Semut Hidup 10 Kali Lebih Lama dengan Mengubah Respons Insulinnya

Hewan yang menghasilkan banyak keturunan cenderung berumur pendek, sedangkan spesies yang kurang produktif cenderung hidup lebih lama. Kecoak bertelur ratusan telur saat hidup kurang dari setahun. Tikus memiliki lusinan bayi selama satu atau dua tahun kehidupannya. Paus bungkuk hanya menghasilkan satu anak setiap dua atau tiga tahun dan hidup selama beberapa dekade. Aturan praktis tampaknya mencerminkan strategi evolusi yang menyalurkan sumber daya nutrisi baik untuk bereproduksi dengan cepat atau tumbuh lebih kuat untuk keuntungan jangka panjang.

Tapi ratu semut bisa memiliki semuanya. Pada beberapa spesies semut, ratu hidup lebih dari 30 tahun sambil bertelur ribuan demi ribuan telur yang menjadi semua pekerja di sarang. Sebaliknya, semut pekerja, betina yang tidak bereproduksi, hidup hanya beberapa bulan. Namun jika keadaan menuntutnya, para pekerja dari beberapa spesies dapat melangkah menjadi ratu palsu demi kebaikan sarang - dan menuai perpanjangan yang signifikan dalam rentang hidup mereka.

Apa yang mengatur rentang hidup semut yang sangat besar ini kurang dipahami, tetapi dua studi baru-baru ini mengungkapkan detail penting tentang apa yang membuat rentang hidup semut begitu fleksibel. In Ilmu, para peneliti di Universitas New York menunjukkan bahwa beberapa ratu semut menghasilkan protein yang menekan efek penuaan insulin sehingga mereka dapat mengonsumsi semua makanan tambahan yang dibutuhkan untuk bertelur tanpa memperpendek umur mereka. Dan masuk pracetak baru-baru ini diposting di server biorxiv.org, para peneliti di Jerman menggambarkan parasit yang sangat memperpanjang umur inang semutnya dengan mengeluarkan campuran kaya antioksidan dan senyawa lainnya. Kedua studi menambah bukti bahwa masa hidup organisme yang diamati tidak ada hubungannya dengan batasan yang dipaksakan oleh gen mereka.

“Sebagian besar studi tentang penuaan dilakukan pada model organisme yang memiliki masa hidup yang sangat singkat,” kata Laurent Keller, seorang profesor ekologi dan evolusi di Universitas Lausanne di Swiss. Serangga sosial, jelasnya, menawarkan peluang menarik untuk mempelajari pentingnya ekspresi gen dalam penuaan karena ratu dan pekerja dalam koloni sering memiliki genom yang sama tetapi berbeda dalam masa hidup mereka dengan urutan besarnya. (Dua dekade lalu, Keller menunjukkan bahwa ratu semut hidup sekitar 100 kali lebih lama dari leluhur serangga penyendiri tempat semut berevolusi.)

Dan karena para pekerja berumur pendek, “Anda dapat mencoba mencari cara untuk membuat mereka hidup lebih lama,” kata Arjuna Rajakumar, seorang postdoctoral fellow yang sekarang mempelajari kendala reproduksi pada semut pekerja di Whitehead Institute di Massachusetts Institute of Technology, baru saja menyelesaikan pekerjaan pascasarjana di McGill University. Kemungkinan yang menarik adalah bahwa mekanisme metabolisme yang memperpanjang umur serangga mungkin juga berlaku untuk spesies lain, termasuk manusia. “Kami ingin memahami bagaimana Anda membuat sesuatu hidup lebih lama, bukan [hanya] mengapa sesuatu hidup begitu lama,” katanya.

Makan Lebih Banyak Saat Menua Lebih Sedikit

Selama beberapa dekade, penelitian telah menunjukkan insulin dan sistem pensinyalan biokimia yang diaktifkannya sebagai pengatur utama penuaan. Insulin mempengaruhi bagaimana sel-sel tubuh mengambil dan menggunakan glukosa gula, sehingga memiliki pengaruh mendasar pada jumlah energi yang tersedia bagi sel untuk pertumbuhan, reproduksi, dan perbaikan. Dalam prosesnya, itu juga mengatur pembentukan radikal bebas yang berpotensi berbahaya dan molekul pengoksidasi lainnya yang merupakan produk sampingan dari metabolisme. Banyak peneliti menduga inilah mengapa diet pembatasan kalori, yang menjaga kadar insulin tetap rendah, tampaknya memperpanjang umur banyak spesies.

Selain itu, insulin tampaknya memiliki arti penting tambahan bagi semut. Beberapa tahun lalu, pekerjaan dipimpin oleh ahli biologi evolusi Daniel Kronauer di Universitas Rockefeller menunjukkan bahwa perubahan dalam bagaimana semut menanggapi insulin tampaknya telah membujuk mereka untuk mengembangkan masyarakat kolonial altruistik dengan ratu reproduksi dan pekerja nonreproduktif.

Jadi empat tahun lalu, kapan Vikram Chandra adalah seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Rockefeller yang mempelajari perbedaan antara ratu semut dan pekerja, insulin adalah hal utama yang dipikirkannya. Dia dan Ingrid Belenggu-Pruneda, seorang rekan pascadoktoral di laboratorium pada saat itu, ikut memimpin tim yang mengamati ekspresi gen pada tujuh spesies semut dan menyimpulkan bahwa lebih banyak sinyal insulin terjadi di otak ratu dibandingkan pekerja. Ketika mereka menyuntik semut pekerja dengan insulin, hal itu mengaktifkan ovarium mereka yang tidak aktif dan memicu perkembangan sel telur. Menurut Kronauer, yang mengawasi penelitian tersebut, temuan ini menunjukkan bahwa sinyal insulin menyebabkan semut menjadi reproduktif.

Penemuan itu meletakkan dasar bagi pekerjaan baru yang dilakukan sebagai bagian dari kerja sama jangka panjang antara para ahli biologi Claude Desplan dan Danny Reinberg di Universitas New York. Mereka menunjukkan bahwa evolusi telah mengubah beberapa komponen jalur pensinyalan insulin pada semut dengan cara yang dapat menjelaskan mengapa ratu hidup lebih lama.

Desplan dan Reinberg mempelajari semut pelompat India (Saltator Harpegnathos), yang ratunya hidup sekitar lima tahun dan pekerjanya hanya hidup sekitar tujuh bulan. Tetapi pada spesies ini, perbedaan dalam rentang hidup ini tidak ditentukan. Jika seorang ratu mati atau dikeluarkan dari koloni, para pekerja segera merasakan perubahan dari hilangnya baunya. Beberapa dari mereka kemudian menjadi "gamergat" (pseudo-queens) yang berduel untuk mendapatkan dominasi untuk menggantikannya. Akhirnya, segelintir gamergate yang menang — biasanya antara tiga dan lima — bersama-sama mengambil alih peran ratu sebagai lapisan telur untuk koloni. Pekerja lain kemudian "menjaga" setiap gamergate yang berlebihan, dengan paksa menekan mereka agar tidak bertelur.

Namun, perilaku para gamergate bukanlah satu-satunya hal yang berubah: Mereka mengembangkan ovarium fungsional dan dapat bertelur - dan masa hidup mereka mencapai tiga atau empat tahun. Karena gamergate tidak seproduktif ratu, biasanya dibutuhkan tiga hingga lima di antaranya untuk menggantikan hasil telur ratu. Jika gamergate dimasukkan ke dalam koloni tempat tinggal ratu, gamergate kembali menjadi pekerja dan masa hidupnya lebih pendek.

Ketika seorang pekerja menjadi gamergate, metabolismenya berubah. Dia makan lebih banyak, dan peningkatan kadar insulinnya memicu perkembangan indung telurnya. Dia menggunakan makanan untuk membuat lipid yang dikemas ke dalam telur. Tapi dari studi insulin dan penuaan sebelumnya, para peneliti NYU memperkirakan bahwa pensinyalan insulin yang lebih besar akan dikaitkan dengan masa hidup yang lebih pendek, bukan lebih lama.

Para peneliti menemukan jawabannya bersembunyi dalam detail pensinyalan insulin. Ketika insulin berikatan dengan reseptornya pada permukaan sel, ia memicu serangkaian reaksi di dalam sel, termasuk dua jalur kimia yang berbeda. Satu jalur mengaktifkan enzim yang disebut MAP kinase dan sangat penting untuk metabolisme dan perkembangan ovarium. Jalur lain menekan faktor transkripsi yang tampaknya meningkatkan masa hidup yang lebih lama. Yang mengejutkan para peneliti, ketika mereka melihat ovarium dan lemak tubuh (yang kira-kira setara dengan hati mamalia) di gamergate, mereka menemukan bahwa jalur MAP kinase aktif tetapi yang lain tidak.

Pekerjaan lebih lanjut menunjukkan bahwa ovarium dari gamergate dengan kuat mengekspresikan protein, Imp-L2, yang mengabaikan jalur MAP kinase tetapi mengganggu jalur kedua dalam tubuh lemak. “Protein ini tampaknya memiliki fungsi melindungi satu jalur yang memungkinkan terjadinya metabolisme, namun menghambat jalur yang mengarah pada penuaan,” kata Desplan.

Peneliti lain menunjukkan bahwa studi baru tidak secara pasti menunjukkan bahwa Imp-L2 memengaruhi masa hidup: Desplan dan Reinberg tidak secara langsung menguji apakah mengaktifkan protein pada pekerja akan membuat mereka hidup lebih lama atau jika menghambatnya di gamergate akan membuat mereka mati. lebih cepat. Eksperimen semacam itu menantang karena mereka mungkin perlu menyuntikkan semut dengan penghambat insulin selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun.

Namun demikian, usulan Desplan dan Reinberg bahwa semut memanipulasi cabang yang berbeda dari sistem pensinyalan insulin adalah "hipotesis yang sangat masuk akal dan menarik," kata Chandra, yang saat ini menjadi peneliti pascadoktoral di Universitas Harvard. “Jika itu merangsang lebih banyak laboratorium untuk mencoba menguji ini, itu akan sangat keren.”

Karena lebih mudah melakukan eksperimen genetik pada lalat buah daripada pada semut, tim Desplan kini melihat apakah mereka dapat memperpanjang masa hidup semut. Drosophila lalat buah dengan mengaktifkan ekspresi Imp-L2 mereka. Suatu hari nanti, Desplan berharap untuk mencoba percobaan pada tikus juga. "Kami memiliki banyak pekerjaan menarik untuk dilakukan," katanya.

Parasit Yang Memperpanjang Umur

Anehnya, alam tampaknya telah menjalankan versinya sendiri dari eksperimen serupa pada spesies lain. Para peneliti di Jerman baru-baru ini menemukan bahwa cacing pita parasit telah mengembangkan kemampuan untuk memanipulasi plastisitas ekstrem masa hidup semut demi keuntungannya sendiri.

Cacing pita harus menghabiskan sebagian hidupnya di dalam semut biji pohon ek (Temnothorax nylanderi), yang mendapatkan namanya dari sarang yang mereka bangun di dalam biji individu. Saat pekerja pergi mencari makan, terkadang mereka memakan telur cacing pita dan terinfeksi. Tetapi untuk menyelesaikan siklus hidupnya, cacing pita juga perlu menginfeksi burung pelatuk, dan kesempatan itu didapat ketika burung pelatuk memakan sarang semut.

Beberapa tahun yang lalu, Sara Beros, seorang mahasiswa di laboratorium Susanne Foitzik di Johannes Gutenberg University of Mainz di Jerman, membuka beberapa sarang semut biji pohon ek dan membuat penemuan aneh bahwa sementara semua pekerja yang tidak terinfeksi meninggal selama berbulan-bulan pengamatan mereka, yang terinfeksi tidak. (Semut yang diparasit mudah dikenali karena warnanya berubah dari coklat menjadi kuning.) Ketika Beros memberi tahu Foitzik tentang hal itu, Foitzik ingat berpikir, “Itu tidak mungkin. Semuanya mati." Tapi Beros bersikeras, "jadi kami memeriksanya dengan benar."

Dalam karya yang dipresentasikan musim panas lalu pada pertemuan Persatuan Internasional untuk Studi Serangga Sosial dan diposting sebelum Natal di server pracetak biorxiv.org, tim Foitzik menunjukkan bahwa selama tahap larva cacing pita pada semut, ia memompa protein ke darah (hemolymph) semut yang secara dramatis memperpanjang masa hidup pekerja. Berbeda dengan semut pelompat India, semut biji pohon ek biasanya tidak berkembang menjadi gamergate, sehingga perpanjangan hidup parasit tidak memiliki preseden alami.

“Efeknya sangat kuat,” kata Kronauer. Selama percobaan tiga tahun, pekerja yang terinfeksi hidup lima kali lebih lama dari yang tidak terinfeksi dan menunjukkan tingkat kematian serendah ratu. Manipulasi parasit memperpanjang umur pekerja begitu banyak "sehingga pada dasarnya Anda tidak dapat membedakannya dari ratu," katanya.

Meskipun pekerja semut biji pohon ek yang terinfeksi tidak menjadi reproduktif, mereka menjadi lebih seperti ratu dalam beberapa hal, kata Foitzik: Mereka bekerja lebih sedikit dan mendapat perhatian lebih dari pekerja yang tidak terinfeksi di koloni. Jika ratu dikeluarkan dari sarangnya, mereka juga pekerja pertama yang mengembangkan ovarium.

Foitzik dan timnya menemukan bahwa larva cacing pita menghasilkan dan mengeluarkan lebih dari 250 protein ke dalam hemolymph semut yang terinfeksi – cukup untuk membentuk sekitar 7% dari semua protein yang bersirkulasi. Sebagian besar protein belum dikarakterisasi, namun dua di antaranya dapat diidentifikasi sebagai antioksidan. “Jadi sepertinya [cacing pita] melepaskan antioksidan ke dalam semut, dan ini bisa memperpanjang umurnya,” katanya.

Ketika Foitzik dan timnya mengukur perubahan ekspresi gen pada semut yang diparasit, mereka menemukan bahwa semut yang terinfeksi juga membuat lebih banyak antioksidan. Selain itu, ratu dan pekerja yang terinfeksi lebih banyak mengekspresikan gen yang disebut perak, tetapi pekerja yang tidak terinfeksi tidak. Para peneliti sebelumnya menghubungkan perak gen untuk rentang hidup diperpanjang pada lalat buah.

Meskipun jelas bahwa serangkaian perubahan perkembangan dan metabolisme terjadi ketika pekerja menjadi lebih seperti ratu, sulit untuk membedakan perubahan mana yang paling penting untuk memperpanjang masa hidup. Insulin dan antioksidan memang penting, tetapi Keller berpendapat bahwa banyak faktor lain yang juga berperan. “Jadi saya pikir tidak akan ada satu jalur pun yang hanya menjelaskan perbedaan rentang hidup – Anda perlu mengubah banyak hal, mungkin,” katanya.

Keller berpikir bahwa temuan tentang parasit menarik karena parasit biasanya mempersingkat daripada memperpanjang hidup. Namun dalam kasus ini, perpanjangan masa hidup semut juga tampaknya adaptif untuk parasit: Cacing pita perlu bertahan cukup lama di dalam semut yang terinfeksi agar burung pelatuk dapat menemukan biji pohon ek dan memakannya. Jika pekerja meninggal sebelum itu, cacing pita mati bersamanya. Dengan memperpanjang umur pekerja selama bertahun-tahun, cacing pita meningkatkan kemungkinan munculnya burung pelatuk. Kelimpahan antioksidan dalam hemolymph juga dapat membantu larva cacing pita hidup selama inangnya.

“Di sini parasit mengeksploitasi inang sosial,” jelas Foitzik. Tidak masuk akal untuk menjadi parasit pada invertebrata soliter karena mereka tidak pernah hidup selama itu. "Tapi dalam serangga sosial, di mana ratu sudah hidup aman di sarang selama 20 tahun, Anda bisa memainkan trik semacam itu."

Koreksi: 10 Januari 2023
Versi awal artikel ini tidak menyebutkan kontribusi Fetter-Pruneda pada penelitian dengan Chandra mengenai perbedaan ekspresi gen antar kasta semut.