„Trujące samce” i uciszone geny. Tak nauka walczy ze szkodnikami

Trudno sobie wyobrazić współczesne rolnictwo bez środków ochrony roślin, często ogólnie nazywanych pestycydami. Gdyby np. całkowicie zrezygnować z substancji owadobójczych, straty plonów poszybowałyby z obecnych 20–40 proc. do 50–80 proc., a w przypadku niektórych odmian roślin uprawnych być może nawet i stu. Ale nie ma nic za darmo. Środki owadobójcze (i w ogóle pestycydy) mają negatywny wpływ na środowisko naturalne, bo np. zabijają również te owady, które nie są szkodnikami upraw. Mogą być też groźne dla naszego zdrowia, choć warto pamiętać, że pestycyd pestycydowi nierówny. Nieustannie trwają poszukiwania jak najmniej toksycznych oraz działających z dużą precyzją.

Roślina, która broni się sama

Sporo pomogła w tej kwestii inżynieria genetyczna, znacznie zwiększając możliwości ulepszania roślin uprawnych. Przykładem są bawełna i kukurydza z cechą Bt, które zaczęto komercyjnie uprawiać w 1996 r. Żeby wyjaśnić, co w nich zmieniono, cofniemy się na chwilę do początków XX w., kiedy japoński naukowiec Shigetane Ishiwatari odkrył zabójcę cennych larw jedwabników. Okazało się, że jest nim pewna dość powszechnie występująca bakteria, żyjąca głównie w glebie. Potrafi ona wytwarzać całą gamę białek toksycznych dla niektórych owadów, ale całkowicie bezpiecznych m.in. dla ssaków, w tym człowieka. Nadano jej nazwę Bacillus thuringiensis, która wzięła się stąd, że niezależnie od Japończyka odkrył ją Niemiec Ernst Berliner, badając chore larwy mącznika młynarka (owada żerującego na mące) w pewnym młynie w Turyngii.

Jeszcze w pierwszej połowie XX w. zaczęto korzystać z bakterii do sporządzania owadobójczych oprysków. I do dziś tego typu preparaty stosują rolnicy, szczególnie w tzw. uprawach ekologicznych (nie wolno im sięgać po syntetyczne insektycydy). Pod koniec lat 80. naukowcy postanowili skopiować bakteryjne geny odpowiedzialne za produkcję białek Bt do roślin uprawnych. Dzięki temu same mogłyby się bronić przed szkodnikami, co ograniczyłoby lub wręcz wyeliminowało opryski insektycydami. Pierwsze uprawy kukurydzy Bt pojawiły się w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, gdzie zostały entuzjastycznie przyjęte przez rolników. Z czasem lista odmian z bakteryjnymi genami powiększyła się o soję, rzepak, burak cukrowy, lucernę, bakłażan, groch, ryż i ziemniaki, które uprawia się dziś w wielu rejonach świata.

Wyjątkiem jest Unia Europejska, która praktycznie nie zezwala na uprawy roślin zmodyfikowanych narzędziami inżynierii genetycznej (GMO). Nie jest to wynikiem naukowych analiz, lecz skutecznego lobbingu ideologicznych przeciwników inżynierii genetycznej. Co jest niezrozumiałe z racjonalnego punktu widzenia, gdyż dzięki roślinom Bt zużycie insektycydów spadło w ostatnich dekadach w sumie o kilkaset milionów kilogramów.

Cząsteczka, która ucisza geny

Jednak od początku było wiadomo, że skuteczność roślin Bt będzie z czasem słabła. Jest to nieuniknione, bo owady, dzięki presji selekcyjnej i przypadkowym mutacjom w ich DNA, zaczynają wykazywać odporność na bakteryjną toksynę. Żeby opóźniać ten proces, rolnicy wysiewają nasiona z domieszką niezmodyfikowanych genetycznie roślin, by szkodniki wrażliwe na bakteryjne białka mogły na nich bez problemu żerować i się rozmnażać. Amerykańscy farmerzy muszą też, co dotyczy większości upraw kukurydzy Bt, obsiać wydzieloną część pola konwencjonalnymi odmianami tej rośliny.

