Defensas Químicas en Escarabajos: Ideas y Descubrimientos

Los artrópodos, un grupo que incluye insectos, arañas y crustáceos, son conocidos por su gran variedad. No solo difieren en cómo se clasifican, sino también en los químicos que producen. Muchas especies utilizan estos químicos para enviar mensajes importantes a otros de su especie o a especies diferentes. Por ejemplo, las hormigas usan rastros de olor para guiar a sus amigos hacia fuentes de comida. Los machos de polilla sueltan olores para atraer a las hembras y ahuyentar a los rivales. Los escarabajos del corteza liberan sustancias que atraen a otros escarabajos hacia los árboles, donde pueden poner sus huevos. Los milpiés, por otro lado, pueden liberar químicos tóxicos cuando se sienten amenazados.

Los químicos que emiten los artrópodos han intrigado a los científicos durante muchos años. Estas sustancias pueden ayudar a explicar cómo han evolucionado y se comportan los insectos. Entre los químicos más estudiados están aquellos que ayudan a los insectos a defenderse. Estos incluyen compuestos orgánicos pequeños y sustancias más complejas.

A pesar de saber bastante sobre los diferentes compuestos defensivos en los insectos, los científicos aún tienen muchas preguntas sobre cómo se producen estos compuestos y cómo han cambiado con el tiempo. En los últimos años, los investigadores se han centrado en un grupo específico de artrópodos conocido como Adephaga, particularmente dentro de la familia de los escarabajos.

#Glándulas Únicas de los Escarabajos

Una característica definitoria de los escarabajos Adephaga son sus glándulas especiales ubicadas en su abdomen, llamadas glándulas pigidiales. Estas glándulas generalmente tienen cuatro partes principales, aunque algunas especies de escarabajos tienen estructuras adicionales. Las cuatro partes son lóbulos secretorios, conductos de recolección, reservorios y conductos eferentes.

Los lóbulos secretorios son donde se producen los químicos defensivos. Estos químicos luego fluyen hacia los conductos de recolección, que son lo suficientemente fuertes para resistir las propiedades de los químicos. Desde allí, los compuestos se almacenan en reservorios. Cuando el escarabajo se siente amenazado, los reservorios se comprimen, empujando los químicos a través de los conductos eferentes que llevan a la punta del abdomen. Algunos escarabajos tienen glándulas adicionales conectadas al conducto eferente que ayudan en reacciones químicas, lo que lleva a la producción de calor y compuestos adicionales.

Diferentes especies de escarabajos tienen diferentes composiciones químicas en sus secreciones. Por ejemplo, algunos pueden producir Ácido fórmico, mientras que otros pueden crear ácido metacrílico. Esta variedad indica una rica química entre estos insectos.

#Tipos de Compuestos Defensivos en Escarabajos

Los químicos defensivos de los escarabajos se pueden dividir en varios grupos. Los más comunes son los ácidos carboxílicos, que incluyen sustancias conocidas como ácido metacrílico y ácido fórmico. El ácido metacrílico se encuentra en varias familias de escarabajos, mientras que el ácido fórmico se ve principalmente en ciertas subfamilias.

Las quinonas también son químicos defensivos comunes en algunos escarabajos. Aunque no son tan prevalentes como los ácidos carboxílicos, todavía aparecen en varios grupos de escarabajos. Estos compuestos juegan roles importantes en ahuyentar a los depredadores o señalar a otros escarabajos.

El estudio de la química defensiva de los escarabajos ha demostrado que muchos de estos compuestos han emergido múltiples veces dentro de diferentes familias de escarabajos. Por ejemplo, el mismo químico podría haber aparecido en linajes separados. Esto plantea preguntas sobre cómo se producen estos compuestos: ¿utilizan diferentes especies de escarabajos los mismos métodos, o tienen procesos distintos para producir los mismos químicos?

#El Enfoque de Nuestro Estudio

En este estudio, nuestro objetivo fue identificar los genes y rutas involucradas en la producción de dos químicos específicos: el ácido fórmico y el ácido metacrílico. Nos enfocamos en dos especies de escarabajos de la subfamilia Harpalinae. Creemos que el escarabajo productor de ácido fórmico, Platynus angustatus, activa ciertos genes que ayudan en la producción de ácido fórmico, similar a otra especie, Harpalus pensylvanicus. Además, pensamos que Pterostichus moestus, que produce ácido metacrílico, está involucrado en descomponer L-valina para crear este compuesto.

También nos propusimos identificar los genes responsables de transportar estos ácidos en los lóbulos secretorios de estas especies. El movimiento eficiente de estos químicos es clave para los escarabajos, ya que les ayuda a fortalecer sus defensas.

#Recolectando Escarabajos

Recolectamos ejemplares de Platynus angustatus y Pterostichus moestus durante el verano y otoño de 2019. Se mantuvieron en contenedores con un sustrato y se les dio una dieta de nueces y comida para perros. Ambas especies mostraron comportamiento canibalístico, así que se colocaron en contenedores separados.

