ユニバーシティパーク、 -アリに感染し、真菌の再生に利益をもたらすために彼らの行動を操作する真菌寄生虫は、ペン州の研究者が率いる研究によると、アリの脳に感染することなく、この偉業を達成します。,
代わりに、Ophiocordyceps unilateralis sensu lato—”ゾンビアリ菌”と呼ばれる種の複合体—アリの体全体の筋線維を取り囲んで侵入し、真菌細胞は3次元ネットワークを形成し、宿主の行動を一括制御することができる、と研究者らは述べた。
これまでの研究では、この種特異的寄生虫が大工アリ労働者の行動を制御し、植生を登り、葉や小枝の下側に噛み込んで死ぬことが示されました。, 真菌はアリの死体で成長するにつれて、それはアリの頭から突出した茎を生成し、彼らは他の採餌アリに感染することができ、下の地面に感染性胞子,
“このような微生物寄生虫が動物の行動をどのように制御するかをよりよく理解するために、寄生虫のライフサイクルにおいて重要な瞬間に、寄生虫とその大工-アリ宿主との間の細胞レベルの相互作用を調べました。操作された宿主がその下顎骨によって植生に永久に固定されるとき”と、スイスのバーゼル大学動物学研究所の博士候補である主著者Maridel Fredericksenは述べています。,
“この菌は組織特異的代謝産物を分泌し、そのアリ宿主の下顎筋肉における宿主遺伝子発現の変化および萎縮を引き起こすことが知られている”と “変更されたホストの行動は、そのホストの体を介して発現されている微生物寄生虫の遺伝子の拡張表現型です。 しかし、真菌が宿主の行動を操作するためにこれらの効果をどのように調整するかは不明です。”
これを調査するために、研究チームはアリにO.unilateralis s.lのいずれかを感染させました。, または、ジェネラリストの真菌病原体であるBeauveria bassianaを用いて、病原性真菌に共通する効果とO.unilateralis s.l.
シリアルブロック面走査電子顕微鏡を用いて、アリの体内の真菌の分布、豊富さおよび相互作用を決定するための3次元視覚化を作成した。 この技術の使用は、ペンシルベニア州昆虫学および生物学の准教授であるDavid Hughes上級著者によると、この寄生虫-宿主系の研究における画期的なもの,
ペンシルベニア州のハック生命科学研究所の顕微鏡検査および細胞測定施設で共著者ミッシー-ヘイズンと協力して、研究者は50ナノメートルで組織のスライスを取り、そのプロセスを2,000時間にわたって24回繰り返すことができる機械を使用して、各スライスの画像を撮影した。
“これらのスライスを積み重ねることによって、我々は信じられないほど高い解像度で、私たちに真菌と宿主との間の相互作用のミクロンレベルのビューを与え、3-Dでそれらを再構築することができ、”ヒューズは言いました。 “それぞれの立場で、未曾有のビューがどのようなマニピュレータを調整します。,”
その量のデータを処理するために、科学者は人工知能（AI）と機械学習アルゴリズムを使用して画像を分析しました。
“ノートルダムの共同研究者たちは、深層学習を使用して真菌とアリ細胞を区別するためのコンピュータを訓練することができたので、生物のどれくらいがアリであり、どれくらいが真菌であるかを判断することができました”とHughes氏は説明します。,
“ゾンビアリ菌”によって操作されたアリは、小枝の下側に噛み付きます—死んで真菌の再生のためのプラットフォームになる前に、その最後の行為。
“真菌およびアリ細胞を同定するための最先端の深層学習モデルの開発は、完全かつ協力的なチームワークでした”と、ノートルダム大学のコンピュータサイエンスおよび工学のダニー-チェン教授は述べています。, “Penn State groupは多くのラベル付き画像データを作成しました。 生物学者とAI研究者がこの問題に効果的に取り組むためにどれだけうまく働いたかを見るのは本当に驚くべきことでした。”
国立科学アカデミーのProceedings of Sciencesに掲載された結果は、O.unilateralis s.l.細胞は、頭部、胸部、腹部および脚を含む宿主アリの体の実質的にすべての領域全体に存在, さらに、これらの真菌細胞の大部分が接続されており、宿主の行動を集団的に制御するためのネットワークを形成していることを示唆している。
“我々は、宿主中の細胞の高い割合が真菌細胞であることを見出した”とHughesは述べた。 “本質的に、これらの操作された動物は、アリの服の真菌でした。”
しかし、真菌細胞は脳の外側に直接集中していましたが、研究者は脳の中に真菌細胞を観察しませんでした。,
“通常、動物では、行動は脳が筋肉に信号を送ることによって制御されますが、我々の結果は、寄生虫が末梢で宿主の行動を制御していることを示唆しています”とHughes氏は述べています。 “人形が糸を引っ張ってマリオネットを動かすように、真菌はアリの筋肉を制御して宿主の足と下顎骨を操作します。”
宿主脳は真菌細胞によって侵入されていないが、以前の研究では、脳が寄生虫によって化学的に変化する可能性があることが示されている、とHughes,
“我々は、真菌が脳を保存している可能性があると仮定しているので、宿主は最終的な噛み付き行動を行うまで生き残ることができます—真菌の再生にとって重要な瞬間です。 しかし、私たちは脳の役割を決定するために追加の研究を行う必要があり、真菌がそれをどのくらい制御するかを決定します。”
この研究の他の研究者は、ノートルダム大学コンピュータサイエンス工学科Yizhe Zhang、ペンシルベニア州昆虫学のポスドク学者Raquel Loreto、ペンシルベニア州生化学分子生物学専攻のColleen Mangold、ペンシルベニア州生化学分子生物学専攻のポスドクフェローであった。,
国立科学財団、国立衛生研究所、Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brazil、および米国心臓協会がこの作業を支援しました。