West-Nil, Zika, Dengue und Malaria sind alle Krankheiten, die durch Stiche infizierter Mücken übertragen werden. Um die Bedrohung durch solche Krankheiten über große Populationen hinweg verfolgen zu können, müssen Wissenschaftler wissen, wo die Mücken sind, wo sie waren und wohin sie möglicherweise gehen.
Aber nehmen Sie es von Rebekah Kading, einer Forscherin der Colorado State University, die durch Mücken übertragene Arboviren untersucht: Das Aufspüren von Mücken ist keine leichte Aufgabe. Das Einfangen, Markieren und Freisetzen einzelner Mücken – wie es bei Fledermäusen und anderen Krankheitsüberträgern üblich ist – wäre lächerlich, wenn nicht gar unmöglich. Eine gängige Technik zum Aufspüren von Mücken besteht darin, die Insekten in fluoreszierendes Pulver zu tauchen und sie davonfliegen zu lassen, aber diese Praxis ist fehleranfällig und unzuverlässig.
Dank einer Zusammenarbeit mit CSU-Ingenieuren stellen Kading und Kollegen jetzt eine bessere Möglichkeit vor, Mücken-Tracking für Krankheitsanwendungen durchzuführen. Ihre neue Methode, bei der Mückenlarven dazu gebracht werden, harmlose Partikel zu fressen, die vollständig aus DNA und Proteinen bestehen, hat das Potenzial, die Untersuchung von durch Mücken übertragenen Krankheiten zu revolutionieren.
Die essbaren Mückenmarkerpartikel sind das Werk von Chris Snow, außerordentlicher Professor am Institut für Chemie- und Bioingenieurwesen. In den letzten Jahren hat Snows Team mikroskopisch kleine, poröse Proteinkristalle entwickelt, die sich selbst aus einem Protein zusammensetzen, das ursprünglich in Camplyobacter jejuni-Bakterien gefunden wurde. Seit der Erfindung dieser sehr kleinen, ungiftigen Proteinkristalle, die hochpräzise Porenanordnungen aufweisen, hat Snows Team verschiedene Anwendungen für sie untersucht, wie das Einfangen von Viruspartikeln, um Abwassertests zu erleichtern.
Vor Jahren entdeckten sie, dass sie fluoreszierende Farbstoffe oder synthetische DNA sehr einfach in ihre Kristalle einfügen konnten und die DNA sich auch nach mehreren Waschgängen und Lösungsmitteln nicht bewegte. „Wir haben rein zufällig ein Material gefunden, das Nukleinsäuren sehr, sehr fest hält“, sagte Snow. Er begann zu glauben, dass diese DNA-Schnipsel wie „Barcodes“ in den porösen Kristallen fungieren und einzigartige Fingerabdrücke von Informationen liefern könnten.
Kading, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Mikrobiologie, Immunologie und Pathologie, hörte von Snows Forschung und dachte: Könnten diese kleinen künstlichen Kristall-Barcodes in einer Anwendung zum Markieren von Mücken verwendet werden? Kading und Snow tranken Kaffee und unterhielten sich.
Das war 2017. Seitdem hat die Zusammenarbeit, die sich jetzt liebevoll „Dark Crystal“-Team nennt, eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die die Nützlichkeit von Snows Barcodes als Tags demonstrieren, mit denen Millionen einzelner Mücken gekennzeichnet werden können. Bisher sind die Ergebnisse vielversprechend.
Mückenlarven fressen Barcodes
So machen sie es: Mückenlarven nehmen schmackhafte Biomasse auf, die mit den DNA-Kristallen in Lösung vorbeladen ist. Wenn die Moskitos zu Erwachsenen heranwachsen, bleiben die DNA-Kristalle in ihren Eingeweiden intakt und erzeugen einen Code, der später durch Labortechniken wie die quantitative Polymerase-Kettenreaktion gelesen werden kann.
