Im Insekten-Labor

Tatsächlich fanden die Gießener Forscher mehrere potenzielle Antibiotika-Kandidaten in den Darmbakterien des To-tengräbers. Und auch die Spucke der Käfer enthält spezielle Biomoleküle, mit denen sich Keime abtöten und Lebensmittel haltbar machen lassen.

Der Speichel von Fliegenmaden eignet sich ebenfalls zur Bakterienbekämpfung. Das war schon den traditionellen Heilern verschiedener Völker bekannt. Im Amerikanischen Bürgerkrieg wurden wissenschaftlich ausgebildete Mediziner auf das Phänomen aufmerksam. „Damals blieben Verwundete oft tagelang zwischen den feindlichen Fronten liegen. Ihre Wunden konnten nicht versorgt werden und waren voller Fliegenmaden. Trotzdem haben gerade diese Männer öfter als ihre Kameraden überlebt, weil sie durch die natürlichen, von den Maden ausgeschiedenen Antibiotika vor Infektionen geschützt waren“, erklärt Andreas Vilcinskas.

Ein Militärarzt setzte die Maden damals gezielt zur Behandlung von Wundbrand ein. „Heute haben wir damit spektakuläre Erfolge beim Diabetischen Fuß. Wenn wir die Wunde mit Maden oder ihrem Speichel behandeln, dann heilt sie bis zu 18 Mal so schnell“, sagt der Biologe. „Man weiß, dass der Speichel Substanzen enthält, die sogar multiresistente Bakterien töten. Außerdem sind darin Enzyme, die nur krankes Gewebe verdauen und das gesunde in Ruhe lassen. Die wollen wir selbst herstellen und zum Beispiel Wundsalben damit entwickeln.“

Bio-Wirkstoff gegen Lungenentzündung

Dazu braucht es einen langen Atem. Die Entwicklung eines neuen Antibiotikums kann bis zu 15 Jahre dauern und eine Milliarde Euro kosten. Diese Investition lohnt sich für ein Pharmaunternehmen nur, wenn damit hohe Umsatzerwartungen verbunden sind. Doch für neue Antibiotika stehen diese Chancen schlecht. Es gibt bereits genügend Produkte, die den Bedarf gut abdecken, neue Wirkstoffe werden allenfalls noch als Reserve geordert und selten verschrieben. Alle großen Pharmahersteller, etwa Sanofi und Novartis, sind deshalb aus dem Antibiotikamarkt ausgestiegen.

„Sanofi hat uns eine der weltgrößten Sammlungen von kultivierten Bakterien und Pilzen mit mehr als 130.000 Stämmen überlassen. Im Rahmen dieser Kooperation haben wir ein breites Spektrum antimikrobieller Biomoleküle aus Marienkäfern und Wundmaden untersucht“, berichtet der Insektenforscher. Außerdem wurden ihre Wirkungen auf mögliche Nebenwirkungen getestet.

„Am Ende blieben von 108 Substanzen nur zwei übrig“, so der Biologe. „Sie hemmen gram-negative Bakterien, für die seit 50 Jahren keine neuen Antibiotika entwickelt wurden. Erste Tests an Mäusen deuten darauf hin, dass die neuen Wirkstoffe Lungenentzündungen heilen können.

In Vilcinskas Labor haben längst Insekten den Job von Mäusen und anderen Versuchskaninchen übernommen. Zum Beispiel Reismehlkäfer der Gattung Tribolium: Die schlanken braunen Käfer bekommen verschiedene Substanzen zu fressen und krabbeln dann an einer Messlatte hoch. Fitte Käfer schaffen es in derselben Zeit weiter nach oben als weniger fitte. Mithilfe dieses simplen Verhaltenstests hofft der Forscher, neue Medikamente gegen Parkinson zu finden.

„Wenn ich die Käfer mit einem speziellen Nervengift füttere, löst das bei ihnen ähnliche Schüttelanfälle aus, wie man sie von Parkinson-Patienten kennt. Wenn sie danach mit Pflanzenextrakten gefüttert werden und die Symptome verschwinden, dann wissen wir: Diese Extrakte enthalten Wirkstoffe, die für die Entwicklung von Medikamenten interessant sind. Das lässt sich nicht in Zellkulturen testen, weil solche Verhaltensveränderungen sehr komplex sind“, betont der Entomologe. Mit dieser Testmethode will er künftig eine Vielzahl von Pflanzen und Insekten nach neuen Wirkstoffkandidaten durchforsten.

