Las hormigas viven 10 veces más al alterar sus respuestas a la insulina

Los animales que producen muchas crías tienden a tener vidas cortas, mientras que las especies menos prolíficas tienden a vivir más. Las cucarachas ponen cientos de huevos mientras viven menos de un año. Los ratones tienen docenas de bebés durante su año o dos de vida. Las ballenas jorobadas producen solo una cría cada dos o tres años y viven durante décadas. La regla empírica parece reflejar estrategias evolutivas que canalizan los recursos nutricionales hacia la reproducción rápida o hacia el crecimiento más robusto para una ventaja a largo plazo.

Pero las hormigas reinas pueden tenerlo todo. En algunas especies de hormigas, las reinas viven más de 30 años mientras ponen los miles y miles de huevos que se convierten en todas las obreras del nido. En contraste, las hormigas obreras, que son hembras que no se reproducen, viven solo meses. Sin embargo, si las circunstancias lo exigen, las obreras de algunas especies pueden convertirse en pseudo-reinas por el bien del nido, y para cosechar una extensión significativa en su vida útil.

Lo que gobierna este rango gigantesco en la duración de la vida de las hormigas es poco conocido, pero dos estudios recientes han revelado detalles importantes sobre lo que hace que la duración de la vida de las hormigas sea tan flexible. In Ciencia:, investigadores de la Universidad de Nueva York demostraron que algunas hormigas reinas producen una proteína que suprime el efecto de envejecimiento de la insulina para que puedan consumir todos los alimentos adicionales necesarios para la puesta de huevos sin acortar sus vidas. Y en una preimpresión publicado recientemente en el servidor biorxiv.org, investigadores en Alemania describieron un parásito que prolonga enormemente la vida de sus hormigas anfitrionas al secretar un rico cóctel de antioxidantes y otros compuestos. Ambos estudios se suman a la evidencia de que la duración de la vida observada de los organismos tiene poco que ver con las limitaciones impuestas por sus genes.

“La mayoría de los estudios sobre el envejecimiento se realizan en organismos modelo que tienen una vida útil muy corta”, dijo laurent keller, profesor de ecología y evolución en la Universidad de Lausana en Suiza. Los insectos sociales, explicó, ofrecen oportunidades fascinantes para estudiar la importancia de la expresión génica en el envejecimiento porque la reina y las obreras de una colonia a menudo tienen el mismo genoma pero difieren en la duración de su vida en un orden de magnitud. (Hace dos décadas, Keller demostró que las hormigas reinas viven unas 100 veces más que los insectos solitarios ancestrales de los que evolucionaron las hormigas).

Y debido a que los trabajadores tienen una vida corta, “puedes tratar de descubrir cómo hacer que vivan más tiempo”, dijo. Arjuna Rajakumar, un becario postdoctoral que ahora estudia las limitaciones reproductivas de las hormigas obreras en el Instituto Whitehead del Instituto Tecnológico de Massachusetts, y recientemente completó su trabajo de posgrado en la Universidad McGill. La emocionante posibilidad es que los mecanismos metabólicos que prolongan la vida de los insectos también puedan aplicarse a otras especies, incluidos los humanos. “Queremos entender cómo haces que algo viva más tiempo, no [solo] por qué algo vive tanto tiempo”, dijo.

Comer más envejeciendo menos

Durante décadas, los estudios han señalado a la insulina y al sistema de señalización bioquímica que activa como reguladores clave del envejecimiento. La insulina afecta la forma en que las células del cuerpo absorben y utilizan la glucosa de azúcar, por lo que tiene una influencia fundamental en la cantidad de energía disponible para las células para el crecimiento, la reproducción y la reparación. En el proceso, también regula la generación de radicales libres potencialmente dañinos y otras moléculas oxidantes que son subproductos del metabolismo. Muchos investigadores sospechan que esta es la razón por la que las dietas de restricción calórica, que mantienen bajos los niveles de insulina, parecen prolongar la esperanza de vida en muchas especies.

Además, la insulina parece tener un significado adicional para las hormigas. Hace varios años, el trabajo dirigido por el biólogo evolutivo Daniel Kronauer en la Universidad Rockefeller mostró que los cambios en cómo responden las hormigas a la insulina parecen haberlos persuadido a desarrollar sociedades coloniales altruistas con reinas reproductivas y obreras no reproductivas.

Así que hace cuatro años, cuando Vikram Chandra Era un estudiante de posgrado en la Universidad Rockefeller que estudiaba las diferencias entre las hormigas reinas y las obreras y tenía muy presente la insulina. el y Ingrid Fetter-Pruneda, becario postdoctoral en el laboratorio en ese momento, codirigió un equipo que analizó la expresión genética en siete especies de hormigas y concluyó que se producía más señalización de insulina en los cerebros de las reinas que en los de las obreras. Cuando inyectaron insulina a las hormigas obreras, activó sus ovarios inactivos y desencadenó el desarrollo de óvulos. Según Kronauer, quien supervisó el estudio, estos hallazgos mostraron que la señalización de la insulina hizo que las hormigas se volvieran reproductivas.

