Biologická ochrana (6): RNAi pesticidy aneb molekulární biologie a genetika není jen GMO

01. 11. 2024 Ing. Jiří Nermuť, Ph.D.; Biologické centrum AV ČR, v.v.i. Ochrana obecně Zobrazeno 674x

Na přítomnost geneticky modifikovaných plodin a jiných organizmů jsme si již zvykli. Při nejmenším se s nimi potkáváme v často nesmyslně vyhrocených debatách, které mají obvykle jedno společné. Jen málo kdo z účastníků debaty vůbec chápe, o čem debatuje. Každopádně metod, které nám nabízí molekulární biologie a genetika, je nepřeberné množství a v praxi se nemusíme vždy zaměřovat pouze na GMO plodiny. Úžasných znalostí o fungování organizmů na molekulární úrovni můžeme využít i jinak.

Jednou z možností, které se nabízejí, jsou RNAi pesticidy. A že jste o něčem takovém zatím neslyšeli? Není divu, je to opravdu novinka posledních několika let, která v současné době poprvé vstupuje na trh. O tom, jak tato technologie funguje, co umí a na co si dát pozor, si povíme v dnešním článku.

Nová cesta ochrany rostlin

V současnosti dominantní chemické pesticidy, v podobě, jakou známe dnes, vstoupily na trh zhruba ve čtyřicátých letech dvacátého století. Mají tak za sebou přibližně 80 let existence. První zmínky o používání různých anorganických látek však pocházejí již z antického Říma z prvního století a kolem roku 900 se k používán sloučenin arsenu připojila i Čína. Ve srovnání s nimi je tak RNAi (RNA interference) žhavou novinkou. V roce 1998 publikovali tento objev pánové Andrew Fire a Craig Mello. O pár let později, v roce 2006, obdrželi za svůj revoluční objev Nobelovu cenu.

Základ RNAi pesticidům položili svým objevem z roku 1998 Andrew Fire (vpravo) a Craig Mello (vlevo), kteří za svůj objev získali v roce 2006 Nobelovu cenu

Prakticky ihned si význam této technologie začaly uvědomovat farmaceutické firmy i producenti agrochemikálií. Netrvalo dlouho a společnost Monsanto uvedla na trh GMO kukuřici SmartStax, která ve svých pletivech vytváří RNA (ribonukleovou kyselinu), která je schopná tzv. vypnout (umlčet z angl. gene silencing) konkrétní gen bázlivce kukuřičného (Diabrotica virgifera), který tak po požití pletiva této kukuřice hyne. To se psal rok 2017 a produkce dvouvláknové RNA pro aplikaci na list byla nesmírně nákladná, cca 600 USD za 1 gram účinné látky. O pouhých šest let později, kdy píšu tento článek, už stejné množství látky stojí méně než 1 dolar a není tak třeba vytvářet GMO plodiny. I když i takový přístup má své nesporné výhody a jistě si místo na trhu najde.

Jak RNAi pesticidy fungují?

Na tomto místě bychom si měli, pokud možno jednoduše, povědět, co že to vlastně ta RNA interference, vypínání genů a ribonukleová kyselina jsou, a jak fungují. Protože mezi čtenáři časopisu Agromanuál asi nebudou převažovat kovaní molekulární biologové, pokusíme se věc maximálně zjednodušit. Odchylku od naprosto přesné reality nám snad kolegové vědci odpustí. Všichni už asi víme, že veškeré informace o našich tělech a o tom, jak mají fungovat, jsou zakódovány ve dvoušroubovici DNA. Tuto šroubovici tvoří přesně daný sled bází. Možná si ze školy pamatujete na párování bází adenin - thymin, cytosin - guanin. Pořadí těchto bází, ohraničených tzv. start a stop kodony, vytváří geny. Ty jsou zodpovědné za to, že vznikne nějaký konkrétní protein, který pak má svoji specifickou funkci při stavbě, řízení a fungování organizmu jako celku. Aby se ale z genu v DNA stal protein, musí se nejprve DNA rozplést, rozpojit na samostatné vlákno a podle něj se celá informace přepíše do tzv. mRNA. Podle této molekuly mediátorové RNA (mRNA) si buňka vyrobí protein. Tedy pořadí jednotlivých bází si přeloží do podoby proteinu. A právě tohle je místo, na které RNAi pesticidy útočí.

