Le formiche vivono 10 volte di più alterando le loro risposte insuliniche

Gli animali che producono molti figli tendono ad avere vite brevi, mentre le specie meno prolifiche tendono a vivere più a lungo. Gli scarafaggi depongono centinaia di uova mentre vivono meno di un anno. I topi hanno dozzine di bambini durante il loro anno o due di vita. Le balene megattere producono solo un vitello ogni due o tre anni e vivono per decenni. La regola empirica sembra riflettere strategie evolutive che incanalano le risorse nutrizionali nella riproduzione rapida o nella crescita più robusta per un vantaggio a lungo termine.

Ma le regine delle formiche possono avere tutto. In alcune specie di formiche, le regine vivono più di 30 anni mentre depongono le migliaia e migliaia di uova che diventano tutte le operaie del nido. Al contrario, le formiche operaie, che sono femmine che non si riproducono, vivono solo mesi. Tuttavia, se le circostanze lo richiedono, le operaie di alcune specie possono farsi avanti per diventare pseudo-regine per il bene del nido e per raccogliere una significativa estensione della loro durata di vita.

Ciò che governa questa gamma gigantesca nella durata della vita delle formiche è poco conosciuto, ma due studi recenti hanno rivelato dettagli importanti su ciò che rende la durata della vita delle formiche così flessibile. In Scienze, i ricercatori della New York University hanno dimostrato che alcune formiche regine producono una proteina che sopprime l'effetto di invecchiamento dell'insulina in modo che possano consumare tutto il cibo aggiuntivo necessario per la deposizione delle uova senza accorciare la loro vita. E dentro una prestampa recentemente pubblicato sul server biorxiv.org, i ricercatori in Germania hanno descritto un parassita che allunga notevolmente la vita dei suoi ospiti di formiche secernendo un ricco cocktail di antiossidanti e altri composti. Entrambi gli studi si aggiungono all'evidenza che la durata della vita osservata degli organismi ha poco a che fare con le limitazioni imposte dai loro geni.

"La maggior parte degli studi sull'invecchiamento vengono condotti su organismi modello che hanno una durata di vita molto breve", ha affermato Laurent Keller, professore di ecologia ed evoluzione all'Università di Losanna in Svizzera. Gli insetti sociali, ha spiegato, offrono opportunità affascinanti per studiare l'importanza dell'espressione genica nell'invecchiamento perché la regina e le operaie in una colonia spesso hanno lo stesso genoma ma differiscono nella durata della loro vita di un ordine di grandezza. (Due decenni fa, Keller ha dimostrato che le regine delle formiche vivono circa 100 volte più a lungo degli insetti solitari ancestrali da cui si sono evolute le formiche.)

E poiché i lavoratori hanno vita breve, "puoi provare a capire come farli vivere più a lungo", ha detto Arjuna Rajakumar, un borsista post-dottorato che ora studia i vincoli riproduttivi sulle formiche operaie presso il Whitehead Institute presso il Massachusetts Institute of Technology, avendo recentemente completato il suo lavoro di laurea presso la McGill University. L'eccitante possibilità è che i meccanismi metabolici che prolungano la vita degli insetti possano applicarsi anche ad altre specie, compreso l'uomo. "Vogliamo capire come si fa vivere qualcosa più a lungo, non [solo] perché qualcosa vive così a lungo", ha detto.

Mangiare di più invecchiando di meno

Per decenni, gli studi hanno indicato l'insulina e il sistema di segnalazione biochimica che attiva come regolatori chiave dell'invecchiamento. L'insulina influisce sul modo in cui le cellule del corpo assorbono e utilizzano il glucosio, quindi ha un'influenza fondamentale sulla quantità di energia disponibile alle cellule per la crescita, la riproduzione e la riparazione. Nel processo, regola anche la generazione di radicali liberi potenzialmente dannosi e altre molecole ossidanti che sono sottoprodotti del metabolismo. Molti ricercatori sospettano che questo sia il motivo per cui le diete a restrizione calorica, che mantengono bassi i livelli di insulina, sembrano prolungare la durata della vita in molte specie.

Inoltre, l'insulina sembra avere un significato aggiunto per le formiche. Diversi anni fa, il lavoro guidato dal biologo evoluzionista Daniele Kronauer alla Rockefeller University ha dimostrato che i cambiamenti in come le formiche rispondono all'insulina sembrano averli persuasi a far evolvere società coloniali altruistiche con regine riproduttive e lavoratrici non riproduttive.

Quindi quattro anni fa, quando Vikram Chandra era uno studente laureato alla Rockefeller University che studiava le differenze tra formiche regine e operaie, l'insulina era una delle sue preoccupazioni principali. Lui e Ingrid Fetter-Pruneda, all'epoca ricercatore post-dottorato nel laboratorio, ha co-guidato un team che ha esaminato l'espressione genetica in sette specie di formiche e ha concluso che si verificava una maggiore segnalazione di insulina nel cervello delle regine che nelle operaie. Quando hanno iniettato insulina nelle formiche operaie, questa ha attivato le loro ovaie dormienti e ha innescato lo sviluppo delle uova. Secondo Kronauer, che ha supervisionato lo studio, questi risultati hanno dimostrato che la segnalazione dell’insulina ha indotto le formiche a riprodursi.