Ese descubrimiento sentó las bases para un nuevo trabajo realizado como parte de una colaboración a largo plazo entre los biólogos. claude desplan y Danny Reinberg en la Universidad de Nueva York. Demostraron que la evolución ha reconfigurado algunos componentes de la vía de señalización de la insulina en las hormigas de maneras que podrían explicar por qué las reinas viven más tiempo.

Desplan y Reinberg estudiaron las hormigas saltadoras indias (Saltador Harpegnathos), cuyas reinas viven unos cinco años y cuyas obreras viven sólo unos siete meses. Pero en esta especie, esta diferencia en la duración de la vida no está escrita en piedra. Si una reina muere o es removida de la colonia, las obreras sienten el cambio casi inmediatamente por la desaparición de su olor. Algunas de ellas se convierten entonces en “gamergates” (pseudo-reinas) que se baten a duelo por el dominio para ocupar su lugar. Eventualmente, un puñado de gamergates victoriosos, generalmente entre tres y cinco, asumen conjuntamente el papel de la reina como ponedoras de huevos para la colonia. Luego, otros trabajadores "vigilan" cualquier gamergate superfluo, suprimiéndolos por la fuerza para que no pongan huevos.

Sin embargo, el comportamiento de los gamergates no es lo único que cambia: desarrollan ovarios funcionales y pueden poner huevos, y su vida útil se extiende a tres o cuatro años. Debido a que los gamergates no son tan prolíficos como las reinas, generalmente se necesitan de tres a cinco para reemplazar la producción de huevos de la reina. Si se introduce un gamergate en una colonia donde vive una reina, el gamergate vuelve a ser un trabajador y su vida útil se acorta.

Cuando un trabajador se convierte en gamergate, su metabolismo cambia. Ella come más y el aumento resultante en sus niveles de insulina desencadena el desarrollo de sus ovarios. Ella usa la comida para producir lípidos que se empaquetan en los huevos. Pero a partir de estudios previos sobre la insulina y el envejecimiento, los investigadores de la NYU esperaban que una mayor señalización de la insulina estuviera relacionada con una vida más corta, no más larga.

Los investigadores encontraron la respuesta escondida en los detalles de la señalización de la insulina. Cuando la insulina se une a su receptor en la superficie de una célula, desencadena cascadas de reacciones dentro de la célula, incluidas dos vías químicas distintas. Una vía activa una enzima llamada MAP quinasa y es fundamental para el metabolismo y el desarrollo de los ovarios. La otra vía suprime un factor de transcripción que parece promover una vida más larga. Para sorpresa de los investigadores, cuando observaron el ovario y el cuerpo graso (que es más o menos equivalente al hígado de los mamíferos) en gamergates, encontraron que la vía MAP quinasa estaba activa pero la otra no.

El trabajo posterior mostró que los ovarios de los gamergates expresaban fuertemente una proteína, Imp-L2, que ignoraba la vía de la MAP quinasa pero interfería con la segunda vía en el cuerpo graso. “Esta proteína parece tener la función de proteger una vía que permite el metabolismo, pero inhibiendo la vía que conduce al envejecimiento”, dijo Desplan.

Otros investigadores señalan que el nuevo estudio no muestra definitivamente que Imp-L2 afecte la esperanza de vida: Desplan y Reinberg no probaron directamente si activar la proteína en los trabajadores les haría vivir más tiempo o si inhibirla en gamergates los haría morir. cuanto antes. Tales experimentos son desafiantes porque podrían necesitar inyectar inhibidores de insulina a las hormigas durante meses o años.

Sin embargo, la propuesta de Desplan y Reinberg de que las hormigas están manipulando las diferentes ramas del sistema de señalización de la insulina es "una hipótesis realmente plausible e interesante", dijo Chandra, quien actualmente es investigadora postdoctoral en la Universidad de Harvard. “Si estimula a más laboratorios a intentar probar esto, sería genial”.

Dado que es más fácil realizar experimentos genéticos en moscas de la fruta que en hormigas, el equipo de Desplan ahora está viendo si pueden extender la vida útil de Drosophila moscas de la fruta activando su expresión de Imp-L2. Algún día, Desplan espera probar el experimento también en ratones. “Tenemos mucho trabajo emocionante que hacer”, dijo.

El parásito que alarga la vida

En un giro extraño, la naturaleza parece haber realizado ya su propia versión de un experimento similar en otra especie. Investigadores en Alemania descubrieron recientemente que una tenia parásita ha desarrollado la capacidad de manipular la extrema plasticidad de la vida de las hormigas para su propio beneficio.

