UNIVERSITY PARK, Pa. – Een schimmelparasiet die mieren infecteert en hun gedrag manipuleert om de reproductie van de schimmel te bevorderen, bereikt deze prestatie zonder de hersenen van de mieren te infecteren, volgens een studie onder leiding van Penn State onderzoekers.,
in plaats daarvan, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — een complex van soorten soms genoemd “zombie mierenschimmel”-omringt en binnendringt spiervezels door het lichaam van de mier, en schimmelcellen vormen een 3-D netwerk dat hen in staat kan stellen om collectief te controleren gastheer gedrag, de onderzoekers gezegd.
eerder onderzoek toonde aan dat deze soortspecifieke parasiet het gedrag van timmermierbewerkers controleert en hen dwingt vegetatie te beklimmen en in de onderzijde van bladeren of twijgen te bijten, waar ze sterven., Als de schimmel groeit in het mier kadaver, produceert het een stengel die uit de kop van de mier steekt en infectieuze sporen afgeeft op de grond eronder, waar ze andere foeragerende mieren kunnen infecteren.,
” om beter te begrijpen hoe dergelijke microbiële parasieten het gedrag van dieren controleren, hebben we gekeken naar interacties op celniveau tussen de parasiet en zijn host van timmermieren op een cruciaal moment in de levenscyclus van de parasiet-wanneer de gemanipuleerde gastheer zich permanent fixeert op de vegetatie door zijn onderkaak,” zei hoofdauteur Maridel Fredericksen, voormalig masterstudent entomologie aan Penn State, nu promovendus aan het Zoölogisch Instituut van de Universiteit van Bazel, Zwitserland.,
” Het is bekend dat de schimmel weefselspecifieke metabolieten afscheidt en veranderingen in gastheergenexpressie en atrofie in de onderkaakspieren van zijn gastheer veroorzaakt,” zei ze. “Het veranderde gastheergedrag is een uitgebreid fenotype van de genen van de microbiële parasiet die worden uitgedrukt door het lichaam van de gastheer. Maar het is onbekend hoe de schimmel deze effecten coördineert om het gedrag van de gastheer te manipuleren.”
om dit te onderzoeken, infecteerde het onderzoeksteam mieren met ofwel O. unilateralis s.l., of met een generalistische schimmelpathogeen, Beauveria bassiana, om onderscheid te maken tussen effecten die gemeenschappelijk zijn voor pathogene schimmels en effecten die specifiek zijn voor O. unilateralis s.l.
met behulp van seriële block-face scanning-elektronenmicroscopie, creëerde het team 3D-visualisaties om de verspreiding, overvloed en interacties van de schimmels in het lichaam van de mieren te bepalen. Dit gebruik van de technologie betekende een doorbraak in de studie van dit parasiet-gastheer systeem, volgens senior auteur David Hughes, universitair hoofddocent entomologie en biologie, Penn State.,samen met coauteur Missy Hazen in de microscopie en Cytometrie faciliteit van Penn State ‘ s Huck Institutes of the Life Sciences, namen onderzoekers stukken weefsel op 50 nanometers en namen ze beelden van elk stuk, met behulp van een machine die dat proces 2000 keer kon herhalen gedurende een periode van 24 uur.
” door deze plakjes te stapelen, konden we ze reconstrueren in 3-D, wat ons een beeld geeft van de interactie tussen de schimmel en de gastheer, met een ongelooflijk hoge resolutie, ” zei Hughes. “Dit is een ongekend beeld van hoe een manipulator zijn gastheer bestuurt.,”
om die hoeveelheid gegevens te verwerken, gebruikten de wetenschappers kunstmatige intelligentie (AI) en machine-learning algoritmen om de beelden te analyseren.”onze medewerkers van Notre Dame waren in staat om deep learning te gebruiken om computers te trainen om onderscheid te maken tussen schimmel-en mierencellen, zodat we konden bepalen hoeveel van het organisme mier is en hoeveel schimmel,” Hughes uitgelegd.,
een mier gemanipuleerd door de” zombie — mierenschimmel ” bijt op de onderkant van een twijg-zijn laatste handeling voordat hij sterft en een platform voor schimmelreproductie wordt.
“De ontwikkeling van het cutting-edge, deep-learning model voor het identificeren van schimmel-en mierencellen was compleet en collaboratief teamwork,” zei Danny Chen, hoogleraar computer science and engineering, University Of Notre Dame., “De Penn State group produceerde veel gelabelde beeldgegevens, die onze groep gebruikte voor het trainen, testen en verbeteren van ons deep neural network model. Het was echt verbazingwekkend om te zien hoe goed biologen en AI-onderzoekers samenwerkten om dit probleem zo effectief aan te pakken.de resultaten, gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences, toonden aan dat O. unilateralis s.l. – cellen aanwezig waren in vrijwel alle gebieden van het lichaam van de waardmieren, waaronder in het hoofd, de thorax, de buik en de benen., Bovendien, werden een groot deel van deze schimmelcellen verbonden, die suggereren dat zij een netwerk vormen om het gedrag van de gastheer collectief te controleren.
” We vonden dat een hoog percentage van de cellen in een gastheer schimmelcellen waren, ” zei Hughes. “In wezen waren deze gemanipuleerde dieren een schimmel in mieren kleding.”
echter, hoewel schimmelcellen direct buiten de hersenen geconcentreerd waren, merkten onderzoekers geen schimmelcellen in de hersenen op.,
” normaal gesproken wordt het gedrag bij dieren gecontroleerd door de hersenen die signalen naar de spieren sturen, maar onze resultaten suggereren dat de parasiet het gedrag van de gastheer perifeer controleert,” zei Hughes. “Bijna zoals een poppenspeler aan de touwtjes trekt om een marionet te laten bewegen, controleert de schimmel de spieren van de mier om de poten en onderkaak van de gastheer te manipuleren.”
hoewel de gastheer-hersenen niet door schimmelcellen worden binnengevallen, heeft eerder onderzoek aangetoond dat de hersenen chemisch kunnen worden veranderd door de parasiet, merkte Hughes op.,
” we veronderstellen dat de schimmel de hersenen kan behouden zodat de gastheer kan overleven totdat hij zijn laatste bijtgedrag uitvoert — dat kritieke moment voor schimmelreproductie. Maar we moeten aanvullend onderzoek doen om de rol van de hersenen te bepalen en hoeveel controle de schimmel er over uitoefent.andere onderzoekers aan de studie waren Yizhe Zhang, Department of Computer Science and Engineering, University Of Notre Dame; Raquel Loreto, postdoctoral scholar in entomology, Penn State; en Colleen Mangold, postdoctoral fellow in biochemistry and molecular biology, Penn State.,de National Science Foundation, de National Institutes of Health, Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brazil, en de American Heart Association steunden dit werk.