Quella scoperta ha gettato le basi per un nuovo lavoro condotto nell'ambito di una collaborazione a lungo termine tra i biologi Claudio Desplan ed Danny Reinberg all'Università di New York. Hanno dimostrato che l'evoluzione ha ricablato alcuni componenti del percorso di segnalazione dell'insulina nelle formiche in modi che potrebbero spiegare perché le regine vivono più a lungo.

Desplan e Reinberg hanno studiato le formiche saltatrici indiane (Harpegnathos saltatore), le cui regine vivono circa cinque anni e le cui operaie vivono solo circa sette mesi. Ma in questa specie, questa differenza nella durata della vita non è scolpita nella pietra. Se una regina muore o viene allontanata dalla colonia, le operaie avvertono quasi immediatamente il cambiamento dovuto alla scomparsa del suo profumo. Alcune di loro diventano poi "gamergate" (pseudo-regine) che duellano per il dominio per prendere il suo posto. Alla fine, una manciata di gamergate vittoriosi - di solito tra tre e cinque - assumono congiuntamente il ruolo della regina come strati di uova per la colonia. Altri lavoratori quindi "sorvegliano" eventuali gamergate superflui, impedendo loro di deporre le uova con la forza.

Tuttavia, il comportamento dei gamergate non è l'unica cosa che cambia: sviluppano ovaie funzionali e possono deporre uova e la loro durata di vita si estende a tre o quattro anni. Poiché i gamergate non sono così prolifici come le regine, di solito ne occorrono da tre a cinque per sostituire la produzione di uova della regina. Se un gamergate viene introdotto in una colonia in cui vive una regina, il gamergate torna a essere un lavoratore e la sua durata di vita si accorcia.

Quando un lavoratore diventa un gamergate, il suo metabolismo cambia. Mangia di più e il conseguente aumento dei suoi livelli di insulina innesca lo sviluppo delle sue ovaie. Usa il cibo per produrre lipidi che vengono confezionati nelle uova. Ma da precedenti studi sull'insulina e sull'invecchiamento, i ricercatori della NYU si aspettavano che una maggiore segnalazione dell'insulina sarebbe stata collegata a una durata della vita più breve, non più lunga.

I ricercatori hanno trovato la risposta nascosta nei dettagli della segnalazione dell'insulina. Quando l'insulina si lega al suo recettore sulla superficie cellulare, innesca una cascata di reazioni all'interno della cellula, tra cui due percorsi chimici distinti. Un percorso attiva un enzima chiamato MAP chinasi ed è fondamentale per il metabolismo e lo sviluppo delle ovaie. L'altro percorso sopprime un fattore di trascrizione che sembra promuovere una durata di vita più lunga. Con sorpresa dei ricercatori, quando hanno esaminato l'ovaio e il corpo grasso (che è più o meno equivalente al fegato dei mammiferi) nei gamergate, hanno scoperto che il percorso della chinasi MAP era attivo ma l'altro no.

Ulteriori lavori hanno mostrato che le ovaie dei gamergate esprimevano fortemente una proteina, Imp-L2, che ignorava la via della chinasi MAP ma interferiva con la seconda via nel corpo grasso. "Questa proteina sembra avere la funzione di proteggere un percorso che consente il metabolismo, ma di inibire il percorso che porta all'invecchiamento", ha detto Desplan.

Altri ricercatori sottolineano che il nuovo studio non dimostra in modo definitivo che Imp-L2 influisca sulla durata della vita: Desplan e Reinberg non hanno testato direttamente se l'attivazione della proteina nei lavoratori li farebbe vivere più a lungo o se inibirla nei gamergate li farebbe morire prima. Tali esperimenti sono impegnativi perché potrebbero richiedere l'iniezione di inibitori dell'insulina nelle formiche per mesi o anni.

Tuttavia, la proposta di Desplan e Reinberg secondo cui le formiche stanno manipolando i diversi rami del sistema di segnalazione dell'insulina è "un'ipotesi davvero plausibile e interessante", ha affermato Chandra, che è attualmente ricercatrice post-dottorato presso l'Università di Harvard. "Se stimolasse più laboratori a provare a testare questo, sarebbe molto bello."

Dal momento che è più facile eseguire esperimenti genetici sui moscerini della frutta che sulle formiche, il team di Desplan sta ora cercando di prolungare la durata della vita di Drosophila moscerini della frutta attivando la loro espressione di Imp-L2. Un giorno, Desplan spera di provare l'esperimento anche sui topi. "Abbiamo un sacco di lavoro entusiasmante da fare", ha detto.

Il parassita che allunga la vita

In una strana svolta, la natura sembra aver già eseguito la propria versione di un esperimento simile in un'altra specie. I ricercatori in Germania hanno recentemente scoperto che una tenia parassita ha sviluppato la capacità di manipolare l'estrema plasticità della durata della vita delle formiche a proprio vantaggio.

