Alte Anwendung im neuen Gewand

Aktuell wird in den Laboren eine Biotechnologie weiterentwickelt, die große Hoffnungen weckt. Es handelt sich um den Prozess der sogenannte RNA-Interferenz (RNAi). Der Begriff steht für eine Vielzahl an Möglichkeiten, mithilfe von RNA-Sequenzen die Entstehung von Proteinen in Organismen zu beeinflussen. Die Entwicklung der Organismen kann dadurch gehemmt, Eigenschaften verstärkt und abgeschwächt oder ihr Tod herbeigeführt werden. Im Gegensatz zu DNA, sind RNAs kurzlebige bewegliche Moleküle, die sich in ihren Bausteinen als auch ihrer Funktion von der DNA unterscheiden. Lange wurde angenommen, dass ihre Rolle vor allem der Transport von DNA-Sequenzen aus dem Zellkern in das Zellplasma und die Proteinbildung war. Heute sind eine Vielzahl weiterer Ausprägungen und Funktionen bekannt, unter die auch die RNAi fällt.

Als Entdecker dieses Mechanismus gelten der US-amerikanische Biologe Andrew Fire und der Biochemiker Craig Mello, die 2006 den Medizinnobelpreis für ihre Arbeit zu RNAi bekommen haben. Hans Jörnvall, Sprecher des Nobelkomitees, sagte dazu „Das Pfiffige an ihrer Entdeckung ist, dass sie die Mittel der Natur selbst zur Anwendung bringt. Dies eröffnet fantastische Möglichkeiten. Natürlich dauert es noch etliche Jahre, bis wir daraus Arzneimittel bekommen werden. Aber die Prinzipien sind klar."

Die Euphorie überträgt sich auch auf den Agrarbereich – Konzerne und Wissenschaftler*innen wittern hier ebenfalls Anwendungsmöglichkeiten. In der Landwirtschaft sind zwei Verfahren von besonderer Bedeutung: Gentechnisch veränderte (gv) Pflanzen, die den RNAi-Mechanismus nutzen um Schadinsekten oder Viren fernzuhalten und neuerdings auch Stoffe zur äußerlichen Anwendung. Letzteres Verfahren steckt noch in den Kinderschuhen, aber die ersten Vorbereitungen zur Vermarktung und Anwendung im freien Feld laufen bereits.

Was ist RNAi?

Die RNA-Interferenz ist natürlicherweise vor allem ein Mechanismus zur Abwehr von Viren. Beobachten lässt er sich in den Zellen von Lebewesen, die einen Zellkern besitzen. Viren injizieren ihre doppelsträngige RNA (dsRNA) in Zellen, um die dortigen biochemischen Komponenten zur Synthese ihrer Proteine zu nutzen und sich zu vermehren. Erkennt die Zelle dsRNA bearbeitet sie diese, blockiert damit die verbleibende Viren-RNA und verhindert somit die Entstehung von Viren-Proteinen. Da Zellen zudem selbstständig dsRNA produzieren, kann der gleiche Mechanismus auch zur eigenen Genregulierung verwendet werden. RNAi ermöglicht das Stoppen oder Hemmen der Genexpression und wird daher auch Gene-Silencing also Gen-Verstummung genannt. Dies macht sich die Wissenschaft zunutze, um die Wirkung und Regulation von Genen und Proteinen zu untersuchen.
RNAi bei gentechnisch veränderten Pflanzen

Ganz neu ist das nicht, ein ähnlicher Prozess der Genregulierung ist von Bakterien bekannt und wurde schon in Nutzpflanzen eingebaut. Einige der ersten gv-Pflanzen, wie die Tomate FlavrSavr oder die Kartoffel Amflora basieren auf diesem Mechanismus.  Durch die RNAi-Technologie kann jetzt aber nicht nur die Genregulation des eigenen Organismus verändert werden, sondern auch die anderer Organismen, die mit der Pflanze Kontakt haben. So wurde in Brasilien eine gv-Bohne entwickelt, die durch RNAi gegen das Golden-Mosaik-Virus resistent ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet von großem Interesse ist der Schutz von Pflanzen vor pflanzenfressenden Insekten.