Solche noch unbekannten Naturstoffe könnten die medizinische Versorgung der Menschheit entscheidend verbessern. Ein Grund mehr, Insekten zu schützen und das dramatische Insektensterben zu stoppen, das seit Jahren zu beobachten ist. Denn die Überlebenskünstler der Natur stoßen an ihre Grenze, wenn der Mensch mit der chemischen Keule kommt.

Selbst von einst häufigen Insektenarten fliegen, krabbeln und schwimmen heute nur noch ein Viertel so viele Individuen in unseren Wiesen, Wäldern und Gewässern umher wie noch vor 30 Jahren. Bei einzelnen Gruppen beträgt der Schwund sogar über 90 Prozent. Und wo es an Raupen und Fliegen mangelt, verhungern Frösche, Igel und Eidechsen. Vögel bringen ihre Brut nicht durch. Am Ende verarmen ganze Ökosysteme.

Auch für die Landwirtschaft ist der Trend fatal: Allein der monetäre Wert der Bestäubungsleistung beträgt in Europa mehr als 14 Milliarden Euro pro Jahr. Wollen wir auch in Zukunft Äpfel und Birnen, Gurken und Bohnen ernten, müssen wir für das Wohl unsere blütenbesuchenden Sechsbeiner sorgen. Dazu braucht es deutlich mehr blühende Büsche, Hecken und Raine neben dem Acker – und weniger Agrochemikalien.

Das Verbot der tödlichen Neonicotinoide ist dazu ein wichtiger Schritt. Doch ohne wirkungsvollen Ersatz warten neue Probleme, betont der Biologieprofessor Andreas Vilcinskas: „Wir beobachten mit Sorge, dass sich bestimmte Schadinsekten massiv ausbreiten. Die Bauern fühlen sich im Stich gelassen, weil man ihnen die Waffen genommen hat.“

Das betrifft etwa die 26.000 hiesigen Rübenbauern, deren Ernte durch die Schilf-Glasflügelzikade bedroht ist. Das wenige Millimeter kleine Insekt saugt an den Blättern der Feldfrucht und infiziert sie dabei mit Bakterien, die den Zuckergehalt der Rübe verringern. Die unheilvolle Zikade ist in Deutschland eigentlich nicht heimisch. Doch im Zuge der Klimaerwärmung ist sie von Frankreich aus eingewandert und wird hier zusehends zur Plage. „Seit dem Verbot der Neonicotinoide haben wir nichts gegen sie in der Hand“, sagt Andreas Vilcinskas. „Unser Ziel ist es, neue Strategien zu ihrer Bekämpfung zu entwickeln, jenseits von chemischen Pestiziden und gentechnisch veränderten Zuckerrüben.“

Umweltverträglicher Pflanzenschutz ist ein großes Ziel des Biologen. Die Perspektiven sind so vielversprechend, dass die Universität Gießen zwei zusätzliche Insekten-Professuren mit den Schwerpunkten Pflanzenschutz und Naturstoffforschung eingerichtet hat. Dazu kommt eine millionenschwere Forschungskooperation mit der Frankfurter Senckenberg-Gesellschaft, die ihrerseits zwei Professuren finanziert, um die Genomforschung an Insekten und anderen Tieren voranzutreiben.

Trickreiche RNA-Interferenz

Genomforschung ist auch der Schlüssel zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen wie der Schilf-Glasflügelzikade. Dabei gilt es, zunächst Gene zu identifizieren, die nur für eine bestimmte Schädlingsart charakteristisch und zugleich lebenswichtig sind. Kennt man diese artspezifischen Gene, dann versucht man, sie gezielt auszuschalten.

Eine clevere Methode haben die Biologen von der Natur abgeschaut: die RNA-Interferenz, kurz RNAi, oder RNA-Silencing. „Diesen Mechanismus benutzen alle höheren Organismen, um sich gegen Viren zu schützen“, erklärt Andreas Vilcinskas. In den Biowissenschaften wird die RNA-Interferenz zur Stilllegung (englisch: Silencing) von Genen genutzt. Das Kunststück gelingt mit doppelsträngigen RNA-Stücken, deren Sequenz exakt komplementär zu den ausgewählten Genen ist. Weil Tier- und Pflanzenzellen normalerweise keine doppelsträngige RNA herstellen, erkennen sie diese als fremd und bauen sie sofort ab. RNA-Einzelstränge derselben Sequenz werden bei dieser Aktion gleich mit vernichtet. Will man also die Aktivität eines bestimmten Gens unterbinden, muss man lediglich die von ihm kodierte RNA-Sequenz als Doppelstrang nachbauen – und dann dafür sorgen, dass sie in die Schadinsekten gelangt, sprich: von ihnen gefressen wird.

