Nyamuk dengan 'perisai genetik' bawaan menghentikan malaria - tingkat infeksi turun hingga 93%

Mengatasi resistensi insektisida: Bagaimana modifikasi gen tunggal pada nyamuk dapat berkembang biak sendiri lintas generasi, sehingga penularan malaria pun hilang tanpa mengorbankan kelangsungan hidup.

Dalam studi yang diterbitkan baru-baru ini di Nature, sekelompok ilmuwan meneliti apakah alel glutamin 224 (Q224) dalam protein terkait fibrinogen 1 (FREP1) membuat nyamuk Anopheles stephensi kebal terhadap infeksi Plasmodium, memperkirakan biaya bertahan hidup yang berkaitan dengan alel ini, dan menguji sistem penggerak gen alelik untuk menyebarkan mutasi pelindung ini melalui populasi.

Prasyarat

Sekitar 600.000 orang meninggal akibat malaria pada tahun 2023, sebagian besar anak-anak di Afrika sub-Sahara dan Asia Selatan. Metode pengendalian tradisional—kelambu, insektisida, dan obat antimalaria—mulai kehilangan efektivitasnya akibat resistensi nyamuk dan parasit. Teknologi penggerak gen yang menyebarkan alel bermanfaat melalui populasi nyamuk menawarkan solusi yang menjanjikan dan berkelanjutan.

Protein FREP1 membantu parasit melewati usus tengah nyamuk, tetapi varian alami Q224 dapat mencegah infeksi tanpa mengganggu biologi nyamuk. Tujuannya adalah untuk menguji apakah alel endogen semacam itu dapat didistribusikan dengan aman untuk mengurangi penularan malaria sekaligus mempertahankan viabilitas nyamuk.

Tentang penelitian ini

Menggunakan CRISPR/Cas9, dua galur Anopheles stephensi diciptakan dengan perbedaan hanya pada asam amino ke-224 dalam protein FREP1: tipe liar dengan leusin (L224) dan galur yang berpotensi protektif dengan glutamin (Q224). RNA pemandu menargetkan wilayah intron 126 bp di hulu kodon, memungkinkan rekombinasi homolog dengan penyisipan label fluoresen (GFP atau RFP).

Kebugaran dinilai berdasarkan panjang sayap, kesuburan, daya tetas telur, kepompong, kemunculan dewasa, dan masa hidup (analisis kelangsungan hidup Kaplan–Meier).

Kompetensi vektor ditentukan menggunakan pemberian makan membran standar parasit Plasmodium falciparum (manusia) dan Plasmodium berghei (tikus), dengan jumlah oosit dan sporozoit dalam kelenjar ludah.

Sistem penggerak alel mencakup kaset berisi gRNA terhadap L224 dan Cas9 di bawah kendali promotor vasa. Frekuensi alel dipantau menggunakan label fluoresen dalam eksperimen multi-siklus (10 generasi). Penentuan genotipe dilakukan menggunakan PCR, sekuensing Sanger, dan NGS. Pemodelan Bayesian memperkirakan konversi alel, biaya kebugaran, dan dinamika selama perkawinan bebas di laboratorium.

Hasil

Alel FREP1Q224 tidak menyebabkan penurunan kelangsungan hidup yang signifikan: panjang sayap, kesuburan, penetasan, kepompong, dan kemunculan dewasa identik dengan kontrol FREP1L224. Perbedaan kecil dalam ukuran jantan dan masa hidup tidak memengaruhi daya saing. Betina perawan FREP1Q224 hidup sama lamanya dengan kontrol, dan betina setelah pemberian darah hanya menunjukkan sedikit penurunan masa hidup.

Percobaan tantangan mengungkap perlindungan yang nyata pada homozigot.

• Pada konsentrasi rendah gametosit P. falciparum (0,08%):
  • Tingkat infeksi turun dari 80% menjadi ~30% di FREP1Q224;
  • Jumlah rata-rata oosit: dari 3 hingga 0;
  • Sporozoit dalam kelenjar ludah: dari >4000 hingga 0.
• Pada gametositemia yang lebih tinggi (0,15%):
  • Jumlah rata-rata oosit: dari ~32 hingga
  • Sporozoit juga menurun drastis.
• Untuk P. berghei:
  • Jumlah rata-rata oosit: dari 43 hingga 25;
  • Sporozoit: sekitar 19.000 hingga 11.000.
• Heterozigot (FREP1L224/Q224) tidak dilindungi.

Efisiensi penggerak gen

• Pada persilangan berpasangan, Cas9 + gRNA L224 mengubah 50 hingga 86% alel FREP1L224 menjadi FREP1Q224;
• Dengan Cas9 maternal, frekuensinya lebih tinggi;
• Pada generasi ke-2, frekuensi alel pelindung mencapai 93%;
• Insiden kesalahan jalur perbaikan NHEJ rendah (0–12%) dan biasanya menyebabkan kerusakan.
• Pada populasi sel dengan rasio donor:penerima 1:3, frekuensi FREP1Q224 meningkat dari 25% menjadi >90% selama 10 generasi;
• Frekuensi alel NHEJ turun dari 5,4% menjadi

Pemodelan Bayesian mendukung hipotesis konversi tinggi, frekuensi mutasi stabil rendah, dan efek mosaik steril yang mematikan, di mana homozigot WT dengan genotipe Cas9 maternal menderita mutasi somatik dan kelangsungan hidup berkurang.

Generasi selanjutnya menunjukkan penekanan hampir lengkap oosit P. falciparum (median 0 hingga 5,5), yang menegaskan bahwa populasi sebagian besar telah menjadi resisten terhadap penularan parasit.

Alel pelindung tidak memiliki manfaat atau efek samping tersembunyi, dan disebarkan melalui perjalanan.

Kesimpulan

Penelitian tersebut menemukan bahwa mengganti satu asam amino dalam protein FREP1 dan menggeser pewarisannya menggunakan penggerak gen dapat membuat Anopheles stephensi hampir kebal terhadap malaria – baik manusia maupun hewan pengerat – tanpa mengorbankan kelangsungan hidup nyamuk.

Pendekatan ini melengkapi langkah-langkah yang sudah ada (kelambu, insektisida, obat-obatan) yang efektivitasnya berkurang akibat resistensi. Sistem semacam ini juga dapat digunakan untuk memulihkan sensitivitas terhadap insektisida atau memperkenalkan alel pelindung lainnya.

Sebelum teknologi ini dapat diimplementasikan, diperlukan kerangka kerja lingkungan, etika, dan tata kelola yang ketat, serta sistem untuk mengendalikan penyebarannya.