Dossier: Gentechnik23. April 2025

Die todbringende Kröte

Andrew Pask

Die nach Australien importierte Aga-Kröte hat den Zwergbeutelmarder an den Rand des Aussterbens gebracht – mittels CRISPR/Cas9 soll er nun gegen das Gift der Kröte immun gemacht werden.

Eine Illustration, die einen Zwergbeutelmarder zeigt, der sich mit Schwert und Schild gegen die Aga-Kröte verteidigt. — Kann CRISPR/Cas9 den Zwergbeutelmarder vor dem Aussterben retten? © Michael Pleesz

Auf den Punkt gebracht

Invasiv. Die Aga-Kröte wurde nach Australien eingeführt und bedroht die heimische Tierwelt.
Toxisch. Ihr starkes Gift tötet Raubtiere, darunter auch den Zwergbeutelmarder.
Entwickelt. Einige Arten haben durch genetische Mutationen Resistenz gegen das Krötengift entwickelt.
Erforscht. Forscher wollen den Marder mit CRISPR resistent machen – ein revolutionärer Ansatz im Artenschutz.

Der Zwergbeutelmarder ist ein katzengroßes Beuteltier mit Faunfell und weißen Flecken (man denke an Bambi), das derzeit vom Aussterben bedroht ist. Der Grund dafür ist die Aga-Kröte. Sie wurden 1935 aus Mittel- und Südamerika nach Australien eingeführt, um den Zuckerrohrkäfer zu bekämpfen, der die Zuckerrohrproduktion in Queensland schädigte. Die Kröten erwiesen sich jedoch als weitaus zerstörerischer als hilfreich. Da sie sich auf einem völlig neuen Kontinent befanden, fanden sie schnell andere Nahrungsquellen und breiteten sich über weite Teile Nordaustraliens aus. Die Ankunft der Aga-Kröten wurde mit einem dramatischen Rückgang der Populationen vieler einheimischer Arten in Verbindung gebracht, darunter viele Säugetiere, Vögel, Reptilien, Amphibien und Fischarten.

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Aga-Kröten gehören zur Gruppe der Echten Kröten (Familie Bufonidae), und kommen auf allen Kontinenten außer der Antarktis und Australien vor. Alle Echten Kröten sind giftig, wobei die Stärke ihres Giftes je nach Art variiert. Zum Leidwesen der australischen Tierwelt produzieren die Aga-Kröten besonders starke Toxine. Diese Gifte dienen in ihrer natürlichen Umgebung als Abwehrmechanismus gegen Raubtiere, stellen aber dort, wo sie erst vor kurzem eingeführt wurden, eine große Gefahr für die Tierwelt dar.

Der Zwergbeutelmarder am Ende

Bufotoxin, das Gift der Kröten, ist ein komplexes Gemisch von Chemikalien, darunter Bufadienolide (kardiotoxische Steroide) und biogene Amine, die bei Verschlucken schwere physiologische Auswirkungen verursachen können. Bufotoxin wirkt in erster Linie auf das Herz, indem es die Natrium-Kalium-Pumpe – ein Membranprotein – hemmt, was zu Herzrhythmusstörungen und tödlichem Herzstillstand führt. Der Zwergbeutelmarder ist ein fleischfressendes Beuteltier, das sich von Fröschen und Kröten, Insekten, kleinen Reptilien, Vögeln und sogar kleineren Säugetieren ernährt – aber Aga-Kröten stellen eine besondere Gefahr dar. Wenn der Marder die Kröte frisst, führen die Bufotoxine aus der Haut der Kröte zu Organversagen, Lähmung und Tod.

Wenn nichts unternommen wird, wird der Zwergbeutelmarder voraussichtlich innerhalb von zehn Jahren in freier Wildbahn ausgerottet sein.

Diese Anfälligkeit hat zu einem erheblichen Rückgang der Populationen des Zwergbeutelmarder geführt, wobei einige Schätzungen davon ausgehen, dass über achtzig Prozent der Populationen in Regionen, in denen Aga-Kröten vorkommen, verloren gegangen sind. In Queensland und im Northern Territory gab es viele lokale Aussterbeereignisse, und wenn nichts unternommen wird, um dem Zwergbeutelmarder zu helfen, wird er voraussichtlich innerhalb von zehn Jahren in freier Wildbahn ausgerottet sein. Zwergbeutelmarder sind Spitzenprädatoren in ihrer Umgebung, und ihr Verschwinden bedroht das Gleichgewicht der biologischen Vielfalt in einer Vielzahl von Lebensräumen.