Dazu gibt es zwei Optionen. Nummer eins: Man schleust die lebenswichtigen Insekten-Gene ins Erbgut der Kulturpflanzen ein und verändert die Pflanzen so, dass sie die doppelsträngige RNA herstellen. Fressen die Insekten davon, sterben sie. „Das haben wir mit Maispflanzen gemacht, um sie vor dem Maiswurzelbohrer zu schützen. Dazu mussten wir sicherstellen, dass diese RNA auch in den Wurzeln produziert wird, wo die Larven fressen“, sagt Andreas Vilcinskas. Die Käfer gelten in den USA als wirtschaftlich fatalste Pflanzenschädlinge und breiten sich längst auch in Europa aus. 2009 vernichteten sie in der norditalienischen Region Lombardei ein Drittel der Mais-Ernte.

„Das Besondere dieser Methode ist, dass wir sie artspezifisch einsetzen können – also damit gezielt Gene einer bestimmten Art stilllegen können. Selbst nah verwandte Arten werden davon nicht beeinträchtigt, erst recht nicht Bienen und andere Tiere oder Menschen“, betont der Biologe.

Wie trickreich die Fraunhofer-Forscher vorgehen, zeigt sich am Beispiel der Erbsenblattlaus. Die Insekten ernähren sich von Pflanzensäften und zapfen dazu die Leitungsbahnen ihrer Wirtspflanzen an. Ein spezielles Eiweiß in ihrem Speichel härtet beim Kontakt mit dem Saftstrom aus und dient den Tierchen als Trinkhalm. „Wenn wir genau dieses Eiweiß mit RNA-Interferenz ausschalten, dann können sie den Trinkhalm nicht mehr herstellen und verhungern“, erklärt Andreas Vilcinskas.

An zwei Max-Planck-Instituten in Potsdam-Golm und Jena gelang es mithilfe der RNA-Interferenz-Technik bereits, Kartoffelpflanzen gegen den gefürchteten Kartoffelkäfer resistent zu machen. Weltweit erhofft man sich von der neuen Technik eine umweltfreundliche Alternative zur Giftspritze. Doch ob die sich selbst schützenden Mais- und Kartoffelsorten künftig auch hierzulande angebaut werden, ist angesichts der großen Vorbehalte in der Bevölkerung gegen transgene Pflanzen ungewiss.

Deshalb setzt Andreas Vilcinskas auf Option Nummer zwei: „Wir wollen die doppelsträngige RNA im Labor herstellen und dann wie ein Pestizid direkt auf den Acker sprühen. Die Schadinsekten nehmen sie dann dort beim Fressen auf. Das ist – auch in großen Mengen – unbedenklich, weil die RNA keine toxischen Bestandteile enthält und im Freien restlos zerfällt“, erläutert der Insektenforscher.

Das Problem: Damit die RNA aktiv werden kann, darf sie nicht zu früh zerfallen. Wie man sie lange genug stabil halten und zudem mit herkömmlichen Geräten versprühen kann, muss für jede Schädlings-Art neu ausgetüftelt werden. Ein Präparat gegen den Kartoffelkäfer hat sich bereits bewährt. „Im Gewächshaus funktioniert die Kontrolle mit sprühbarer doppelsträngiger RNA hervorragend. Als nächstes testen wir ein Mittel gegen den Rapsglanzkäfer, der die Blütenpollen frisst und so die Bildung der Rapsschoten verhindert“, so Vilcinskas.

Doch damit die neuartigen Biopestizide konkurrenzfähig sind, müssen ihre Kosten noch deutlich geringer werden. Hier arbeiten die Gießener Fraunhofer-Forscher mit dem US-Unternehmen Green-lightBioscience zusammen: Es hat ein Verfahren entwickelt, um doppelsträngige RNA günstig herzustellen. Wenn sich die Erwartungen erfüllen, wird die RNA-Interferenz-Technik künftig eine wichtige Rolle im Pflanzenschutz spielen.