Der langjährige Mitarbeiter von Monsanto James Baum veröffentlichte zusammen mit anderen Wissenschaftler*innen 2007 einen Artikel, der als ein Meilenstein in der Entwicklung von RNAi-Pflanzen gilt. In ihrer Studie zeigten sie, dass der Verzehr von Nahrung mit spezifischer dsRNA zu einer hohen Sterblichkeit bei einigen Käferarten führte. Die künstliche dsRNA ist der RNA eines überlebenswichtigen Proteins der Käfer nachempfunden. Mit dem Verzehr gelangt die künstliche dsRNA in die Zellen und startet dort den RNAi-Verteidigungsmodus, der neben der künstlichen RNA auch die RNA des Käfers zerstört. Das überlebenswichtige Protein wird nicht mehr gebildet und der Käfer stirbt. Auf Grundlage dieser Untersuchung entwickelte Monsanto den gv-Mais Mon-87411, der in den USA und Kanada zum kommerziellen Anbau und 2019 in der EU als Lebens- und Futtermittel zugelassen wurde.

Bayers ‚Monster-Mais`

Noch 2022 erwartet die Bayer AG die Zulassung eines ihrer neuen Gentech-Produkte auf dem US-Markt. Bei der US-amerikanischen Aufsichtsbehörde EPA läuft momentan die Zulassungsgenehmigung für den Mais Smartstax PRO, der bisher in Brasilien, Kanada und Japan für den Anbau zugelassen ist. Der Mais ist eine Weiterentwicklung von Monsantos (jetzt Bayer) gv-Smartstax Mais, der sechs verschiedene, für Insekten giftige Bt-Toxine produziert sowie Resistenzen gegenüber Glypohsat und Glufosinat besitzt. Nun soll der PRO Mais zudem auch noch die für den Käfer „Westlicher Maiswurzelbohrer“ giftige dsRNA aus dem Mon-87411 herstellen.

Die sogenannte Stapelung von verschiedenen gv-Eigenschaften wie unterschiedlichen Bt-Toxinen und dsRNA soll der Resistenzentwicklung bei Insekten entgegenwirken. Allerdings wurde schon beim SmartStax Mais von Nichtregierungsorganisationen kritisiert, dass mögliche Wechselwirkungen zwischen den Toxinen sowie den Rückständen der Herbizide, weder in den Studien noch in der Risikoprüfung der EU beachtet werden. So bestätigten Pestizidexpert*innen der EFSA, dass es zu wenig Daten gibt, um die Sicherheit der Glyphosatrückstände in gv-Pflanzen zu bewerten. Leider stimmt die Gentechnik-Abteilung der EFSA und die EU-Kommission dieser Einschätzung nicht zu und scheint auch weitere Kritik an der momentanen Risikoprüfung in der EU von gv-Pflanzen nicht ernst zu nehmen. Somit konnte Werner Baumann, der Vorstandvorsitz von Bayer, auf der Hauptversammlung 2022 auch getrost verlauten lassen: „Bei CROPSCIENCE überprüfen wir während der Entwicklungsphase alle unsere Produkte in behördlich und international vorgeschriebenen Tests auf ihre Sicherheit für den Anwender, die Umwelt und die Konsumenten.“ Aber gerade diese Tests sind es, die Mängel in der Methodik haben.

RNAi Pestizide

All die bis hierher genannten Produkte haben gemeinsam, dass durch gentechnische Verfahren Gene in Pflanzen eingebaut wurden, die über RNAi auf die Pflanze selbst oder andere Organismen wirken. Diese Pflanzen gelten daher als gv-Organismen und fallen unter die Gentechnik-Regulierung. Damit sie auf den Markt gebracht werden dürfen, müssen sie in den meisten Ländern ein Zulassungsverfahren inklusive Risikoprüfung durchlaufen, gekennzeichnet werden und stoßen bei vielen Konsument*innen auf Ablehnung. Große Hoffnungen legt die Biotech-Industrie daher in die Entwicklung von rein äußerlichen RNAi-Anwendungen zum Pflanzenschutz.

