Pengubahsuaian genetik menghalang nyamuk daripada menyebarkan malaria

Nyamuk membunuh lebih ramai orang setiap tahun berbanding haiwan lain. Pada tahun 2023, serangga penghisap darah menjangkiti kira-kira 263 juta orang dengan malaria, menyebabkan hampir 600,000 kematian, 80% daripadanya adalah kanak-kanak.

Usaha baru-baru ini untuk menghentikan penularan malaria telah terhenti kerana nyamuk telah mengembangkan daya tahan terhadap racun serangga dan parasit yang menyebabkan malaria telah menjadi tahan terhadap dadah. Kemunduran ini telah ditambah lagi oleh pandemik COVID-19, yang telah merumitkan usaha kawalan malaria yang berterusan.

Kini, penyelidik dari Universiti California, San Diego, Universiti Johns Hopkins, UC Berkeley dan Universiti Sao Paulo telah membangunkan kaedah baharu yang secara genetik menyekat keupayaan nyamuk untuk menghantar malaria.

Ahli biologi Zhiqian Li dan Ethan Beer dari UC San Diego, dan Yuemei Dong dan George Dimopoulos dari Johns Hopkins University telah mencipta sistem penyuntingan gen berasaskan CRISPR yang mengubah satu molekul dalam badan nyamuk — perubahan kecil tetapi berkesan yang menghentikan penghantaran parasit malaria. Nyamuk yang diubah suai secara genetik masih boleh menggigit orang yang dijangkiti dan mengambil parasit daripada darah mereka, tetapi mereka tidak lagi boleh menularkannya kepada orang lain. Sistem baharu ini direka untuk menyebarkan sifat tahan malaria secara genetik sehingga keseluruhan populasi serangga ini tidak lagi membawa parasit.

"Menukar satu asid amino dalam nyamuk kepada asid amino yang lain secara semula jadi yang mengganggu jangkitan oleh parasit malaria - dan menyebarkan mutasi yang bermanfaat itu ke seluruh populasi nyamuk - adalah satu kejayaan sebenar," kata Bier, seorang profesor di jabatan biologi sel dan perkembangan di Sekolah Sains Biologi UC San Diego. "Adalah sukar untuk mempercayai bahawa perubahan kecil itu boleh memberi kesan yang begitu dramatik."

Sistem baharu ini menggunakan CRISPR-Cas9 sebagai "gunting genetik" dan membimbing RNA untuk membuat potongan di kawasan genom nyamuk yang tepat. Ia kemudian menggantikan asid amino yang tidak diingini yang memudahkan penghantaran malaria dengan yang bermanfaat yang mengganggu proses.

Sistem ini menyasarkan gen yang mengekod protein yang dikenali sebagai FREP1. Protein ini membantu nyamuk berkembang dan memakan darah apabila mereka menggigit. Sistem baharu menggantikan asid amino L224 dalam FREP1 dengan alel berbeza, Q224. Parasit menggunakan L224 untuk pergi ke kelenjar air liur serangga, di mana mereka bersedia untuk menjangkiti perumah baru.

Dimopoulos, seorang profesor di Jabatan Mikrobiologi dan Imunologi Molekul dan ahli Institut Penyelidikan Malaria Kesihatan Awam Johns Hopkins Bloomberg, dan makmalnya menguji strain nyamuk Anopheles stephensi, vektor utama malaria di Asia. Mereka mendapati bahawa menggantikan L224 dengan Q224 berkesan menyekat dua jenis parasit malaria daripada memasuki kelenjar air liur, dengan itu menghalang jangkitan.

"Keindahan pendekatan ini ialah kami menggunakan alel semulajadi gen nyamuk. Dengan satu perubahan yang tepat, kami mengubahnya menjadi perisai yang kuat yang menyekat pelbagai spesies parasit malaria - dan berkemungkinan dalam populasi dan spesies nyamuk yang berbeza. Ini membuka pintu kepada strategi kawalan penyakit dunia sebenar yang boleh disesuaikan, "
kata George Dimopoulos.

Dalam ujian seterusnya, para penyelidik mendapati bahawa walaupun perubahan genetik menghalang parasit daripada menjangkiti badan, pertumbuhan dan pembiakan nyamuk tidak terjejas. Nyamuk dengan versi baharu Q224 adalah berdaya maju seperti nyamuk dengan asid amino L224 yang asli—satu pencapaian penting, memandangkan protein FREP1 memainkan peranan penting dalam biologi nyamuk, bebas daripada peranannya dalam penghantaran malaria.

Sama seperti sistem "pemacu gen", para penyelidik membangunkan kaedah yang membolehkan anak nyamuk mewarisi alel Q224 dan menyebarkannya ke seluruh populasi, dengan itu menghentikan penghantaran parasit malaria. Sistem “allelic drive” baharu ini mengikuti sistem serupa yang dibangunkan baru-baru ini di makmal Beer yang secara genetik membalikkan rintangan racun serangga dalam perosak pertanian.

"Dalam kajian terdahulu itu, kami mencipta pemacu penamatan sendiri yang mengembalikan populasi lalat buah daripada rintangan racun serangga kembali kepada kerentanan. Kemudian elemen kaset genetik itu hilang begitu sahaja, hanya meninggalkan populasi 'liar'," jelas Bier. "Sistem hantu yang serupa boleh menukar populasi nyamuk untuk membawa varian FREP1Q yang tahan parasit."

Walaupun penyelidik telah menunjukkan bahawa menggantikan L224 dengan Q224 adalah berkesan, mereka masih belum memahami sepenuhnya mengapa perubahan ini berfungsi dengan begitu berkesan. Kajian lanjut sedang dijalankan untuk menentukan dengan tepat bagaimana asid amino Q224 menyekat laluan masuk parasit.

"Kejayaan ini adalah hasil kerja berpasukan yang sempurna dan inovasi merentas institusi saintifik," tambah Dimopoulos. "Bersama-sama, kami menggunakan alat genetik alam semula jadi untuk menjadikan nyamuk sebagai sekutu dalam memerangi malaria."

Kajian itu diterbitkan dalam jurnal Nature.