Einsatz natürlicher Feinde

Daneben verfolgt man in Gießen auch altbekannte Konzepte wie die biologische Schädlingsbekämpfung. Dabei kommen natürliche Feinde der Schädlinge zum Einsatz, etwa räuberische Insekten und Spinnen oder Krankheitserreger wie Pilze, Bakterien und Viren. Im Ökolandbau schützt man schon seit Langem Äpfel mit Granulose-Viren vor dem sprichwörtlichen Wurm – der Raupe des Apfelwicklers. Die tödlichen Viren befallen nur diese eine Schmetterlingsart und sind für andere Insekten harmlos. Ein ebenso wirkungsvolles wie umweltfreundliches Mittel wünschen sich die Obstbauern gegen die Kirschessigfliege Drosophila suzukii. Die aus China eingeschleppte Art vernichtet hierzulande in manchen Jahren große Teile der Obst- und Weinernte.

Vilcinskas Team hatte in hessischen Obstplantagen nach kränklichen Exemplaren der exotischen Fliege gesucht. In manchen dieser Tiere fanden sie tatsächlich bis dahin unbekannte krankmachende Viren, die sich im Laborversuch für andere Insektenarten als harmlos erwiesen. „Wenn wir diesen artspezifischen Erreger als Insektizid nutzen wollen, kommt wieder die Gelbe Biotechnologie ins Spiel“, erklärt Vilcinskas. „Zuerst müssen wir Zellkulturen von Drosophila suzukii generieren und zusammen mit den Viren in großem Maßstab in Fermentern vermehren. Dann müssen wir die Viren ernten und sie in einer Weise verpacken, dass sie sich in den Obstplantagen versprühen lassen. Geeignete Verfahren wollen wir 2021 entwickeln, mit Fördermitteln des Bundes-Landwirtschaftsministeriums.“

Schutz vor exotischen Einwanderern

Aggressive Invasoren aus Übersee bedrohen jedoch nicht nur unsere Ernten, sondern auch unsere Gesundheit. Allein in Hessen haben sich schon fünf exotische Stechmücken-Arten eingenistet, darunter die Asiatische Tigermücke und die Japanische Buschmücke. Beide können Viren übertragen, die lebensgefährliche Tropenkrankheiten wie das Zika-, Chikungunya- oder Dengue-Fieber auslösen. „Durch den Klimawandel werden sich diese Mücken weiter ausbreiten – und damit auch die Viren. Es ist keine Frage, ob die Viren künftig bei uns leben, sondern nur wann. Darauf müssen wir vorbereitet sein“, sagt Vilcinskas. „Was machen wir, wenn am Oberrhein die ersten Babys der Zika-Überträger geboren werden? Dann stehen wir vor einem Dilemma. Wir können entweder unsere einheimischen Wasserinsekten schützen – oder die Gesundheit des Menschen. Insektizide vernichten wahllos alle Mücken. Wenn wir darauf verzichten wollen, brauchen wir gute Alternativen.“

Die erste Herausforderung besteht darin, die exotischen Mücken aufzuspüren, bevor sie in Massen auftreten. Die Lehre aus der Corona-Pandemie lautet: testen, testen, testen. Im biotechnologischen Institut am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Gießen werden in Kooperation mit der Senckenberg-Gesellschaft Diagnose-Systeme entwickelt, die kleinste Spuren DNA in der Umwelt aufspüren und diese eindeutig bestimmten Arten zuordnen.

„Damit können wir dann in jedem Gewässer sehr schnell herausfinden, welche Mücken dort leben und welche Viren dort vorkommen“, hofft Andras Vilcinskas. Bei der Entwicklung von artspezifischen DNA-Sonden besteht eine Zusammenarbeit mit dem durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst geförderte LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik. Parallel dazu will der Fraunhofer-Forscher auch gleich die zugehörige RNA erzeugen – um auf Basis der RNA-Interferenz-Technik neue Insektizide gegen Tigermücke & Co. zu entwickeln: „Meine Vision ist es, doppelsträngige RNA im Gewässer direkt an die Mückenlarven zu verfüttern und sie damit auszuschalten. Denn sobald die Mücken ausgeschlüpft sind, lassen sie sich viel schwerer kontrollieren.“

Andreas Vilcinskas denkt weiter: „Es kann gut sein, dass die Zika- oder Dengue-Viren von der invasiven Mücke auf einheimische Arten überspringen. Dann haben wir wirklich ein Problem. Deshalb arbeiten wir bereits an maßgeschneiderten Abwehrstrategien gegen die Schadinsekten“, erklärt der Entomologe. Um den Wettlauf mit der erfolgreichsten Tiergruppe der Erde zu gewinnen, gilt es, immer einen Schritt voraus zu sein.