RNA'dan yapılan böcek ilaçları, mahsullere yönelik daha güvenli ve hedeflenmiş bir silah olabilir mi?

Colorado patates böceği o kadar yıkıcıdır ki, Doğu Alman propagandası bir zamanlar Amerika Birleşik Devletleri'ni açgözlü böcekleri ülkenin patates tarlalarına bırakmakla suçlamıştı. 1950'de yayımlanan bir broşürde “Amikäfer dur!” yani “Amerikan böceğini durdurun!” yazıyordu. Renkli zararlının biyolojik savaş amacıyla kullanıldığına dair hiçbir kanıt bulunmamakla birlikte, Alman patates çiftçileri ve birçok diğer ülkedeki çiftçiler bugüne kadar bu böcekle mücadele etmeye devam ediyor.Rocky Dağları'na özgü olan bu böcek, şimdi Kuzey Yarımküre'nin her yerinde bulunmakta ve her yıl yarım milyar dolardan fazla ürün kaybına neden olmaktadır. Direnç geliştirmede ustadır, bu da onu kontrol etmeyi zorlaştırır. Bu zararlı, 1930'lardan itibaren kimyasal böcek ilaçları araştırmalarının erken bir teşvik edicisiydi. O zamandan beri, böcek bir bileşikten diğerine bağışıklık geliştirmiştir; şimdi 50'den fazla böcek ilacına, yani tüm ana aktif bileşen türlerine karşı dirençlidir.2001 yılında Maine'deki çiftçiler, yeni bir böcek ilacı sınıfı olan neonicotinoidlerin artık böceği kontrol edemediğini fark ettiğinde, "İlaçlanmış bitkileri hiçbir şeymiş gibi çiğniyorlardı" diyor Maine Üniversitesi'nden entomolog Andrei Alyokhin. Ekstra araçlar bulmanın "giderek zorlaştığını" da ekliyor. Ancak bu yıl, ABD'li çiftçilerin zararlıya karşı kullanabilecekleri yeni bir silahları olacak; bu, geleneksel böcek ilaçlarından tamamen farklı bir şekilde çalışıyor ve savunucularının dediğine göre insanlar ve çevre için daha güvenli olmalı. RNA interferansı (RNAi) adı verilen bir mekanizmaya dayanan bu sprey, Colorado patates böceğinde hayati bir geni hedef alıyor. Hedeflenen gen, zararlı ve yakın akrabalarına özgüdür, bu da tozlayıcılar ve diğer türlere zarar verme olasılığını önlemelidir. “Öldürmek istediğiniz böceği hassas bir şekilde vurabilirsiniz,” diyor Kentucky Üniversitesi'nden entomolog Subba Reddy Palli, geçen yıl RNA tabanlı böcek ilaçlarının gelişimini anlatan bir inceleme yayınladığı Frontiers in Insect Science dergisinde. “Bundan daha iyisini bulamazsınız.”GreenLight Biosciences şirketi tarafından Calantha adıyla pazarlanan böcek ilacı, 4 yıllık bir incelemenin ardından Ocak ayında ABD Çevre Koruma Ajansı'ndan (EPA) onay aldı. Daha fazla RNA tabanlı ürün geliştirilme aşamasında. GreenLight, bal arılarının baş belası olan ve mevcut böcek ilaçlarının neredeyse tamamına direnç gösterebilen varroa akarı hedefleyen bir böcek ilacı için düzenleyici onay başvurusunda bulundu. Diğer şirketler de ürünlerini saha denemelerinde test ediyor. Bu arada, çeşitli üniversitelerdeki araştırmacılar RNA'yı Asya narenciye psyllidleri, kabuk böcekleri, sivrisinekler ve diğer türlerle mücadele etmek için bir araç olarak araştırıyorlar.Teknolojinin bazı sınırlamaları var: Elmas sırtlı güve ve birçok diğer zararlıyı içeren bir böcek grubu olan lepidopteranlarda etkisiz kalıyor çünkü bu böceklerin bağırsaklarında RNA'yı parçalayan güçlü enzimler bulunuyor. Ve eleştirmenleri de var. Calantha'nın düzenleyici incelemesi sırasında, çevre grupları hedef dışı türlere potansiyel zarar konusunda endişelerini dile getirdiler. Örneğin, tehlike altındaki Hungerford’un sürünen su böceği patates tarlalarına yakın yaşayabilir. Gruplar, daha geniş risk değerlendirmeleri yapılması çağrısında