zeigte eine weitere Gruppe von P450-Genen ein ähnliches evolutionäres Muster, was den engen Zusammenhang zwischen diesen Enzymen und der Anpassung weiter bestätigt. Wurden Mücken in verschlossenen Behältern Pyrethroid-Insektiziden ausgesetzt, korrelierten Unterschiede in den P450-Genen einzelner Mücken mit ihrer Überlebenszeit.
In Südamerika waren großangelegte Malariabekämpfungskampagnen mit Pestiziden nur sporadisch und möglicherweise nicht der Hauptgrund für die Evolution der Mücken. Stattdessen könnten Mücken indirekt mit landwirtschaftlichen Pestiziden in Kontakt gekommen sein. Interessanterweise beobachteten wir die deutlichsten Anzeichen von Evolution in Regionen mit entwickelter Landwirtschaft.
Trotz der Entwicklung neuer Impfstoffe und anderer Fortschritte bei der Malariabekämpfung in den letzten Jahren bleibt die Mückenbekämpfung der Schlüssel zur Eindämmung der Malariaausbreitung.
Mehrere Länder erproben Gentechnik zur Bekämpfung von Malaria. Diese Technologie beinhaltet die genetische Veränderung von Mückenpopulationen, um deren Anzahl oder ihre Resistenz gegen den Malariaerreger zu verringern. Obwohl die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit der Mücken eine Herausforderung darstellen kann, sind die Aussichten vielversprechend.
Meine Kollegen und ich arbeiten an der Verbesserung von Methoden zur Erkennung neu auftretender Pestizidresistenzen. Die Genomsequenzierung ist weiterhin entscheidend für die Erkennung neuer oder unerwarteter evolutionärer Reaktionen. Das Anpassungsrisiko ist unter anhaltendem und intensivem Selektionsdruck am höchsten; daher kann die Minimierung, Modifizierung und Staffelung des Pestizideinsatzes dazu beitragen, die Resistenzentwicklung zu verhindern.
Koordiniertes Monitoring und angemessene Reaktionen sind unerlässlich, um der zunehmenden Antibiotikaresistenz entgegenzuwirken. Anders als die Evolution sind Menschen in der Lage, die Zukunft vorherzusagen.
Jacob A. Tennessen erhielt Fördermittel von den National Institutes of Health über die Harvard T.H. Chan School of Public Health und das Broad Institute.