La tenia debe pasar parte de su vida dentro de las hormigas bellota (temnothorax nylanderi), que reciben su nombre de los nidos que construyen dentro de bellotas individuales. Cuando las obreras salen a buscar alimento, a veces comen un huevo de tenia y se infectan. Pero para completar su ciclo de vida, la tenia también necesita infectar a un pájaro carpintero, y tiene esa oportunidad cuando los pájaros carpinteros se comen las bellotas de las hormigas.

Hace unos años, Sara Beros, estudiante del laboratorio de Susana Foitzik en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania, abrió algunos nidos de hormigas bellotas e hizo el extraño descubrimiento de que, si bien todas las obreras no infectadas murieron durante los meses de observación, las infectadas no. (Las hormigas parasitadas son fáciles de identificar porque su color cambia de marrón a amarillo). Cuando Beros le contó a Foitzik al respecto, Foitzik recuerda haber pensado: “Eso no es posible. Todo muere." Pero Beros insistió, “así que lo investigamos adecuadamente”.

En un trabajo presentado el verano pasado en una reunión de la Unión Internacional para el Estudio de los Insectos Sociales y publicado justo antes de Navidad en el servidor de preimpresión biorxiv.org, el equipo de Foitzik demostró que durante la etapa larval de la tenia en las hormigas, bombea proteínas al equivalente de la sangre de la hormiga (hemolinfa) que prolongan drásticamente la vida útil de la obrera. A diferencia de las hormigas saltarinas indias, las hormigas bellota normalmente no se convierten en gamergates, por lo que la extensión de la vida del parásito no tiene un precedente natural.

“El efecto es súper fuerte”, dijo Kronauer. Durante el experimento de tres años, las obreras infectadas vivieron cinco veces más que las no infectadas y mostraron tasas de mortalidad tan bajas como las de las reinas. La manipulación del parásito prolongó tanto la vida de las obreras “que básicamente no se puede distinguir de la de una reina”, dijo.

Aunque las obreras de las hormigas bellota infectadas no se vuelven reproductivas, sí se vuelven más parecidas a una reina en varios aspectos, dijo Foitzik: Trabajan menos y reciben un cuidado más atento de las obreras no infectadas en la colonia. Si se retira a la reina del nido, también son las primeras obreras en desarrollar ovarios.

Foitzik y su equipo descubrieron que las larvas de tenia producen y secretan más de 250 proteínas en la hemolinfa de las hormigas infectadas, suficientes para constituir alrededor del 7 % de todas las proteínas circulantes. La mayoría de las proteínas no han sido caracterizadas, pero dos de ellas son identificables como antioxidantes. "Así que parece que [la tenia] está liberando antioxidantes en la hormiga, y esto podría aumentar la esperanza de vida", dijo.

Cuando Foitzik y su equipo midieron los cambios en la expresión génica en las hormigas parasitadas, descubrieron que las hormigas infectadas también producían más antioxidantes. Además, las reinas y las obreras infectadas expresaban más un gen llamado plata, pero los trabajadores no infectados no. Los investigadores vincularon previamente la plata gen a una mayor duración de la vida en las moscas de la fruta.

Aunque está claro que se produce una serie de cambios metabólicos y de desarrollo cuando las obreras se vuelven más parecidas a una reina, es difícil separar cuál de los cambios es más importante para prolongar la vida. La insulina y los antioxidantes son importantes, pero Keller cree que es probable que muchos otros factores también desempeñen un papel. “Así que creo que no habría un solo camino que simplemente explicaría la diferencia en la duración de la vida; probablemente necesites cambiar muchas cosas”, dijo.

Keller cree que los hallazgos sobre los parásitos son fascinantes porque los parásitos suelen acortar en lugar de alargar la vida. Pero en este caso, la extensión de la vida de la hormiga también parece adaptarse al parásito: la tenia necesita persistir en la hormiga infectada el tiempo suficiente para que un pájaro carpintero encuentre la bellota y se la coma. Si el trabajador muere antes, la tenia muere con él. Al alargar la vida del trabajador por años, la tenia mejora las probabilidades de que aparezca un pájaro carpintero. La abundancia de antioxidantes en la hemolinfa también puede ayudar a las larvas de tenia a vivir tanto tiempo como sus huéspedes.

“Aquí el parásito está explotando a un huésped social”, explicó Foitzik. No tendría sentido parasitar a los invertebrados solitarios porque nunca viven tanto. “Pero en un insecto social, donde las reinas ya viven en la seguridad del nido durante 20 años, puedes jugar ese tipo de truco”.

Corrección: 10 de enero de 2023
Una versión anterior de este artículo omitió mencionar las contribuciones de Fetter-Pruneda al estudio con Chandra sobre las diferencias en la expresión genética entre castas de hormigas.