Dvouvláknová neboli dsRNA je druhově velmi specifická, poměrně stabilní a dokáže se do organizmu dostat v potravě, po postřiku na povrch těla a lze ji rovněž injikovat. Jakmile se molekula dsRNA dostane do těla organizmu, začne se vázat na příslušný úsek mRNA a zablokuje tvorbu příslušného proteinu, tzn. vypne neboli umlčí gen. Takto zasažený hmyz pak hyne v důsledku neschopnosti vytvářet daný cílový protein.

Možnosti získávání dsRNA

Produkce dsRNA, určené pro aplikaci v porostu, může být zajištěna dvěma způsoby. Buď takzvaně in vivo, tedy masovou kultivací živých rekombinantních mikroorganizmů nebo metodou in vitro, syntézou v laboratorních podmínkách. Druhý způsob je však poměrně nákladný. Zatímco první metoda dosahuje ceny za 1 gram nižší než 1 USD, druhá zmíněná stojí až 700 USD za 1 miligram účinné látky.

Velmi často se pro produkci dsRNA využívá bakterie Escherichia coli. Takto získaná účinná látka byla ověřena zkrmováním různým druhům hmyzu, např. mandelinka bramborová (Leptinotarsa decemlineata), komár tropický (Aedes aegypti), blýskavka červivcová (Spodoptera exigua) aj.

Mandelinka bramborová měla tu „čest“ být jedním z prvních organizmů vystavených v rámci výzkumu působení RNAi pesticidů

Velmi zajímavý a nadějný se jeví přístup produkce dsRNA v symbiotických bakteriích Snodgrassella alvi, které žijí ve střevech včely medonosné. Tímto způsobem je možné ochránit včely například proti roztočům Varoa destructor bez nutnosti použít jediný gram chemických přípravků. Jiným cílovým organizmem, vůči kterému je možné tyto techniky využít, je octomilka japonská (Drosophila suzukii). Ta se kromě jiného živí i na kvasinkách Saccharomyces cerevisiae, tedy obyčejném droždí. Jestliže tuto kvasinku upravíme tak, aby produkovala požadovanou dsRNA specifickou pro octomilku, dojde k tomu, že octomilky začnou mít po požití problémy s pohybem a příjmem potravy, dospělci pak začínají být sterilní a škůdce je tak eliminován.

Způsoby aplikace

Všechny dosud zmíněné metody, jak využít RNA interferenci, jsou založené na tvorbě transgenních organizmů. dsRNA je však možné aplikovat i foliárně postřikem. Tímto způsobem je např. možné redukovat počty škodlivých slunéček Henosepilachna vigintioctopunctata na bramborách a na téže plodině byla metoda ověřena i proti mandelince bramborové. Látky cílené proti těmto dvěma škůdcům jsou v současnosti předmětem povolovacích řízení v USA a některých zemích EU. Je tak velmi pravděpodobné, že je brzo uvidíme v praxi. Vypínání genů ale pravděpodobně bude možné použít nejen proti žravým škůdcům, nýbrž i proti savým, jako jsou třeba mšice nebo molice. Současné studie ukazují, že dsRNA se po postřiku na list dostává do vodivých pletiv rostlin i mimo ošetřenou část a je přijímána v potravě savým hmyzem. V tomto případě ale zatím probíhají intenzivní výzkumy, které si kladou za cíl dosáhnout uspokojivé mortality cílového organizmu.