La tenia deve trascorrere parte della sua vita all'interno delle formiche ghianda (Temnothorax nylanderi), che prendono il nome dai nidi che costruiscono all'interno delle singole ghiande. Quando i lavoratori escono per cercare cibo, a volte mangiano un uovo di tenia e si infettano. Ma per completare il suo ciclo di vita, la tenia ha anche bisogno di infettare un picchio, e ne ha l'opportunità quando i picchi mangiano le ghiande delle formiche.

Qualche anno fa, Sara Beros, una studentessa del laboratorio di Susanne Foitzik presso l'Università Johannes Gutenberg di Magonza in Germania, ha aperto alcuni nidi di formiche ghiande e ha fatto la strana scoperta che mentre tutti i lavoratori non infetti morivano durante i mesi di osservazione, quelli infetti no. (Le formiche parassitate sono facili da identificare perché il loro colore passa dal marrone al giallo.) Quando Beros ne parlò a Foitzik, Foitzik ricorda di aver pensato: “Non è possibile. Tutto muore. Ma Beros insisteva, "e così abbiamo esaminato bene la questione".

Nel lavoro presentato la scorsa estate a un convegno dell'Unione Internazionale per lo Studio degli Insetti Sociali e pubblicato poco prima di Natale sul server di prestampa biorxiv.org, il team di Foitzik ha dimostrato che durante lo stadio larvale della tenia nelle formiche, pompa proteine ​​nell'equivalente del sangue della formica (emolinfa) che prolunga notevolmente la durata della vita del lavoratore. A differenza delle formiche saltellanti indiane, le formiche ghianda normalmente non si trasformano in gamergate, quindi l'estensione della vita del parassita non ha precedenti naturali.

"L'effetto è super forte", ha detto Kronauer. Durante l'esperimento triennale, i lavoratori infetti hanno vissuto cinque volte più a lungo di quelli non infetti e hanno mostrato tassi di mortalità bassi rispetto a quelli delle regine. La manipolazione del parassita ha esteso così tanto la durata della vita delle operaie "che praticamente non puoi distinguerla da quella di una regina", ha detto.

Sebbene le formiche lavoratrici infette non diventino riproduttive, diventano più simili a regine sotto diversi aspetti, ha detto Foitzik: lavorano meno e ricevono cure più attente dai lavoratori non infetti nella colonia. Se la regina viene rimossa dal nido, sono anche le prime operaie a sviluppare le ovaie.

Foitzik e il suo team hanno scoperto che le larve di tenia producono e secernono più di 250 proteine ​​nell'emolinfa delle formiche infette, sufficienti a costituire circa il 7% di tutte le proteine ​​circolanti. La maggior parte delle proteine ​​non è stata caratterizzata, ma due di esse sono identificabili come antiossidanti. "Quindi sembra che [la tenia] stia rilasciando antiossidanti nella formica, e questo potrebbe aumentare la durata della vita", ha detto.

Quando Foitzik e il suo team hanno misurato i cambiamenti nell'espressione genica nelle formiche parassitate, hanno scoperto che anche le formiche infette producevano più antiossidanti. Inoltre, le regine e le operaie infette esprimevano più di un gene chiamato argento, ma i lavoratori non infetti no. I ricercatori hanno precedentemente collegato il file argento gene ad una durata di vita prolungata nei moscerini della frutta.

Sebbene sia chiaro che una serie di cambiamenti metabolici e di sviluppo si verifica quando le operaie diventano più simili a regine, è difficile distinguere quale dei cambiamenti sia più importante per prolungare la durata della vita. L'insulina e gli antiossidanti sono importanti, ma Keller ritiene che anche molti altri fattori possano svolgere un ruolo. "Quindi penso che non ci sarebbe un unico percorso che spiegherebbe semplicemente la differenza nella durata della vita - probabilmente devi cambiare molte cose", ha detto.

Keller pensa che le scoperte sui parassiti siano affascinanti perché i parassiti in genere accorciano piuttosto che allungare la vita. Ma in questo caso, l'estensione della durata della vita della formica sembra essere adattativa anche per il parassita: la tenia deve persistere nella formica infetta abbastanza a lungo da permettere a un picchio di trovare la ghianda e mangiarla. Se l'operaio muore prima, la tenia muore con esso. Allungando di anni la vita del lavoratore, la tenia aumenta le probabilità che alla fine si presenti un picchio. L'abbondanza di antiossidanti nell'emolinfa può anche aiutare le larve di tenia a vivere quanto i loro ospiti.

"Qui il parassita sta sfruttando un host sociale", ha spiegato Foitzik. Non avrebbe senso parassitare gli invertebrati solitari perché non vivono mai così a lungo. "Ma in un insetto sociale, dove le regine vivono già nella sicurezza del nido da 20 anni, puoi giocare quel tipo di trucco."

Correzione: 10 gennaio 2023
Una versione precedente di questo articolo trascurava di menzionare i contributi di Fetter-Pruneda allo studio con Chandra sulle differenze nell'espressione genetica tra le caste di formiche.