Natürlich immun gegen die Aga-Kröte

Es gibt jedoch Hoffnung. Wildtierarten, die sich über Hunderte und Tausende von Jahren an der Seite von Echten Kröten in anderen Kontinenten entwickelt haben, haben eine natürliche Resistenz gegen das Bufotoxin entwickelt. Dies ermöglicht es ihnen, giftige Kröten zu fressen, ohne Schaden zu nehmen. Diese Resistenz ist weitgehend auf genetische Mutationen zurückzuführen, die verhindern, dass Bufotoxine die Zellfunktionen stören. Die Resistenz tritt bei einer Vielzahl von Arten auf, darunter auch bei Schlangen, wie zum Beispiel dem Gemeinen Kielrücken (Tropidonophis mairii), und räuberischen Säugetieren wie der Goldbauch-Schwimmratte (Hydromys chrysogaster) und dem europäischen Igel (Erinaceus europaeus). Die genetischen Veränderungen bei diesen Arten sorgen für eine Toleranz gegenüber dem Bufotoxin, so dass sie Kröten mit geringen oder gar keinen Auswirkungen verzehren können.

Zahlen & Fakten

Die Folgen der Kröte

Die Aga-Kröte hat nicht nur die Populationen des Zwergbeutelmarders in Australien stark dezimiert. Auch zahlreiche Arten, darunter Warane, Frischwasserkrokodile, Giftschlangen und Dingos sterben nach dem Verzehr der giftigen Kröten. Studien zeigen, dass Frischwasserkrokodile um bis zu 77 Prozent dezimiert wurden und Warane nahezu ausgestorben sind. Auch Vögel wie der Regenbogenspint leiden, da die Kröten ihre Nester besetzen und Eier sowie Jungtiere fressen. Zudem gefährden sie zahlreiche Schlangenarten – 49 Arten sind potenziell betroffen, darunter viele bereits bedrohte Spezies. Insgesamt sind 75 Reptilienarten durch die Kröten gefährdet. Eine Ausnahme bildet die Australische Schwarznatter, die in wenigen Generationen eine erhöhte Resistenz gegen das Krötengift entwickelt hat.

Mit diesem Wissen ausgestattet, bietet die Gentechnik eine direkte Lösung, um den Zwergbeutelmarder zu retten. Die Idee hinter unserem Ansatz ist es, das Genom des Zwergbeutelmarders in der gleichen Weise zu verändern, wie die natürliche Selektion Veränderungen der Gensequenzen bei Arten mit natürlicher Resistenz begünstigt hat. Zum Glück für uns und den Marder ist die genetische Grundlage der Bufotoxinresistenz bei Tieren gut erforscht und dreht sich in erster Linie um Anpassungen in der Natrium-Kalium-Pumpe, einem wichtigen Membranprotein, das durch das ATP1A-Gen kodiert wird.

Bufotoxine entfalten ihre toxische Wirkung durch Bindung an diese Pumpe, wodurch das Ionengleichgewicht gestört wird und es zu Herzversagen kommt. Resistente Schlangen-, Nagetier- und Vogelarten haben allesamt Mutationen im ATP1A-Gen entwickelt, die die Struktur der Pumpe verändern und die Bindung von Bufotoxinen reduzieren oder verhindern.

Ein Gen gegen ein Toxin

Diese evolutionäre Veränderung ermöglicht es resistenten Arten, giftige Kröten zu fressen, ohne schädliche Auswirkungen zu haben. Darüber hinaus handelt es sich um sehr kleine Veränderungen, die oft nur einen oder zwei Buchstaben des Codes im gesamten Genom der Tiere betreffen und nur eine oder zwei Aminosäuren im ATP1A-Protein verändern. Die Evolution hat zu denselben wiederholten ATP1A-Mutationen in verschiedenen Linien bufotoxinresistenter Raubtiere geführt.

