UNIVERSITY PARK, Pa. – Pasożyt grzybiczy, który infekuje mrówki i manipuluje ich zachowaniem, aby przynieść korzyści rozmnażaniu się grzyba, nie infekując mózgów mrówek – wynika z badań prowadzonych przez naukowców z Penn State.,
zamiast tego Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — kompleks gatunków czasami nazywany „grzybem mrówek zombie” — otacza i atakuje włókna mięśniowe w całym ciele mrówki, a komórki grzyba tworzą sieć 3-D, która może umożliwić im zbiorową kontrolę zachowania gospodarza, twierdzą naukowcy.
poprzednie badania wykazały, że ten specyficzny dla gatunku pasożyt kontroluje zachowanie mrówek ciesielskich, zmuszając je do wspinania się na roślinność i gryzienia w spód liści lub gałązek, gdzie umierają., Gdy grzyb rośnie w zwłokach mrówek, wytwarza łodygę, która wystaje z głowy mrówki i wyładowuje zakaźne zarodniki na ziemię poniżej, gdzie mogą zainfekować inne żerujące mrówki.,
„aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób takie drobnoustrojowe pasożyty kontrolują zachowanie zwierząt, przyjrzeliśmy się interakcjom na poziomie komórki między pasożytem a jego gospodarzem-mrówką w kluczowym momencie cyklu życia pasożyta-kiedy manipulowany gospodarz naprawia się na stałe do roślinności za pomocą żuchwy”, powiedziała główna autorka Maridel Fredericksen, była studentka studiów magisterskich w entomologii w Penn State, obecnie doktorantka w Instytucie zoologicznym Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii.,
„wiadomo, że grzyb wydziela metabolity specyficzne dla tkanek i powoduje zmiany w ekspresji genów gospodarza, a także zanik mięśni żuchwy gospodarza mrówek”-powiedziała. „Zmienione zachowanie gospodarza jest rozszerzonym fenotypem genów pasożyta drobnoustrojów wyrażanych przez ciało gospodarza. Ale nie wiadomo, w jaki sposób grzyb koordynuje te efekty, aby manipulować zachowaniem gospodarza.”
aby to zbadać, zespół badawczy zainfekował mrówki O. unilateralis s.l., lub z uogólnionym patogenem grzybiczym, Beauveria bassiana, aby odróżnić efekty, które są wspólne dla patogennych grzybów od tych, które są specyficzne dla O. unilateralis s. l.
za pomocą seryjnej mikroskopii skanująco-elektronowej z blokiem twarzy, zespół stworzył wizualizacje 3-D w celu określenia rozkładu, obfitości i interakcji grzybów wewnątrz ciał mrówek. Według starszego autora Davida Hughesa, profesora entomologii i biologii w Penn State, zastosowanie tej technologii stanowiło przełom w badaniu tego systemu pasożytów-gospodarzy.,
współpracując ze współautorką Missy Hazen w Zakładzie mikroskopii i cytometrii w Penn State Huck Institutes of the Life Sciences, naukowcy pobrali plasterki tkanki w nanometrach 50 i przechwycili obrazy każdego kawałka, używając maszyny, która może powtórzyć ten proces 2000 razy w ciągu 24 godzin.
„układając te plastry, możemy zrekonstruować je w 3-D, dając nam obraz interakcji między grzybem a gospodarzem na poziomie mikronów, z niewiarygodnie wysoką rozdzielczością”, powiedział Hughes. „To bezprecedensowy obraz tego, jak manipulator kontroluje swojego gospodarza.,”
aby przetworzyć taką ilość danych, naukowcy wykorzystali sztuczną inteligencję (AI) i algorytmy uczenia maszynowego do analizy obrazów.
„nasi współpracownicy z Notre Dame byli w stanie wykorzystać głębokie uczenie do szkolenia komputerów do rozróżniania komórek grzybów i mrówek, abyśmy mogli określić, ile organizmu jest mrówka, a ile jest grzyb”, wyjaśnił Hughes.,
„rozwój najnowocześniejszego, głębokiego uczenia się modelu identyfikacji komórek grzybów i mrówek był kompletny i współpracy zespołowej,” powiedział Danny Chen, profesor informatyki i inżynierii, University of Notre Dame., „Penn State group wyprodukowała wiele oznaczonych danych obrazowych, które nasza grupa wykorzystała do szkolenia, testowania i ulepszania naszego modelu głębokiej sieci neuronowej. To było naprawdę niesamowite zobaczyć, jak dobrze biolodzy i badacze sztucznej inteligencji współpracowali ze sobą, aby tak skutecznie rozwiązać ten problem.”
wyniki opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences wykazały, że komórki O. unilateralis s.l. były obecne praktycznie we wszystkich regionach ciała mrówek gospodarza, w tym w głowie, klatce piersiowej, brzuchu i nogach., Ponadto duża część tych komórek grzybiczych została połączona, co sugeruje, że tworzą one sieć do zbiorowej kontroli zachowania gospodarza.
„W istocie te manipulowane zwierzęta były grzybem w odzieży mrówek.”
jednak, chociaż komórki grzybicze koncentrowały się bezpośrednio poza mózgiem, naukowcy nie zaobserwowali żadnych komórek grzybiczych wewnątrz mózgu.,
„zwykle u zwierząt zachowanie jest kontrolowane przez mózg wysyłający sygnały do mięśni, ale nasze wyniki sugerują, że pasożyt kontroluje zachowanie gospodarza peryferyjnie”, powiedział Hughes. „Niemal jak lalkarz pociąga za sznurki, aby wykonać ruch marionetki, grzyb kontroluje mięśnie mrówki, aby manipulować nogami i żuchwami gospodarza.”
chociaż mózg gospodarza nie jest atakowany przez komórki grzybicze, wcześniejsze prace wykazały, że mózg może być chemicznie zmieniony przez pasożyta, zauważył Hughes.,
„Zakładamy, że grzyb może chronić mózg, aby gospodarz mógł przetrwać, dopóki nie wykona ostatecznego gryzienia — tego krytycznego momentu dla rozmnażania się grzybów. Ale musimy przeprowadzić dodatkowe badania, aby określić rolę mózgu i ile kontroli grzyb ćwiczy nad nim.”
inni badacze w badaniu byli Yizhe Zhang, Wydział Informatyki i Inżynierii, University of Notre Dame; Raquel Loreto, Postdoctoral scholar w entomologii, Penn State; i Colleen Mangold, Postdoctoral fellow w biochemii i biologii molekularnej, Penn State.,
National Science Foundation, National Institutes of Health, Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brazylia oraz American Heart Association wsparły te prace.