bulundu. (EPA yalnızca bal arıları ve uğur böcekleri gibi birkaç gösterge türü üzerinde testler yapılmasını zorunlu kılıyor.) Ayrıca, spreydaki RNA'yı stabil tutan formülasyonun güvenli olup olmadığının net olmadığını çünkü bileşenlerin gizli olduğunu belirttiler.Ancak birçok kişi, teknolojinin zararlı kontrolünde yeni bir çağ başlatabileceği konusunda umutlu. Bayer'de uzun süredir RNA tabanlı kontroller üzerinde çalışan entomolog William Moar, "RNAi'nin patlama yapacağını düşünüyorum," diyor. Nebraska–Lincoln Üniversitesi'nden böcek toksikoloğu Ana Maria Vélez ise, şu anda kullanılan kimyasalların çoğuyla karşılaştırıldığında, "bu çok daha güvenli" diyor.RNA BÖCEK İLAÇLARININ ARKASINDAKİ BİLİMOnlarca yıl önce bazı şaşırtıcı laboratuvar sonuçlarıyla başladı. 1980'lerde DNA üzerinde çalışan araştırmacılar, bir genin daha fazla kopyasını eklediklerinde o genin ifadesini etkili bir şekilde susturabileceklerini keşfettiklerinde şaşırdılar. Bir deneyde, petunyalar, mor renklerinden sorumlu genin birkaç kopyasını içerecek şekilde genetik olarak değiştirildi. Biyologlar, bu değişikliğin rengin daha da derinleşmesine yol açacağını varsaymışlardı. Tam tersi oldu: Bazı çiçekler artık hiç pigment içermiyordu. Eklenen genlerin orijinal geni nasıl susturduğu bir gizemdi, ancak diğer araştırmacılar bunun RNA ile bir ilgisi olabileceğini düşünmeye başladılar.Genetik materyali taşıyan haberci RNA (mRNA), bir genin bilgilerini hücrenin protein yapma mekanizmasına iletir ve tipik olarak tek bir iplik olarak bulunur. Ancak bazen, bu iplik tamamlayıcı bir partnerle birleşir. 1990'larda, gen susturmayı açıklamak için bir hipotez, ekstra bir gen eklemenin bir şekilde tamamlayıcı bir RNA ipliği üretimine yol açtığını öne sürdü. Bu iplik, orijinal genden gelen mRNA ile eşleşirse, hücresel makinelerin ona bağlanmasını ve proteini üretmesini engelleyebilir.Bu fikri test etmek için, Cornell Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Su Guo, gelişimsel ve moleküler biyoloji laboratuvar araştırmalarının vazgeçilmezi olan bir milimetre uzunluğundaki solucan Caenorhabditis elegans'a tek iplikli RNA enjekte etti. Deneyin bir kısmı beklendiği gibi gitti: Enjekte edilen RNA, embriyo gelişimi için önemli bir genin mRNA'sına tamamlayıcı olduğunda, gen susturuldu. Ancak, Guo'nun bulduğu şaşırtıcı bir şey vardı; solucanın mRNA'sı ile aynı olan RNA da geni susturdu.1998 yılında bir dönüm noktası yaşandı. Carnegie Bilim Enstitüsü'nden Andrew Fire ve Massachusetts Üniversitesi Chan Tıp Fakültesi'nden Craig Mello'nun liderlik ettiği bir grup, C. elegans'a kas hücrelerinin düzgün bir şekilde kasılıp gevşemesine yardımcı olan bir proteini kodlayan RNA enjekte etti. RNA'nın istenmeyen genetik materyalle kontamine olmadığından emin olmak için bir adım eklediklerinde, tek iplikli RNA'ların geni susturmadığını keşfettiler; susturma yalnızca her iki tür iplik birlikte çift iplikli RNA (dsRNA) olarak enjekte edildiğinde gerçekleşti. Önceki kafa karıştırıcı sonuçların, küçük miktarda dsRNA kontaminasyonundan kaynaklandığı ortaya çıktı. Fire ve Mello, bu keşifleriyle 2006 yılında Nobel Ödülü kazandılar. Daha sonraki çalışmalar, artık RNAi olarak adlandırılan olgunun, hücrelerin yaşam döngüleri için çift iplikli RNA'ya (dsRNA) ihtiyaç duyan virüslerin enfeksiyonlarından hücreleri savunmak için kullanılan hücresel mekanizmalardan kaynaklandığını ortaya koydu. DICER adı verilen büyük