UNIVERSITY PARK, Pa. – Un parassita fungino che infetta le formiche e manipola il loro comportamento a beneficio della riproduzione del fungo compie questa impresa senza infettare il cervello delle formiche, secondo uno studio condotto dai ricercatori della Penn State.,
Invece, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — un complesso di specie a volte chiamato “fungo zombie formica” — circonda e invade le fibre muscolari in tutto il corpo della formica, e le cellule fungine formano una rete 3-D che può consentire loro di controllare collettivamente il comportamento dell’ospite, hanno detto i ricercatori.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che questo parassita specifico della specie controlla il comportamento dei carpentieri, costringendoli a scalare la vegetazione e mordere la parte inferiore delle foglie o dei ramoscelli, dove muoiono., Man mano che il fungo cresce nel cadavere della formica, produce un gambo che sporge dalla testa della formica e scarica spore infettive sul terreno sottostante, dove possono infettare altre formiche foraggere.,
“Per capire meglio come microbica parassiti di controllo del comportamento animale, abbiamo guardato a livello di cella interazioni tra il parassita e il suo falegname-ant host in un momento cruciale nel ciclo di vita del parassita — quando manipolato host si fissa in modo permanente per la vegetazione sue mandibole,” ha detto l’autore principale Maridel Fredericksen, ex studente di master di laurea in entomologia presso la Penn State, ora un candidato al dottorato presso l’Università di Basilea Istituto Zoologico, Svizzera.,
“Il fungo è noto per secernere metaboliti specifici del tessuto e causare cambiamenti nell’espressione genica dell’ospite, nonché atrofia nei muscoli della mandibola del suo ospite formica”, ha detto. “Il comportamento alterato dell’ospite è un fenotipo esteso dei geni del parassita microbico che viene espresso attraverso il corpo del suo ospite. Ma non si sa come il fungo coordini questi effetti per manipolare il comportamento dell’ospite.”
Per indagare su questo, il team di ricerca ha infettato le formiche con O. unilateralis s.l., o con un agente patogeno fungino generalista, Beauveria bassiana, per distinguere tra effetti comuni ai funghi patogeni da quelli specifici di O. unilateralis s. l.
Utilizzando la microscopia elettronica a scansione a blocchi seriale, il team ha creato visualizzazioni 3-D per determinare la distribuzione, l’abbondanza e le interazioni dei funghi all’interno dei corpi delle formiche. Questo uso della tecnologia ha rappresentato una svolta nello studio di questo sistema parassita-ospite, secondo l’autore senior David Hughes, professore associato di entomologia e biologia, Penn State.,
Lavorando con la co-autrice Missy Hazen nella struttura di microscopia e citometria degli Huck Institutes of the Life Sciences di Penn State, i ricercatori hanno preso fette di tessuto a 50 nanometri e catturato le immagini di ogni fetta, utilizzando una macchina che potrebbe ripetere quel processo 2.000 volte in un periodo di 24 ore.
“Impilando queste fette, potremmo ricostruirle in 3-D, dandoci una visione a livello di micron dell’interazione tra il fungo e l’ospite, con una risoluzione incredibilmente alta”, ha detto Hughes. “Questa è una visione senza precedenti di come un manipolatore controlla il suo ospite.,”
Per elaborare quella quantità di dati, gli scienziati hanno quindi impiegato l’intelligenza artificiale (AI) e algoritmi di apprendimento automatico per analizzare le immagini.
“I nostri collaboratori di Notre Dame sono stati in grado di utilizzare l’apprendimento profondo per addestrare i computer a distinguere tra cellule fungine e formiche in modo da poter determinare quanta parte dell’organismo è formica e quanto è fungo”, ha spiegato Hughes.,
Una formica manipolata da “zombie ant fungo” morde sopra la parte inferiore di un ramoscello — il suo ultimo atto prima di morire e diventare una piattaforma per la riproduzione fungina.
“Lo sviluppo del modello di apprendimento profondo all’avanguardia per identificare le cellule fungine e formiche è stato un lavoro di squadra completo e collaborativo”, ha affermato Danny Chen, professore di informatica e ingegneria, Università di Notre Dame., “Il gruppo Penn State ha prodotto molti dati di immagine etichettati, che il nostro gruppo ha utilizzato per addestrare, testare e migliorare il nostro modello di rete neurale profonda. È stato davvero sorprendente vedere quanto bene biologi e ricercatori di IA hanno lavorato insieme per affrontare questo problema in modo così efficace.”
I risultati, pubblicati in Proceedings of the National Academy of Sciences, hanno mostrato che le cellule di O. unilateralis s.l. erano presenti praticamente in tutte le regioni del corpo delle formiche ospiti, compresa la testa, il torace, l’addome e le gambe., Inoltre, una grande percentuale di queste cellule fungine sono state collegate, suggerendo che formano una rete per controllare collettivamente il comportamento dell’ospite.
” Abbiamo scoperto che un’alta percentuale delle cellule in un ospite erano cellule fungine”, ha detto Hughes. “In sostanza, questi animali manipolati erano un fungo nei vestiti delle formiche.”
Tuttavia, sebbene le cellule fungine fossero concentrate direttamente al di fuori del cervello, i ricercatori non hanno osservato cellule fungine all’interno del cervello.,
“Normalmente negli animali, il comportamento è controllato dal cervello che invia segnali ai muscoli, ma i nostri risultati suggeriscono che il parassita sta controllando il comportamento dell’ospite perifericamente”, ha detto Hughes. “Quasi come un burattinaio tira le corde per fare una mossa marionetta, il fungo controlla i muscoli della formica per manipolare le gambe e le mandibole dell’ospite.”
Anche se il cervello ospite non è invaso da cellule fungine, il lavoro precedente ha dimostrato che il cervello può essere chimicamente alterato dal parassita, ha osservato Hughes.,
“Ipotizziamo che il fungo possa preservare il cervello in modo che l’ospite possa sopravvivere fino a quando non esegue il suo comportamento mordente finale — quel momento critico per la riproduzione fungina. Ma abbiamo bisogno di condurre ulteriori ricerche per determinare il ruolo del cervello e quanto controllo il fungo esercita su di esso.”
Altri ricercatori sullo studio erano Yizhe Zhang, Dipartimento di Informatica e Ingegneria, Università di Notre Dame; Raquel Loreto, studioso postdottorato in entomologia, Penn State; e Colleen Mangold, borsista postdottorato in biochimica e biologia molecolare, Penn State.,
La National Science Foundation, il National Institutes of Health, il Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brasile e l’American Heart Association hanno sostenuto questo lavoro.