Mimo to odporność owadów wzrasta, o czym m.in. informowało niedawno czasopismo naukowe „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Dzieje się tak m.in. w przypadku zachodniej kukurydzianej stonki korzeniowej – chrząszcza powodującego coraz większe straty, dziś sięgające już 15–17 proc. plonów w USA. Z kolei na łamach prestiżowego periodyku „Science” pisano ostatnio, że amerykańscy rolnicy sieją odmiany roślin Bt, choć nie zawsze jest to konieczne. Wynika to z tego, że producenci nasion sprzedają je w pakiecie z innymi cechami genetycznymi, przede wszystkim odpornością na herbicyd. Kiedy więc farmerzy potrzebują tylko tej drugiej, nie są w stanie zakupić jej oddzielnie.

Naukowcy poszukują zatem kolejnych metod bezpiecznej ochrony roślin przed szkodnikami, tym razem sięgając po kwas rybonukleinowy (RNA). Najczęściej występuje on w postaci pojedynczej nici, co odróżnia go od dwuniciowego DNA, które można sobie wyobrazić jako skręconą drabinę. Jednak w latach 60. i 70. XX w. badacze zauważyli, że czasami kwas rybonukleinowy również składa się z dwóch nici (jego skrótowa nazwa to dsRNA, od ang. double-stranded RNA). Okazało się też, że takie RNA wykazuje pewne niezwykłe właściwości, co wyszło na jaw przypadkowo podczas eksperymentów z petuniami w latach 80. Naukowcy próbowali pogłębić fiolet kwiatów poprzez dodanie dodatkowej kopii genu odpowiedzialnego za tę barwę. Ku ogromnemu zaskoczeniu otrzymywali tylko biały lub pstry kolor. Po latach się okazało, że dodawanie kolejnych kopii genu uruchamiało skomplikowany, wieloetapowy proces biochemiczny, który prowadzi do powstania cząsteczki dsRNA. Ta zaś „wycisza” ekspresję genów – w przypadku petunii chodziło o gen odpowiedzialny za fioletową barwę (zaburzenie jego pracy uniemożliwiło komórkom produkcję barwnika).

Cząsteczkę dsRNA można tak modyfikować, by działała wyciszająco tylko na określony gen. W ten sposób dałoby się stworzyć wymarzony superprecyzyjny środek owadobójczy. Zrobiła tak firma Bayer (produkująca m.in. nasiona odmian z cechą Bt), opracowując kukurydzę SmartStax Pro, udostępnioną w 2024 r. amerykańskim rolnikom.

Została ona genetycznie zmodyfikowana, by wytwarzać w swoich komórkach dwuniciowe RNA dokładnie pasujące do genu DvSnf7 zachodniej kukurydzianej stonki korzeniowej. Jest on niezbędny do życia owada, ponieważ odpowiada za transport różnych substancji między komórkami. Gdy stonka zjada zmodyfikowaną kukurydzę, dsRNA dostaje się do jej organizmu i nie pozwala na prawidłowe odczytanie instrukcji zapisanej w DvSnf7. Procesy życiowe owada nie przebiegają wówczas prawidłowo, co prowadzi do śmierci.

Szkodnik, który stracił wrażliwość

Skuteczność SmartStax Pro okazała się imponująca. W badaniach na polach testowych pełnych stonki korzeniowej rośliny wytwarzające dsRNA miały o 95 proc. mniej uszkodzeń swoich podziemnych części w porównaniu z konwencjonalnymi odmianami. Ponieważ jednak SmartStax Pro jest prawnie sklasyfikowana jako GMO, wiąże się to nie tylko z długim i kosztownym procesem zatwierdzania (ok. 200 mln dol.), ale również napotyka dodatkowe przeszkody regulacyjne i niską akceptację konsumentów w UE.

Problem ten postanowiła obejść firma GreenLight Biosciences, która przygotowała insektycyd Calantha, również oparty na dsRNA, ale do stosowania w formie oprysków. W 2024 r. zatwierdziła go do użytku amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) do zwalczania stonki ziemniaczanej. Owad ten pochodzi z Kolorado, skąd od XIX w. rozprzestrzenił się na całą północną półkulę, powodując straty w uprawach sięgające ponad 500 mln dol. rocznie. Jest bowiem prawdziwym mistrzem wytwarzania odporności na środki ochrony roślin. Od lat 30. XX w., kiedy to stał się jednym z katalizatorów badań nad pestycydami, przestał być wrażliwy na ponad 50 różnych preparatów, reprezentujących wszystkie główne typy insektycydów.