Diese werden bisher nicht als Gentechnik eingestuft, da sie keine Veränderungen der DNA bewirken sollen. Aus diesem Grund wird in den Ländern, die diese Anwendung bereits diskutieren, eine äußerliche RNAi-Anwendung voraussichtlich als Pestizid behandelt. Neben den USA, Australien und Neuseeland läuft auch innerhalb der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) ein Prozess zur Einordnung und Risikoeinschätzung dieser neuen Anwendungen, der auch Richtungsweisend für Deutschland ist. Jack Heinemann, Professor für Genetik an der Universität von Canterbury, kritisierte 2019 die Einschätzung der Neuseeländischen Umweltbehörde. Er verweist in seinem Artikel auf einige Interaktionen zwischen RNA und der Erbinformation, die als Mechanismus und mit ihren unbeabsichtigten Folgen der möglichen Erbgutveränderung nicht beachtet werden in der Risikobewertung. Heinemann plädierte daher für eine strengere Prüfung.

Der am Horizont winkende neue Markt hat dazu geführt, dass viele Start-ups, fast alle außerhalb Europas ansässig, bereits gegründet wurden, um an möglichen Produkten zu arbeiten. Innerhalb der EU forschen die großen Agrarkonzerne an der Technologie. Die Bayer AG arbeitet seit Jahren sowohl an gv-Pflanzen sowie an RNAi-Pestiziden. Die Expertise hierfür wurde vor allem durch die Fusion mit Monsanto gewonnen. Aber auch andere positionieren sich. So hat Syngenta 2012 das in Belgien ansässige multinationale Agrarbiotechnologieunternehmen Devgen für 523 Million Dollar aufgekauft, um im Bereich RNAi-Pestizide zu expandieren.

Vor- und Nachteile von RNAi-Pestiziden

Für die Konzerne ist die Andersbehandlung bei der Regulierung ein Plus. Externe RNAi-Anwendungen haben im Vergleich mit gv-Pflanzen oder chemischen Pestiziden aber auch durchaus ökologische Vorteile. So können die Stoffe nur dann eingesetzt werden, wenn sie tatsächlich benötigt werden, nämlich wenn das Auftreten von Schadinsekten große Schäden anrichtet. Gv-Pflanzen hingegen, die ständig Toxine produzieren, werden immer schon vorsorglich angebaut, so dass ihre Toxine ständig in der Umgebung sind. Dies befördert die Entstehung von Resistenzen bei Insekten und hat einen größeren Einfluss auf ökologische Systeme. Neben der selektiven Ausbringung zerfallen RNAi-Pestizide sehr schnell beim Kontakt mit UV Licht, was für den Pflanzenschutz hinderlich, aber in der Kommunikation über Umweltauswirkung durchaus positiv eingeschätzt wird. Allerdings weisen Wissenschaftler*innen darauf hin, dass sich die Moleküle doch länger im Boden halten könnten als vermutet.

Es wird angenommen, dass Pestizide, die auf RNAi basieren, deutlich spezifischer wirken als herkömmliche Insektizide. Viele chemische Insektizide wirken auf das Nervensystem, die Zellmembranen oder hemmen das Wachstum in frühen Entwicklungsstadien. Je ähnlicher die biochemischen Reaktionen in verschiedenen Organismen sind, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass ein chemischer Stoff für beide Organismen schädlich ist. Die RNAi soll hingegen auf der arteigenen mRNA-Sequenz von Proteinen beruhen. Einige Studien mahnen jedoch zur Vorsicht und verweisen auf überraschende Forschungsergebnisse sowie Wissenslücken. So hängt es anscheinend sehr vom Mechanismus der RNAi, der Länge der verwendeten RNA-Sequenzen sowie der Sensibilität der Organismen ab, ob auch Nicht-Ziel-Arten betroffen sein könnten. Auch innerhalb der Organismen kann es zu Nebeneffekten kommen, die noch wenig verstanden sind. Problematisch ist, wie bei gv-Organismen oder Pestiziden auch, dass Nebeneffekte immer nur an einer Auswahl von Insekten, die besondere Ähnlichkeiten haben oder als besonders schützenswert gelten, getestet werden.

