UNIVERSITY PARK, Pa. – Un parásito fúngico que infecta a las hormigas y manipula su comportamiento para beneficiar la reproducción del hongo logra esta hazaña sin infectar el cerebro de las hormigas, según un estudio dirigido por investigadores de Penn State.,
en cambio, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — un complejo de especies a veces llamado «hongo hormiga zombi»-rodea e invade las fibras musculares en todo el cuerpo de la hormiga, y las células fúngicas forman una red 3-D que puede permitirles controlar colectivamente el comportamiento del huésped, dijeron los investigadores.
investigaciones anteriores mostraron que este parásito específico de la especie controla el comportamiento de las hormigas carpinteras, obligándolas a trepar la vegetación y morder la parte inferior de las hojas o ramitas, donde mueren., A medida que el hongo crece en el cadáver de la hormiga, produce un tallo que sobresale de la cabeza de la hormiga y descarga esporas infecciosas en el suelo, donde pueden infectar a otras hormigas forrajeras.,
«para comprender mejor cómo estos parásitos microbianos controlan el comportamiento de los animales, observamos las interacciones a nivel celular entre el parásito y su huésped hormiga carpintero en un momento crucial en el ciclo de vida del parásito, cuando el huésped manipulado se fija permanentemente a la vegetación por sus mandíbulas», dijo la autora principal Maridel Fredericksen, ex estudiante de maestría en entomología en Penn State, ahora candidata a doctorado en el Instituto Zoológico de la Universidad de Basilea, Suiza.,
«Se sabe que el hongo secreta metabolitos específicos del tejido y causa cambios en la expresión génica del huésped, así como atrofia en los músculos de la mandíbula de su hormiga huésped», dijo. «El comportamiento alterado del huésped es un fenotipo extendido de los genes del parásito microbiano que se expresan a través del cuerpo de su huésped. Pero se desconoce cómo el hongo coordina estos efectos para manipular el comportamiento del huésped.»
para investigar esto, el equipo de investigación infectó hormigas con O. unilateralis S. l., o con un patógeno fúngico generalista, Beauveria bassiana, para distinguir entre los efectos que son comunes a los hongos patógenos de aquellos que son específicos de O. unilateralis S. L.
utilizando microscopía electrónica de barrido de cara de bloque en serie, el equipo creó visualizaciones 3-D para determinar la distribución, abundancia e interacciones de los hongos dentro de los cuerpos de las hormigas. Este uso de la tecnología representó un avance en el estudio de este sistema parásito-huésped, según el autor principal David Hughes, Profesor Asociado de Entomología y biología, Penn State.,
trabajando con la coautora Missy Hazen en la instalación de microscopía y citometría de los Institutos Huck de Ciencias de la vida de Penn State, los investigadores tomaron cortes de tejido a 50 nanómetros y capturaron imágenes de cada corte, utilizando una máquina que podría repetir ese proceso 2,000 veces durante un período de 24 horas.
«al apilar estas rebanadas, pudimos reconstruirlas en 3-D, lo que nos da una visión a nivel de micrones de la interacción entre el hongo y el huésped, con una resolución increíblemente alta», dijo Hughes. «Esta es una visión sin precedentes de cómo un manipulador controla a su anfitrión.,»
para procesar esa cantidad de datos, los científicos emplearon inteligencia artificial (IA) y algoritmos de aprendizaje automático para analizar las imágenes.
«nuestros colaboradores en Notre Dame pudieron usar el aprendizaje profundo para entrenar computadoras para diferenciar entre células fúngicas y de hormigas para que pudiéramos determinar cuánto del organismo es hormiga y cuánto es hongo», explicó Hughes.,
Una hormiga manipulados por el «zombie hormiga hongo» picaduras en la parte inferior de una ramita en su último acto antes de morir y convertirse en una plataforma para la reproducción de hongos.
«El desarrollo de la vanguardia, en el fondo de un modelo de aprendizaje para la identificación de hongos y hormigas, las células se completa y colaboración trabajo en equipo», dijo Danny Chen, profesor de ciencias de la computación y la ingeniería, de la Universidad de Notre Dame., «El grupo Penn State produjo una gran cantidad de datos de imágenes etiquetadas, que nuestro grupo utilizó para entrenar, probar y mejorar nuestro modelo de red neuronal profunda. Fue realmente increíble ver lo bien que los biólogos y los investigadores de IA trabajaron juntos para abordar este problema de manera tan efectiva.»
los resultados, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, mostraron que las células de O. unilateralis S. l.estaban presentes en prácticamente todas las regiones del cuerpo de las hormigas anfitrionas, incluyendo la cabeza, el tórax, el abdomen y las piernas. , Además, una gran proporción de estas células fúngicas estaban conectadas, lo que sugiere que forman una red para controlar el comportamiento del huésped colectivamente.
«encontramos que un alto porcentaje de las células en un huésped eran células fúngicas», dijo Hughes. «En esencia, estos animales manipulados eran un hongo en la ropa de las hormigas.»
sin embargo, aunque las células fúngicas se concentraron directamente fuera del cerebro, los investigadores no observaron células fúngicas dentro del cerebro.,
«normalmente en los animales, el comportamiento es controlado por el cerebro enviando señales a los músculos, pero nuestros resultados sugieren que el parásito está controlando el comportamiento del huésped periféricamente», dijo Hughes. «Casi como un titiritero tira de los hilos para hacer que una marioneta se mueva, el hongo controla los músculos de la hormiga para manipular las piernas y mandíbulas del huésped.»
aunque el cerebro huésped no está invadido por células fúngicas, el trabajo anterior ha demostrado que el cerebro puede ser alterado químicamente por el parásito, señaló Hughes.,
«planteamos la hipótesis de que el hongo puede estar preservando el cerebro para que el huésped pueda sobrevivir hasta que realice su comportamiento final de mordida, ese momento crítico para la reproducción fúngica. Pero necesitamos llevar a cabo investigaciones adicionales para determinar el papel del cerebro y cuánto control ejerce el hongo sobre él.»
otros investigadores en el estudio fueron Yizhe Zhang, Departamento de Ciencias de la Computación e Ingeniería, Universidad de Notre Dame; Raquel Loreto, becaria postdoctoral en entomología, Penn State; y Colleen Mangold, becaria postdoctoral en Bioquímica y biología molecular, Penn State.,
la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de salud, la Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brasil y la American Heart Association apoyaron este trabajo.