Calantha zakłóca u stonki działanie genu PSMB5, który koduje część komórkowej maszynerii usuwającej z organizmu uszkodzone i niefunkcjonalne białka. Gdy zostaje wyciszony, komórki zaczynają obumierać. W testach laboratoryjnych i szklarniowych preparat okazał się niezwykle skuteczny – zabijał 90 proc. larw stonki w ciągu sześciu dni. Co istotne, Calantha może być stosowana nie tylko na ziemniakach – szkodnik ten atakuje bowiem także pomidory, bakłażany i paprykę. Preparat jest też bezpieczny dla owadów takich jak pszczoły miodne, złotooki czy biedronki. Badania bioinformatyczne wykazały zaś, że gen PSMB5 stonki ziemniaczanej różni się od jego wersji występującej u innych zwierząt.

Największym wyzwaniem dla GreenLight Biosciences okazała się produkcja dużych ilości dsRNA. Udało się pokonać tę przeszkodę dzięki dużym bioreaktorom, w których wytwarza się cząsteczki kwasu rybonukleinowego m.in. z użyciem zmodyfikowanych bakterii Escherichia coli. Na końcu tego procesu dsRNA miesza się z odpowiednimi substancjami pomocniczymi, które m.in. pomagają przywierać opryskom do liści.

Czy jednak stonka nie wytworzy z czasem odporności również na Calanthę? Badania naukowców z Uniwersytetu Tennessee wykazały, że może się tak stać i to zaledwie w ciągu 11 pokoleń. Stwierdzono to jednak w sztucznym środowisku laboratoryjnym, gdzie larwy stonki były stale narażone na działanie dsRNA, nie wiadomo więc, jak szybko coś podobnego mogłoby się rozwinąć w normalnych warunkach polowych. GreenLight Biosciences zachęca zatem rolników do naprzemiennego stosowania różnych środków. I koordynowania działań z sąsiadami, gdyż wszyscy farmerzy powinni stosować ten sam pestycyd w jednym roku, a inną substancję w kolejnym.

GreenLight Biosciences (podobnie jak inne firmy z branży) prowadzi intensywne prace nad kolejnymi preparatami wykorzystującymi RNA. Złożyła już wniosek do EPA o dopuszczenie do obrotu środka zwalczającego roztocza Varroa destructor, czyli głównego wroga pszczół miodnych, który zdołał wykształcić odporność na niemal wszystkie dostępne pestycydy. Również naukowcy z placówek akademickich eksplorują możliwości zastosowania RNA jako narzędzia do zwalczania mszycowatych atakujących cytrusy, korników, komarów i innych szkodników. Największym wyzwaniem będzie skuteczne wykorzystanie tej technologii przeciw owadom z rzędu Lepidoptera (motyle i ćmy), szczególnie tym atakującym rośliny kapustowate i kukurydzę. To Święty Graal, ponieważ wykształciły one odporność na wiele chemicznych insektycydów, a jednocześnie posiadają w swoim układzie pokarmowym potężne enzymy rozkładające RNA. Główny kierunek badań dotyczy więc takiego „pakowania” dsRNA, które umożliwiłoby przetrwanie cząsteczek w organizmach tych owadów.

Samiec, który truł samicę

Wyścig ze szkodnikami skłania naukowców do sięgania również po inne niekonwencjonalne rozwiązania. Badacze z Uniwersytetu Macquariego w Sydney chcą się posłużyć tzw. techniką toksycznego samca, która polega na wprowadzeniu do organizmów owadów genów pochodzących od innych gatunków i kodujących białka tworzące jad. Przetestowano siedem różnych tego typu protein u samców muszki owocowej (tworzyły się w ich płynie nasiennym). Najskuteczniejsze pochodziły od pewnego pająka oraz ukwiału – redukowały średnią długość życia zapłodnionych samic aż o 37–64 proc. Co istotne, zmodyfikowane genetycznie samce muszek zachowały pełną zdolność do zalotów i kopulacji, dzięki czemu skutecznie konkurowały z naturalnymi męskimi osobnikami, co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na ewentualny sukces tej metody w warunkach terenowych.