#Analizando las Glándulas de los Escarabajos

Para estudiar el contenido de las glándulas pigidiales, recolectamos secreciones de estos escarabajos. Estimulamos a los escarabajos para que liberaran sus aerosoles defensivos y almacenamos el líquido en viales especiales para análisis. Tuvimos desafíos para identificar los sexos de los ejemplares debido a su anatomía similar, lo que complicó nuestra recolección de datos.

Los extractos de glándulas fueron luego analizados usando cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS), un método para identificar diferentes compuestos químicos presentes en las muestras.

#Disecando las Glándulas de los Escarabajos

Procedimos a disecar los escarabajos recolectados para aislar tejidos glandulares específicos. Después de que se estimuló el aerosol defensivo, almacenamos los escarabajos para la disección. Bajo un microscopio, separamos cuidadosamente los tejidos del lóbulo secretor del resto del cuerpo y los preservamos para análisis posteriores.

#Extracción de ARN y Secuenciación

A continuación, aislamos ARN tanto de las muestras de lóbulos secretorios como del resto del cuerpo. Usamos procedimientos estándar para extraer ARN total y creamos bibliotecas para secuenciación. Estas bibliotecas fueron secuenciadas para obtener información sobre la expresión génica y determinar cómo se activan diferentes genes en respuesta a la función glandular.

#Analizando la Expresión Génica

Realizamos un chequeo de calidad en nuestros datos de secuenciación para asegurar su fiabilidad. Usando herramientas de bioinformática, ensamblamos los transcriptomas e identificamos los genes presentes en nuestras muestras. También comparamos los niveles de expresión de genes entre los lóbulos secretorios y el cuerpo entero para ver qué genes estaban más activos en la producción de los químicos.

#Encontrando Genes Candidatos

En nuestro análisis, encontramos genes que parecían jugar roles cruciales en la producción de ácido fórmico en ambos escarabajos productores de ácido fórmico. Estos genes estaban regulados al alza en los lóbulos secretorios, indicando que eran más activos en esos tejidos. De manera similar, identificamos genes involucrados en la descomposición de L-valina para el productor de ácido metacrílico.

Observamos que ciertas rutas bioquímicas estaban enriquecidas en los lóbulos secretorios de ambas especies de escarabajos. Por ejemplo, rutas clave como el ciclo del folato y la ruta de la quinurenina parecían significativas para la producción de ácido fórmico. En contraste, la ruta catabólica de la valina estaba vinculada con la producción de ácido metacrílico.

#El Ciclo del Folato y la Producción de Ácido Fórmico

El ciclo del folato es una ruta bioquímica importante para producir compuestos de un carbono que son necesarios para muchas funciones en los organismos vivos. En nuestro estudio, encontramos que las enzimas centrales de este ciclo se expresaron más en los lóbulos secretorios de los productores de ácido fórmico. Esto sugiere que estas enzimas pueden jugar un papel clave en la fabricación de ácido fórmico, tomando L-serina como bloque de construcción.

#El Papel de la Ruta de la Quinurenina

La ruta de la quinurenina es otra ruta potencial para la biosíntesis de ácido fórmico. Esta ruta comienza con triptófano y puede generar formiato, que puede ser útil para compuestos defensivos. Aunque encontramos evidencia de genes regulados al alza involucrados en esta ruta, creemos que el ciclo del folato es más probable que sea la ruta clave para producir ácido fórmico en estos escarabajos, principalmente debido a la abundancia de los materiales de partida necesarios y la eficiencia metabólica del proceso.

#Producción de Ácido Metacrílico

En cuanto a la producción de ácido metacrílico, encontramos evidencia sólida de que la ruta catabólica de la valina es vital. Los genes regulados al alza en los lóbulos secretorios de Pterostichus moestus indicaron que procesa activamente la valina para producir ácido metacrílico. También especulamos que un tipo específico de enzima, probablemente una serina hidrólasa, podría estar involucrado en convertir el compuesto intermedio metacrilil-CoA en el ácido final.

#Transporte de Químicos Defensivos

Después de discutir cómo se producen los químicos, cambiamos nuestro enfoque a cómo se mueven estas sustancias defensivas desde los lóbulos secretorios a sus áreas de almacenamiento. Investigamos posibles mecanismos de transporte e identificamos genes que podrían estar involucrados.

Encontramos familias particulares de transportadores que podrían ayudar a mover los ácidos fórmico y metacrílico. La familia de transportadores de sodio:soluto parece tener miembros clave que podrían facilitar el transporte de estos compuestos ácidos.

#Conclusión

Nuestro estudio arrojó luz sobre cómo ciertos escarabajos producen y transportan químicos para defensa. Los descubrimientos sobre el ciclo del folato, la ruta de la quinurenina y la ruta catabólica de la valina mejoraron nuestra comprensión de la bioquímica de los insectos. Aunque tenemos una imagen más clara de los compuestos defensivos en estos escarabajos, aún quedan muchas preguntas sin respuesta sobre el alcance total de sus rutas bioquímicas y cómo estos procesos han evolucionado con el tiempo.

Investigaciones futuras podrían ampliar esta comprensión y desentrañar los detalles intrincados de la defensa química en el diverso mundo de los artrópodos.