In Anbetracht des bedrohten Status des Zwergbeutelmarders haben wir eine eng verwandte Beuteltierart, die Dickschwänzige Schmalfußbeutelmaus (Sminthopsis crassicaudata), herangezogen, um zu untersuchen, ob wir sie resistent machen können. Die Schmalfußbeutelmaus gehört zur gleichen Familie der fleischfressenden Beuteltiere wie die Zwergbeutelmarder; und als wir das ATP1A-Gen untersuchten, konnten wir feststellen, dass keine der beiden Arten (und auch keine anderen Beuteltiere) die Variationen dieser Sequenz aufweisen, die eine Resistenz gegen das Toxin verleihen könnten.

Als Nächstes verwendeten wir das Gentechnik-Werkzeug CRISPR/Cas9, um Resistenzvarianten in Fibroblastenzellen der Dickschwänzigen Schmalfußbeutelmaus einzuführen. Das ATP1A-Protein wird in Fibroblastenzellen produziert, und wenn Bufotoxin dem Zellwachstumsmedium hinzugefügt wird, sterben die anfälligen Beuteltierzellen ab. Dies ist auf die tödlichen Auswirkungen auf die Natrium-Kalium-Homöostase in den Zellen in Kultur zurückzuführen.

Ein Buchstabe von drei Milliarden

Wir haben das ATP1A-Gen der Maus in diesen Zellen so verändert, dass es entweder die Aminosäureveränderungen aufweist, die bei toxinresistenten Reptilien und Säugetieren beobachtet werden. Diese Zellen wurden dann steigenden Konzentrationen von Bufotoxin ausgesetzt und das Überleben der Zellen untersucht. Die Veränderungen führten zu Beuteltierzellen, die eine bis zu 1000-mal höhere Resistenz hatten. Dieser Befund bestätigt, dass dies eine sehr wirksame Strategie wäre, um in dem Zwergbeutelmarder eine Resistenz gegen das Krötentoxin zu erzeugen. Diese Strategie erfordert nur einen einzigen Basenschnitt im gesamten Genom. Das heißt, es wird nur einer von drei Milliarden Buchstaben des DNA-Codes verändert.

Mit Hilfe von CRISPR-Gene-Editing-Tools ist es uns möglich, den Evolutionsprozess zu beschleunigen und den Marder in einer einzigen Generation resistent zu machen.

Wichtig ist, dass es sich bei dieser Veränderung um eine natürlich vorkommende Variante des ATP1A-Gens handelt, die sich in vielen Arten (einschließlich vieler Säugetiere), die seit Tausenden von Jahren giftigen Kröten ausgesetzt sind, mehrfach entwickelt hat. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich diese Genvariante auf natürliche Weise bei den Mardern entwickeln würde, wenn sie noch ein paar tausend Jahre neben den Aga-Kröten überleben könnten. Leider ist dies aber nicht der Fall. Mit Hilfe von CRISPR-Gene-Editing-Tools ist es uns möglich, den Evolutionsprozess zu beschleunigen und den Marder in einer einzigen Generation resistent zu machen.

Eine erste Verteidigungslinie

Leider sind viele Populationen des Zwergbeutelmarders aufgrund der rückläufigen Zahlen isoliert und nicht miteinander verbunden. Daher müssten mehrere Freisetzungen von manipulierten Mardern in verschiedenen Gebieten ihres Verbreitungsgebiets erfolgen. Sobald sich die Populationen erholt haben, wird hoffentlich die Vernetzung in der Landschaft wiederhergestellt sein. Die Vorteile dieser Strategie sind zweifach. Sie sichert nicht nur das Überleben des Marders angesichts der sich rasch ausbreitenden Krötenpopulationen, sondern ermöglicht es dem Marder auch, Aga-Kröten als Nahrungsquelle zu nutzen und so die Ausbreitung der Kröte zu bekämpfen.

Dies wäre die erste Anwendung der CRISPR-Editierungstechnologie zu Naturschutzzwecken. Nach dem Erfolg des Engineerings beim Zwergbeutelmarder könnte genau dieselbe Strategie auf Vogel-, Reptilien-, Amphibien- und Fischarten angewandt werden, die alle unter den Auswirkungen der Aga-Kröten leiden. Die exakt gleichen Änderungen am gleichen Gen sollten sich in allen Fällen als wirksam erweisen. Dies wollen wir in naher Zukunft untersuchen und damit hoffentlich eine erste Verteidigungslinie gegen die Aga-Kröte entwickeln, indem wir unsere einheimischen Arten in die Lage versetzen, diese inzwischen sehr große, invasive Nahrungsquelle zu verzehren.