Dvouvláknovou RNA (dsRNA) můžeme ale aplikovat i zálivkou. Je totiž přijímána kořeny a následně poskytuje ochranu např. kukuřici před zavíječi (Ostrinia furnacalis) a zajímavý efekt byl pozorován také u mšic. Ty po sání na rostlinách zalévaných příslušnou dsRNA v roztoku sice nehynuly, ale více než 1/3 měla poškozená křídla a nebyla se tedy schopna šířit.

Pokusy probíhají ale i s injektáží do kmenů stromů, kde se potvrzuje, že účinná látka je rozváděna po celém stromě, v němž je detekovatelná ještě 84 dnů po aplikaci. Účinnost takové aplikace však zatím není uspokojivě vyřešena.

Co RNAi pesticidy dokáží

RNAi pesticidy jsou úžasnou moderní metodou regulace škodlivých organizmů. Nejsou a nebudou však všemocné. Stejně jako vůči konvenčním pesticidům i vůči těmto látkám může vzniknout, a nepochybně vznikat bude, rezistence. A to formou mutace v cílovém genu. Jakmile se toto stane, může nastat situace, že přestane dsRNA fungovat. Ovšem pro nás uživatele bude snazší tuto rezistenci řešit. Prakticky stačí odchytit rezistentního jedince, osekvenovat příslušný gen, zjistit jaká je mutace a vytvořit novou upravenou dsRNA, která bude opět druhově specifická a účinná na daného škůdce. To se dá stihnout za nanejvýše několik měsíců. Jedná se tedy o proces nepoměrně rychlejší oproti současnému stavu ve vývoji nových pesticidů.

Obrovskou výhodou a zároveň slabinou dsRNA je fakt, že v prostředí je dosti nestabilní. Z hlediska producenta je to komplikace, neboť musí vymýšlet způsoby, jak danou molekulu ochránit před nepřízní podmínek prostředí. Pro konečného konzumenta, jako jsme my lidé, je to naopak požehnání. Pokud proběhne degradace látky rychle, a tato se rozpadne na zcela neškodné komponenty, můžeme užívat výhod kratší ochranné lhůty a nemusíme mít obavu o reziduální zátěž potravin. A co víc, molekuly RNA jsou naprosto všudypřítomné, jsou v rostlinách, tělech živočichů, máme je ve svých tělech i na rukou. Jíme je neustále každý den. Jakmile se taková molekula dostane do našeho trávicího traktu je okamžitě zničena a rozpadne se na látky pro naše tělo naprosto neškodné.

RNAi pesticidy jsou konstruovány jako druhově specifické. Jsou vždy účinné jen proti jednomu druhu škůdce, nebo nanejvýš několika dalším velmi blízce příbuzným druhům. Opět se jedná o obojakou vlastnost. Z pohledu praxe by ale byla širší účinnost lepší. Z pohledu ochrany přírody a životního prostředí je naopak ideální, protože nikdy nebudou zasaženy necílové druhy. Dosáhnout širší účinnosti bude nejspíše možné mixem několika různých molekul dsRNA v jedné aplikaci.

Závěr

Regulační mechanizmy pro hodnocení a povolování RNAi pesticidů jsou zatím v plenkách a příslušné orgány nejen v EU si s problematikou neví rady. Prozatím je na tyto látky hleděno stejně jako na jiné konvenční pesticidy. S přibývajícím množstvím účinných látek v této oblasti však jistě příslušné autority najdou vhodnější přístup.

RNAi pesticidy představují naprosto úžasný potenciál, který by mohl do zemědělství přinést hotovou revoluci v ochraně rostlin. Pro to, že tento směr není planým výkřikem, svědčí i mimořádný zájem a nemalé investice do výzkumu ze strany největších producentů přípravků na ochranu rostlin. I když tato novinka bude potřebovat ještě mnoho výzkumu v metodách formulací, aplikací a hodnocení rizik pro životní prostředí, určitě se v dohledné době můžeme těšit na řadu účinných látek, které pomohou vyřešit spoustu dnešních problémů s rezistencí a omezováním užití některých pesticidů.