bir enzim, hücre içindeki uzun dsRNA parçalarını bulur ve bunları küçük parçalara ayırır; bu parçalara küçük müdahaleci RNA (siRNA) denir. Bu kısa parçalar, RNA kaynaklı susturma kompleksi (RISC) adı verilen bir protein kompleksi tarafından alınır ve bu kompleks, siRNA'nın dizilimiyle eşleşen tek iplikli RNA'yı hücrede arar. (dsRNA virüsleri de replikasyonlarının bir kısmı için tek iplikli RNA'lara ihtiyaç duyar.) RISC, böyle bir RNA bulursa, onun yok edilmesini tetikler.Bu keşifler, dsRNA'nın ilaç olarak kullanılabileceği umutlarını artırdı. Nobel Ödül töreninde bir konferans sırasında, o dönemde Stanford Üniversitesi'nde bulunan Fire, dsRNA'nın kanser hastalarında tümör büyümesi için gerekli olanlar gibi hastalıkla ilişkili genleri kapatmada yardımcı olabileceğini düşündü. Birkaç RNAi tabanlı ilaç onaylandı; örneğin inclisiran, yüksek kolesterol ve ateroskleroz tedavisinde kullanılır. Ancak ilerleme yavaş olmuştur, kısmen insan kanındaki enzimlerin dsRNA'yı parçalamalarından dolayı.Bu arada, C. elegans ile yapılan bir başka deney, RNAi'nin zararlı kontrolü gibi tamamen farklı bir sorunla başa çıkmada yardımcı olabileceği konusunda bilim insanlarına umut verdi. O dönemde Fire ile çalışan postdoktor Lisa Timmons, Escherichia coli bakterilerini solucanın kas kasılması genine müdahale edecek dsRNA üretmek üzere genetik olarak değiştirdi. Solucanlar bu bakterileri yediklerinde, kasılmalar başladı—genin susturulduğunun belirgin işaretiydi. O ana kadar, dsRNA'nın sindirim sistemi yoluyla alınıp hücrelere girerek genleri susturabileceği kimsenin aklına gelmemişti. "Bu çok şaşırtıcı bir şey," diyor Justus Liebig Üniversitesi Giessen'den bitki patoloğu Karl-Heinz Kogel. Bu, doğru dsRNA'nın yenildiğinde bir zararlıyı öldürebileceğini düşündürdü.RNA TABANLI ZARARLI KONTROLÜİlk olarak geçen yıl genetik olarak değiştirilmiş bir ürün olarak piyasaya sürüldü. ABD'li çiftçiler, Bayer tarafından batı mısır kök kurduna karşı dirençli olacak şekilde genetik olarak değiştirilmiş bir mısır çeşidi olan SmartStax Pro'yu ekmeye başladılar. Bitki, proteinlerin hücre zarları arasında taşınması için kritik olan bir kök kurdu geni olan DvSnf7'nin ifadesini bozan dsRNA üretiyor. 2017 yılında yapılan bir çalışmaya göre, şiddetli enfestasyonlarla yapılan saha denemelerinde, bitkiler geleneksel mısır ile karşılaştırıldığında mısır kök kurdu larvaları tarafından %95 daha az kök zararı görmüştü. Çeşit, o yıl EPA tarafından onaylandı, ancak Bayer'in ABD'den mısır ithal eden ülkelerden de onay alması gerektiği için 2023 yılına kadar ABD pazarına ulaşamadı.Birçok kişi, yeni çeşidin diğer kontrol yöntemlerine karşı direnç geliştiren mısır kök kurdunun etkisini azaltacağını umuyor. "Kesinlikle yeni etki mekanizmalarına ihtiyacımız var," diyor Moar. Yöntemin faydaları çoktur: Bir bitkiyi dsRNA üretmek üzere genetik olarak değiştirerek, çiftçinin ilaç püskürtmesine gerek kalmaz, pestisit her zaman hazırdır ve sadece ürünü yiyen böcekler buna maruz kalır.Ancak, genetiği değiştirilmiş bir ürün yaratmak ve onay almak on yıldan fazla sürebilir ve 200 milyon doları aşan maliyetlere neden olabilir. Avrupa, düzenleyici engellerin daha yüksek ve tüketici kabulünün daha düşük olması nedeniyle özel bir zorluk sunar. Bu nedenle bazı şirketler, daha hızlı ve daha ucuz bir süreç olan dsRNA'yı sprey olarak geliştirmektedir. Bir sprey ayrıca daha esnek olabilir, çünkü bir zararlının sıkça