Die Forscher beschreiben die Details in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in PNAS-Nexus. Im Sommer 2020 und 2021 erprobte das Team die Moskito-Markierungskristalle an kleinen Pilotstandorten im Osten von Fort Collins. Im folgenden Sommer wiederholte Kadings Team die Experimente in anderen Stadtteilen und analysiert nun diese Ergebnisse.
Die Methode, die die Forscher demonstrieren, ist in einer wichtigen Hinsicht einzigartig: Im Gegensatz zur herkömmlichen Mückenmarkierung, bei der erwachsene Mücken aus Fallen entnommen und auf Krankheiten analysiert werden, werden die DNA-Barcodes von den Mücken in ihren Larvenstadien aufgenommen und bleiben bei ihnen bestehen, wenn sie werden Erwachsene. Auf diese Weise können Forscher nicht nur verfolgen, wo die Mücken gelandet sind, sondern auch, wo sie angefangen haben und wie sie sich bewegt haben. Solche Erkenntnisse könnten sich für zukünftige Anwendungen zur Überwachung von Krankheiten als entscheidend erweisen, sagte Kading.
„Wir könnten eine Karte der Mückenlandschaft haben, die in einem bestimmten Gebiet produziert wird“, sagte Kading. „Wir könnten Hotspots für die Mückenproduktion identifizieren. Ich denke, dies würde eine ganz andere Wissensdimension zu den bereits bestehenden Echtzeit-Mückenüberwachungs- und Kontrolloperationen hinzufügen.“
Snow seinerseits ist fasziniert von der Idee, dass seine technisch hergestellten Proteinkristalle in einer Anwendung zur Überwachung von Krankheiten wie der von Kading verwendet werden könnten. „Es ist schön, weil es ein bisschen seltsam ist“, sagte er. „Es ist kreativ – ich habe noch nie jemanden gesehen, der etwas Ähnliches versucht hat. Und das macht Spaß – etwas Nützliches zu tun, aber auch völlig beispiellos.“
Zukünftige Richtungen
Da sie nur Schnipsel synthetischer DNA verwenden, können die Forscher Tausende von Barcodes pro Moskito-Charge einfügen, was Tausende von individuellen Signaturen bedeutet. Kading will mit einer zeitlichen Komponente des Markierens experimentieren: Indem Mückenlarven jede Woche verschiedene Barcodes aufnehmen, können die Forscher nicht nur erkennen, wo die Mücken gestartet und gelandet sind, sondern auch, wann sie welche Barcodes gefressen haben. Sie möchte die Experimente auch auf tropische Umgebungen ausdehnen, wo durch Mücken übertragene Krankheiten eine tägliche Bedrohung darstellen.
Die Verwendung von DNA-Proteinkristallen zum Markieren von Mücken hat viel Potenzial, aber wie alle guten Wissenschaftler hat das Team noch viel mehr Fragen zu beantworten. Zum einen sind sie sich nicht ganz sicher, warum die DNA-Schnipsel so gut im Mückendarm bestehen bleiben. Sie wollen auch wissen, wie lange die Barcodes im Mückendarm halten und ob es Möglichkeiten gibt, die Leistung zu steigern, indem man die Kristalle vielleicht noch klebriger macht. Schließlich ist die Skalierbarkeit ein wichtiger Faktor. Die Technologie könnte im Labor funktionieren, aber wie sieht es in einer kommerziellen Anwendung aus?
Kading, Snow und ihre Teams freuen sich darauf, gemeinsam Antworten zu finden. „Dies war eine großartige interdisziplinäre Zusammenarbeit“, sagte Kading. „Es hat Spaß gemacht, voneinander zu lernen und sich mit völlig unterschiedlichen Disziplinen auszutauschen.“
Mehr Informationen:
Julius D. Stuart et al., Moskito-Tagging unter Verwendung von DNA-barcodierten nanoporösen Proteinmikrokristallen, PNAS-Nexus (2022). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac190