Modifikasi genetik mencegah nyamuk menyebarkan malaria

Nyamuk membunuh lebih banyak orang setiap tahun dibandingkan hewan lainnya. Pada tahun 2023, serangga penghisap darah ini diperkirakan menginfeksi 263 juta orang dengan malaria, yang mengakibatkan hampir 600.000 kematian, 80% di antaranya adalah anak-anak.

Upaya-upaya terkini untuk menghentikan penularan malaria telah terhenti karena nyamuk telah mengembangkan resistensi terhadap insektisida dan parasit penyebab malaria telah menjadi resisten terhadap obat-obatan. Kemunduran ini diperparah oleh pandemi COVID-19, yang telah mempersulit upaya pengendalian malaria yang sedang berlangsung.

Sekarang, para peneliti dari Universitas California, San Diego, Universitas Johns Hopkins, UC Berkeley dan Universitas Sao Paulo telah mengembangkan metode baru yang secara genetik memblokir kemampuan nyamuk untuk menularkan malaria.

Ahli biologi Zhiqian Li dan Ethan Beer dari UC San Diego, serta Yuemei Dong dan George Dimopoulos dari Universitas Johns Hopkins, telah menciptakan sistem penyuntingan gen berbasis CRISPR yang mengubah satu molekul dalam tubuh nyamuk — sebuah perubahan kecil namun efektif yang menghentikan penularan parasit malaria. Nyamuk hasil rekayasa genetika ini masih dapat menggigit orang yang terinfeksi dan mengambil parasit dari darah mereka, tetapi mereka tidak dapat lagi menularkannya ke orang lain. Sistem baru ini dirancang untuk menyebarkan sifat resistensi malaria secara genetik hingga seluruh populasi serangga ini tidak lagi membawa parasit tersebut.

"Mengubah satu asam amino pada nyamuk menjadi asam amino alami lain yang menghambat infeksi parasit malaria — dan menyebarkan mutasi bermanfaat tersebut ke seluruh populasi nyamuk — merupakan terobosan nyata," kata Bier, seorang profesor di departemen biologi sel dan perkembangan di Fakultas Ilmu Biologi UC San Diego. "Sulit dipercaya bahwa perubahan sekecil itu bisa menghasilkan efek sedramatis itu."

Sistem baru ini menggunakan CRISPR-Cas9 sebagai "gunting genetik" dan memandu RNA untuk memotong bagian genom nyamuk secara tepat. Sistem ini kemudian mengganti asam amino yang tidak diinginkan yang memfasilitasi penularan malaria dengan asam amino bermanfaat yang mengganggu proses tersebut.

Sistem ini menargetkan gen yang mengkode protein yang dikenal sebagai FREP1. Protein ini membantu nyamuk berkembang dan menghisap darah saat menggigit. Sistem baru ini menggantikan asam amino L224 dalam FREP1 dengan alel yang berbeda, Q224. Parasit menggunakan L224 untuk mencapai kelenjar ludah serangga, tempat mereka bersiap menginfeksi inang baru.

Dimopoulos, seorang profesor di Departemen Mikrobiologi Molekuler dan Imunologi serta anggota Institut Penelitian Malaria di Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health, dan laboratoriumnya menguji strain nyamuk Anopheles stephensi, vektor utama malaria di Asia. Mereka menemukan bahwa penggantian L224 dengan Q224 secara efektif menghalangi dua jenis parasit malaria yang berbeda untuk memasuki kelenjar ludah, sehingga mencegah infeksi.

"Keunggulan pendekatan ini terletak pada penggunaan alel alami dari gen nyamuk. Dengan satu perubahan yang tepat, kami mengubahnya menjadi perisai ampuh yang memblokir berbagai spesies parasit malaria — dan kemungkinan besar pada populasi dan spesies nyamuk yang berbeda. Hal ini membuka peluang bagi strategi pengendalian penyakit yang adaptif dan praktis,"
ujar George Dimopoulos.

Dalam uji coba selanjutnya, para peneliti menemukan bahwa meskipun perubahan genetik mencegah parasit menginfeksi tubuh, pertumbuhan dan reproduksi nyamuk tidak terpengaruh. Nyamuk dengan versi baru Q224 sama viabilitasnya dengan nyamuk dengan asam amino L224 asli—sebuah pencapaian penting, mengingat protein FREP1 memainkan peran penting dalam biologi nyamuk, terlepas dari perannya dalam menularkan malaria.

Mirip dengan sistem "gene drive", para peneliti mengembangkan metode yang memungkinkan keturunan nyamuk mewarisi alel Q224 dan menyebarkannya ke seluruh populasi, sehingga menghentikan penularan parasit malaria. Sistem "allelic drive" baru ini mengikuti sistem serupa yang baru-baru ini dikembangkan di laboratorium Beer yang secara genetik membalikkan resistensi insektisida pada hama pertanian.

"Dalam studi sebelumnya, kami menciptakan penggerak yang dapat menghentikan sendiri populasi lalat buah dari resistensi insektisida kembali menjadi kerentanan. Kemudian, elemen kaset genetik tersebut menghilang begitu saja, hanya menyisakan populasi 'liar'," jelas Bier. "Sistem hantu serupa dapat mengubah populasi nyamuk untuk membawa varian FREP1Q yang resistan terhadap parasit."

Meskipun para peneliti telah menunjukkan bahwa penggantian L224 dengan Q224 efektif, mereka belum sepenuhnya memahami mengapa perubahan ini bekerja begitu efektif. Penelitian lebih lanjut sedang dilakukan untuk menentukan bagaimana tepatnya asam amino Q224 memblokir jalur masuk parasit.

"Terobosan ini merupakan hasil kerja sama tim dan inovasi yang luar biasa di berbagai lembaga ilmiah," tambah Dimopoulos. "Bersama-sama, kami menggunakan perangkat genetik alami untuk menjadikan nyamuk sekutu dalam perang melawan malaria."

Studi ini dipublikasikan dalam jurnal Nature.