bulunduğu herhangi bir üründe kullanım için yetkilendirilebilir.Colorado patates böceği, sadece patates değil, aynı zamanda domates, patlıcan ve dolmalık biber gibi bitkilere de zarar verdiği için iyi bir hedefti. Araştırmalar, zararlılara dsRNA yedirmenin hedeflenen genleri etkili bir şekilde susturabileceğini de göstermişti. Böcekte çeşitli genleri inceledikten sonra, GreenLight’tan Ken Narva ve ekibi, hasarlı proteinleri uzaklaştıran hücresel mekanizmanın bir parçasını kodlayan PSMB5 genine odaklandı. Bu gen susturulduğunda, hücreler işlevsiz proteinleri biriktirir ve ölür. 2021 yılında yapılan bir çalışmaya göre, PSMB5 için dsRNA, laboratuvar ve sera testlerinde etkili oldu ve 6 gün içinde larvaların %90'ını öldürdü.Pestisitin diğer böcekleri zararlı olup olmadığını test etmek için GreenLight'tan Ron Flannagan ve meslektaşları, bioinformatik veritabanlarını kullanarak patates böceğindeki PSMB5 geninin diğer böcek türlerindeki versiyonlarından ne kadar farklı olduğunu incelediler. Dört yakın akraba böcekte bazı dizi eşleşmeleri bulundu. Ancak bu türler üzerinde yapılan toksisite testleri, sadece ikisinin pestisitten etkilendiğini gösterdi ve her ikisi de tarımsal zararlılar. Arılar, yeşil dantel böcekleri, uğur böcekleri ve diğer uzak akraba böcekler üzerinde yapılan testlerde ise herhangi bir olumsuz etki görülmedi.Bu sonuçlar umut verici," diyor Calantha'nın geliştirilmesinde GreenLight ile çalışan Alyokhin. Ancak, "Sadece RNAi olduğu için hedef dışı etkiler olmayacağını varsaymamalıyız," diye ekliyor.Teknoloji gelişirken, bazı araştırmacılar dsRNA'nın yeterince ucuz ve yeterli miktarda üretilebileceğini sorguladı. GreenLight'a göre çözüm, Rochester, New York'taki eski bir Kodak fabrikasında yatıyor. Şirket, 2021 yılında burada dsRNA üretimini ölçeklendirmek için bir tesis açtı. İşçiler, büyük biyoreaktörleri işletiyor; burada E. coli'nin bulunduğu bir çözelti, Calantha'daki dsRNA için talimatları içeren plazmid adı verilen DNA halkalarını üretiyor ve onu sentezleyecek enzimleri üretiyor. Plazmidler ve enzimler saflaştırıldıktan sonra, bunlar başka tanklara pompalanıyor ve biyokimyasal bir reaksiyon ile dsRNA üretiliyor. RNA daha sonra, yapraklara yapışmasına yardımcı olacak özel bir çözümde kimyasallarla karıştırılıyor.Tesis yılda 2 ton dsRNA üretebiliyor ve CEO Andrey Zarur, bu miktarın 2025 yılının sonuna kadar 20 tona çıkmasını bekliyor. Bu üretim maliyeti, gram başına 1 dolardan daha az olup, GreenLight'ın yeni pestisidini en üst düzey ticari pestisitlerle rekabet edebilecek bir fiyattan satmasını sağlıyor.Juan Luis Jurat-Fuentes, Tennessee Üniversitesi, Knoxville (UTK)’de entomolog olarak yaklaşık on yıldır RNAi üzerine çalışan biri olarak, "en heyecan verici anın" GreenLight'ın ucuz dsRNA'yı toplu olarak üretebileceğini duyduğunda olduğunu söylüyor. "Bu işin yapılabilir olduğunu hissettiğim an buydu."BÖCEK ÖLDÜREN dsRNA spreyi şimdi satışta olduğuna göre, önemli bir soru işareti, zararlıların silahı etkisiz hale getirmek için ne kadar süre geçireceğidir. "Bu böcekler çok çılgın," diyor Vélez. "Bazen sadece bizi şaşırtıyorlar."Araştırmacılar, bazı zararlıların en azından laboratuvarda dsRNA'yı atlatmak için evrimleşebildiklerini zaten biliyor. 