Wissenschaftler stellen fest, dass der Malariaparasit im Mückenwirt seine Zeit braucht, um sich einen evolutionären Vorteil zu verschaffen

Der Malariaparasit ist ein Meister der Anpassung. Um seinen Lebenszyklus abzuschließen, muss der Parasit von einer Mücke auf einen Menschen und dann wieder zurück auf eine Mücke übertragen werden. Im Laufe der Millionen Jahre der Evolution hat es sich perfekt an diese beiden Wirte angepasst. Doch obwohl wir den Malariazyklus seit über 100 Jahren kennen, bleiben viele Fragen unbeantwortet.

Eine dieser Fragen betrifft die Dauer, die Malariaparasiten benötigen, um sich in der Mücke zu entwickeln. Derzeit wird geschätzt, dass Malariaparasiten nach durchschnittlich 12 Tagen übertragen werden können. Man geht jedoch davon aus, dass Mücken in der Natur durchschnittlich zwei Wochen leben.

Die für ihre Entwicklung benötigten 12 Tage erscheinen daher kontraintuitiv: Man würde erwarten, dass der Parasit so schnell wie möglich auf einen Menschen übertragen wird, da jeder Tag, den der Parasit in einer Mücke verbringt, die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Mücke stirbt, bevor der Parasit übertragen wird durch einen Biss. Welcher Vorteil rechtfertigt also das Risiko einer Nichtübertragung?

Evolutionärer Kompromiss

Forscher des Levashina Lab am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin haben diesen Vorteil nun aufgedeckt – und die Grundlage für ein besseres Verständnis der Parasitenentwicklung in der Mücke geschaffen. Sie zeigten, dass Parasiten vom reichhaltigen Nährstoffangebot der Mücke profitieren, wenn sie dort länger bleiben, bevor sie auf den Menschen übertragen werden, was letztendlich zu einer erfolgreicheren Übertragung führt. Der Zeitpunkt, zu dem ein Parasit auf einen Menschen übertragen wird, ist daher ein evolutionärer Kompromiss zwischen „für eine Infektion fit werden“ und „pünktlich gehen“.

Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Basierend auf Erkenntnissen aus Laborexperimenten wurden diese Ergebnisse durch den Einsatz mathematischer Modelle ermittelt. „Es ist praktisch unmöglich, die Entwicklung von Malariaparasiten im Labor zu verfolgen“, erklärt Paola Carrillo-Bustamante, Erstautorin der Studie. „Um den evolutionären Druck zu untersuchen, müsste man Hunderte von Übertragungszyklen verfolgen: Mücke-Säugetier-Mücke. Für menschliche Malariaparasiten ist das unmöglich.“

Mathematische Modelle erfassen reale Prozesse in mathematischen Formeln und ermöglichen es Forschern, Vorhersagen zu treffen und das Verhalten dieser Prozesse unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren und zu verstehen. Es gibt bereits Modelle zur Malariaübertragung, die grundsätzlich das Leben der Mücke beschreiben. Allerdings umfassen sie meist nur Variablen zur Larvenentwicklung, zum Stechverhalten, zur Fortpflanzung und zum Alter der Mücken. Diese Modelle gehen von der intuitiven Erwartung aus, dass sich Malariaparasiten in einer kurzen Entwicklungsphase entwickeln würden, was, wie oben beschrieben, in der Realität nicht der Fall ist.

Optimiertes Modell

Dass Modelle nicht vollständig der Realität entsprechen, stellt an sich kein Problem dar, da sie immer nur eine Annäherung an die Realität darstellen. Wenn ein Modell jedoch Schlüsselmechanismen nicht korrekt abbildet, muss es ergänzt werden. Die Aufgabe der Forscher bestand darin, die fehlende Variable zu finden, die es einem Übertragungsmodell ermöglichen würde, die Entwicklungszeit der Parasiten korrekt zu beschreiben. Frühere Studien zum Mückenstoffwechsel lieferten Hinweise auf die fehlende Variable.

Um ihre Eier zu entwickeln, benötigen weibliche Mücken Nährstoffe aus dem Blut von Säugetieren, weshalb sie Menschen stechen. Während dieser Blutmahlzeit gelangen Malariaparasiten in den Darm der Mücken und nutzen die gleichen Nährstoffe für ihre eigene Entwicklung. Allerdings sticht eine Mücke oft mehr als einmal im Leben.

„Unser Modell sagt voraus, dass der Parasit mit jeder Blutmahlzeit stärker wird, sodass er von mehreren Bissen profitiert“, sagt Carrillo-Bustamante. „Mit dieser entscheidenden Information haben wir das Übertragungsmodell überarbeitet. Mehrere Bisse brauchen Zeit – ein möglicher Grund, warum der Parasit lange in der Mücke wartet, um von möglichst vielen Blutmahlzeiten zu profitieren.“

Mehr als nur eine Spritze

Unter Hinzufügung der neuen Variablen „Stoffwechsel“ führten die Forscher anschließend Evolutionsexperimente mit dem aktualisierten Übertragungsmodell durch. Sie gaben virtuellen Parasiten die Möglichkeit, ihre Entwicklungszeit in der Mücke zufällig zu ändern, also zu mutieren. Anschließend ließen sie das Modell 5.000 Tage lang laufen – genug Zeit für die natürliche Selektion, um einen optimalen Entwicklungszeitpunkt zu finden.

Unabhängig davon, ob der Ausgangspunkt eine kurze oder eine lange Entwicklungszeit war, wurden in der Population immer Parasiten mit einer Entwicklungszeit von 12 Tagen selektiert. Dieses evolutionäre Optimum lässt sich auch in der Realität beobachten. Für Carrillo-Bustamante deutet das Ergebnis darauf hin, dass bestehende Modelle ergänzt werden müssen. „Frühere Modelle haben die Mücke oft wie eine Spritze behandelt, die den Malariaparasiten auf den Menschen überträgt. Unsere Studie zeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen Mücke und Parasit in Übertragungsmodellen berücksichtigt werden müssen.“

Malaria bleibt ein bewegliches Ziel. Wir müssen die Krankheit in all ihren Facetten verstehen, um wirksame Gegenmaßnahmen entwickeln zu können, denn immer noch infizieren sich jedes Jahr 250 Millionen Menschen mit Malaria. Genaue Modelle der Krankheitsübertragung sind ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheit und zur korrekten Vorhersage künftiger Epidemien. Dies ist besonders wichtig in einer Zeit veränderter Umweltbedingungen, da der Klimawandel Malaria in neue Regionen der Welt bringt.