Systemfrage

Bereits jetzt wird deutlich, dass Insekten und Viren auch gegen diese Art der Bekämpfung Resistenzen entwickeln. Somit sind Pestizide, die auf der RNAi-Technologie basieren, wohl nicht die große Erlösung – der wichtige, unabdingbare Schritt zu einer nachhaltigen Landwirtschaft – als die sie gerade prophezeit werden. Vielmehr sind sie wieder nur eine weitere Entwicklungsstufe in der technologischen Tretmühle der industriellen Landwirtschaft. Möglicherweise führt der Einsatz von RNAi-Pestiziden zu einer etwas weniger vergifteten Landwirtschaft als zuvor, das ist besser als nichts. All die bekannten Defizite des überholten Landwirtschaftsmodells bleiben jedoch bestehen und werden durch eine Wissens-, Kapital- und Material intensive Technologie weiter verstetigt.

Quellen:

• Deutsche Welle (02.10.2006): Nobelpreis an US-Forscher für das Stummschalten von Genen. Online: https://p.dw.com/p/9CBP
• Baum, J.A. et al. (2007): Control of coleopteran insect pests through RNA interference. Nat. Biotechnol. Vol:25(11), Seite: 1322-6, DOI: 10.1038/nbt1359
• European Food Safety Authority (EFSA) (2019): Review of the existing maximum residue levels for glyphosate according to Article 12 of Regulation (EC) No 396/2005 – revised version to take into account omitted data. EFSA Journal, Vol: 17(10), Seite: 211, DOI:10.2903/j.efsa.2019.5862
• Hilbeck, A. et al. (2020): Insecticidal Bt crops: EFSA’s risk assessment approach for GM Bt plants fails by design. Report of the results from the RAGES project 2016-2019. Online: www.testbiotech.org/projekt_rages
• Testbiotech (18.10.2019): Das Problem mit der Gentechnik und der unabhängigen Risikoforschung in der EU. Online: https://www.testbiotech.org/content/das-problem-m…
• OECD (2020): Considerations for the Environmental Risk Assessment of the Application of Sprayed or Externally Applied ds-RNA-Based Pesticides. Online: https://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisp…
• Heinemann, J. A. (2019): Should dsRNA treatments applied in outdoor environments be regulated? Environmental International, Vol: 132, DOI: 10.1016/j.envint.2019.05.050.
• Kimberly, M. P. et al. (2019): Environmental Fate of RNA Interference Pesticides: Adsorption and Degradation of Double-Stranded RNA Molecules in Agricultural Soils. Environmental Science & Technology, Vol: 53 (6), S: 3027-3036, DOI: 10.1021/acs.est.8b05576
• Chen, J. et al. (2021): Off-target effects of RNAi correlate with the mismatch rate between dsRNA and non-target mRNA. RNA Biol. Vol: 18(11), S:1747-1759. DOI: 10.1080/15476286.2020.1868680.
• Taning, C.N.T. et al. (2021): A sequence complementarity-based approach for evaluating off-target transcript knockdown in Bombus terrestris, following ingestion of pest-specific dsRNA. J. Pest. Sci., Vol: 94, Seiten 487–503, DOI: 10.1007/s10340-020-01273-z
• Dalakouras, A.; Papadopoulou, K.K. (2020): Epigenetic Modifications: An Unexplored Facet of Exogenous RNA Application in Plants. Plants Vol.9, S.673. DOI: 10.3390/plants9060673
• Carstens K. et al. (2014): Surrogate species selection for assessing potential adverse environmental impacts of genetically engineered insect-resistant plants on non-target organisms. GM Crops Food 5, 11–15. DOI: 10.4161/gmcr.26560
• Mishra, S., et al. (2021): Selection for high levels of resistance to double-stranded RNA (dsRNA) in Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) using non-transgenic foliar delivery. Sci Rep Vol:11, DOI:10.1038/s41598-021-85876-1
• Darlington, M. et al. (2022): RNAi for Western Corn Rootworm Management: Lessons Learned, Challenges, and Future Directions. Insects, 13, 57. DOI:10.3390/insects13010057