2018 yılında, Moar ve meslektaşları, batı mısır kök kurdu'nun bağırsaklarından dsRNA'yı almayı durdurarak direnç geliştirdiğini gösteren bir makale yayımladı. Böylece, böcekler herhangi bir dsRNA yaklaşımına karşı etkili bir direnç kazandılar ve Moar tarafından "ciddiye alınması gereken" bir sonuç olarak adlandırıldı, çünkü bu durumu kolayca aşmanın bir yolu yok.UTK'de doktora öğrencisi olan Swati Mishra, Colorado patates böceği ile benzer bir fenomeni keşfetmekte. Laboratuvar ortamında sürekli olarak larvalara dsRNA maruz bırakıldığı bir ortamda, böcekler genetik materyali 11 nesilde dramatik şekilde azalttılar. Böceklerin tarlada ne kadar sürede direnç geliştirebileceği, laboratuvarda bu kadar çok dsRNA'ya maruz kalmadıkları için öngörülmesi zor bir durum. Direnç oluşma riskini azaltmak için EPA, genetik olarak değiştirilmiş mısır olan SmartStax Pro'yu yetiştiren çiftçilerden zararlılar için refüj alanları oluşturmalarını istiyor. Bu korumasız mısır alanları, kök kurdu populasyonlarının dsRNA'ya duyarlı kılan genleri koruma olasılığını artırıyor. Patates çiftçileri, genetik olarak değiştirilmiş bir ürün olmadığı için Calantha için aynı gerekliliği karşılamıyorlar. Flannagan, GreenLight'ın bu riskin farkında olduğunu ve çiftçilere dsRNA püskürtmeyi diğer pestisitlerle dönüşümlü olarak kullanmalarını teşvik edeceklerini belirtiyor. "RNA'yı araç kutusunun bir parçası olarak yönetmeye çalışıyoruz."1990'larda olduğu gibi böceklerin mevcut tüm pestisitlere direnç geliştirmesi olasılığı hala endüstriyi rahatsız ediyor diyor, Walther Farms için tarım uzmanı olan Karl Ritchie, 3000 hektarın üzerinde patates yetiştiren bir firma olarak Calantha denemelerine katıldı. "Herkes endişeli." Ancak şimdilik, Ritchie başka bir pestiside sahip olmanın memnuniyetini yaşıyor. Direnç oluşumunu önlemek için, komşu çiftçilerle pestisit uygulamalarını koordine ediyorlar; bir yıl aynı pestisiti püskürtecekler ve diğer yıl başka bir şey püskürteceklerAynı zamanda, araştırmacılar RNA pestisitlerinin lepidopteralar üzerinde kullanımını genişletmek istiyorlar; bu grup mısır kurdu gibi önemli güve zararlılarını içerir. Bu zararlılar kimyasal insektisitlere karşı direnç geliştirmiş olsalar da, şu ana kadar dsRNA'ya karşı savunmasız görünmüyorlar. "Lepidopteraları RNA ile kontrol etmek bir nevi Kutsal Gral gibidir," diyor Moar. "Ancak kimse bunu ticari olarak çalıştırabilmiş değil."Şirketler bu yönde çalışmalar yapıyor; bazıları dsRNA'yı lepidopteraların sindirim ve bağışıklık sistemlerini sağlamak üzere paketlemeye odaklanıyor. "Bu, şu anda RNAi'nin en canlı alanlarından biridir," diyor Jurat-Fuentes.AgroSpheres, genetik olarak mühendislikle oluşturdukları bakterileri hem dsRNA hem de hücre duvarlarından elde edilen küçük koruyucu kabuklar üretecek şekilde tasarlamıştır. 2022'de rapor edilen bir tarla denemesinin sonuçları, lahana üzerindeki elmasböcek güvesinin "ticari olarak kabul edilebilir" kontrolünü önermiştir. Diğer bir şirket olan Trillium Ag ise farklı bir paketleme yöntemi geliştirmiştir. Her küçük RNA strandı, protein veya lipidlerden oluşan bir kaplama için ankraj görevi gören aptamerlerle çevrilmiştir. Şirket şu anda bu yöntemin etkinliğini, sonbahar ordu solucanı ve diğer iki zararlı üzerinde test etmektedir.Uzmanlara göre genel olarak koruyucu teknolojilerin ne kadar iyi çalıştığını bilmek zordur çünkü çoğu şirket çok az sonuç yayınlamıştır. Ancak Palli, bu geleneksel olmayan pestisitlerin geleceği konusunda dikkatlice iyimserdir. "Daha çok şey öğrendikçe, bu engellerin bazılarını aşmanın bir yolunu bulacağız. Bu gerçekleşecek."