Ученые перепрограммируют поведение муравьев с помощью молекул мозга
Ученые из Пенсильванского университета расшифровали важные элементы генетической регуляции у муравьев-листорезов (Atta cephalotes), обнаружив две сигнальные молекулы, которые можно изменять для "перенастройки" функций муравьев. Каждая роль муравьев определяется строением их тела – от формы челюстей до размера. Крупнейшие муравьи охраняют колонию, муравьи среднего размера режут листья, а самые маленькие, величиной с булавочную головку, ухаживают за грибами и потомством.
Кардиоактивный пептид ракообразных (CCAP), уровень которого особенно высок у муравьев среднего размера, связан с активным сбором листьев и способен вызывать такое поведение у других особей. В то же время нейропарсин-A (NPA), преобладающий у крупных муравьев, подавляет заботу о потомстве и связан с охранной функцией. Снижение уровня NPA, наоборот, активизирует поведение, связанное с уходом за потомством.
В статье, опубликованной в журнале Cell, исследователи также указали на удивительное сходство: генные паттерны, регулирующие распределение обязанностей у муравьев-листорезов, оказались похожи на те, что наблюдаются у голых землекопов – млекопитающих, живущих в колониях и совместно ухаживающих за потомством. Это указывает на возможный общий молекулярный механизм, существующий на протяжении более 600 миллионов лет эволюции. Опираясь на более ранние исследования муравьев-плотников, у которых существует лишь две социальные роли – солдаты и собиратели, – ученые решили выяснить, как эти принципы работают в более сложной системе муравьев-листорезов.
Для этого исследователи проанализировали влияние различных нейропептидов и разработали специальные поведенческие камеры, напечатанные на 3D-принтере. Эти устройства позволили наблюдать за тем, как муравьи взаимодействуют с листьями, грибками и личинками. Благодаря видеонаблюдению и точной количественной оценке поведения исследователи увидели, что изменение уровней молекул CCAP и NPA приводит к четким, воспроизводимым изменениям в действиях муравьев, фактически переключая их между разными обязанностями. Для более глубокого понимания эволюционного происхождения и значимости наблюдаемого поведенческого механизма исследователи обратили внимание на голых землекопов – отдаленных родственников муравьев, чьи подземные сообщества поразительно напоминают кастовую структуру муравьиных колоний.
Хотя у землекопов нет точно таких же нейропептидов, как NPA, найденных у муравьев, ученые предположили, что эти молекулы все же могут воздействовать на древние, консервативные сигнальные пути, общие для обоих видов. Это возможно благодаря тому, что некоторые рецепторы обладают неспецифичностью и могут реагировать на похожие сигналы.
Результаты также показали интересную связь с инсулиновыми регуляторными путями, которые играют ключевую роль в обмене сахаров. В частности, было обнаружено, что инсулиноподобные пептиды, такие как Ilp1, активно экспрессируются наряду с NPA. Это указывает на ранее недооцененное взаимодействие между инсулиновыми и нейропептидными сигнальными системами в управлении поведением.