Przeprowadzono również komputerowe modelowanie potencjalnego wpływu takiej techniki na komary przenoszące żółtą febrę. Okazało się, że nawet umiarkowany poziom śmiertelności samic może redukować ich populację szybciej niż inne podejścia oraz zmniejszać częstotliwość żerowania o 40–60 proc.

Obecnie stosowane podobne metody kontroli populacji szkodliwych owadów, takie jak uwalnianie dużej liczby sterylnych samców czy genetycznie zmodyfikowanych poprzez umieszczenie w ich DNA genu zabijającego potomstwo w stadium larwalnym, mają swoje ograniczenia. Największym jest to, że samice, które już raz kopulowały, nadal mogą wyrządzać szkody poprzez rozprzestrzenianie chorób czy żerowanie na cennych uprawach. „Technika toksycznego samca” rozwiązuje ten kłopot, eliminując samice wkrótce po kopulacji.

Co równie ważne, szkodniki upraw czy owady przenoszące groźne choroby najprawdopodobniej nie powinny łatwo wykształcać odporności na toksyny białkowe pochodzące z jadu, ponieważ działają one w bardzo specyficzny sposób. Ingerują w złożone i fundamentalne procesy życiowe organizmu, czyli inaczej niż tradycyjne insektycydy, które często wpływają na pojedyncze i dość proste procesy biochemiczne (co ułatwia owadom wypracowanie odporności dzięki niewielkim mutacjom genetycznym). Mimo to badacze uważają, że najlepszym podejściem byłoby zastosowanie owadów przenoszących równocześnie kilka różnych toksycznych białek w nasieniu, co dodatkowo zabezpieczyłoby tę metodę przed ewentualnym uodpornieniem.

Australijscy naukowcy twierdzą, że potrzebują jeszcze 2–3 lat, aby uzyskać zmodyfikowane owady gotowe do badań terenowych oraz przeprowadzić eksperymenty niezbędne do upewnienia się, że technologia ta nie ma nieoczekiwanych negatywnych skutków. Jeśli potwierdzi się jej bezpieczeństwo, na komercyjne zastosowanie trzeba będzie poczekać kolejnych kilka lat.

Taka nowa technika mogłaby stanowić cenne uzupełnienie już istniejących metod kontroli populacji szkodliwych owadów. Jeden z najbardziej znanych przykładów dotyczy muchy śrubowej (Cochliomyia hominivorax). Jej samice składają jaja w okolicach ran lub naturalnych otworów ciała zwierząt (rzadziej ludzi). Wylęgające się larwy wnikają do tkanek i żerują na nich, tworząc charakterystyczne tunele, które przypominają kształtem śruby (stąd nazwa owada), co może doprowadzić nawet do śmierci gospodarza. Metoda kontroli much opiera się na prostym mechanizmie: do środowiska wypuszcza się ogromne ilości wyhodowanych w laboratorium, sterylizowanych promieniowaniem jonizującym samców. Konkurują one z dzikimi osobnikami o kopulację z samicami. Gdy te zetkną się ze sterylnym samcem, nie składają zapłodnionych jaj, co prowadzi do istotnego spadku liczebności populacji w kolejnym pokoleniu. Technika ta okazała się skuteczna w kontrolowaniu liczebności muchy śrubowej w USA i Meksyku.

Postęp w dziedzinie selektywnych metod kontroli szkodników czy groźnych dla zdrowia owadów odzwierciedla ewolucję naszego podejścia – od „brutalnej” chemicznej walki, poprzez inteligentne wykorzystanie naturalnych mechanizmów, aż po precyzyjną inżynierię molekularną. Jednak historia tych zmagań uczy pokory – każde nowe rozwiązanie to nie tyle ostateczne zwycięstwo, ile kolejny etap wyścigu między ludzką innowacyjnością a nieustannie ewoluującą przyrodą.