Difese chimiche negli scarabei: intuizioni e scoperte

Gli artropodi, un gruppo che include insetti, ragni e crostacei, sono noti per la loro vasta varietà. Non solo si differenziano in base alla classificazione, ma anche per i chimici che producono. Molte specie usano queste sostanze chimiche per inviare messaggi importanti ad altri della loro specie o a specie diverse. Ad esempio, le formiche usano sentieri odorosi per guidare i loro amici verso le fonti di cibo. I falene maschi rilasciano profumi per attirare le femmine e spaventare i rivali. I coleotteri della corteccia rilasciano sostanze che radunano altri coleotteri sugli alberi, dove possono deporre le loro uova. I millipedi, invece, possono rilasciare sostanze chimiche tossiche quando si sentono minacciati.

Le sostanze chimiche che gli artropodi emettono hanno intrigato gli scienziati per molti anni. Queste sostanze possono aiutare a spiegare come gli insetti si siano evoluti e come si comportano. Tra i chimici più studiati ci sono quelli che aiutano gli insetti a difendersi. Questi includono piccoli composti organici e sostanze più complesse.

Nonostante ci sia molta conoscenza sui vari composti difensivi negli insetti, gli scienziati hanno ancora molte domande su come vengono prodotti e come sono cambiati nel tempo. Negli ultimi anni, i ricercatori si sono concentrati su un gruppo specifico di artropodi noto come Adephaga, in particolare all'interno della famiglia dei coleotteri.

#Ghiandole Uniche dei Coleotteri

Una caratteristica distintiva dei coleotteri Adephaga è rappresentata dalle loro ghiandole speciali situate nell'addome, chiamate ghiandole pygidiali. Queste ghiandole di solito hanno quattro parti principali, anche se alcune specie di coleotteri hanno strutture aggiuntive. Le quattro parti sono lobi secretori, dotti di raccolta, serbatoi e dotti efferenti.

I lobi secretori sono dove vengono prodotti i composti chimici difensivi. Queste sostanze poi fluiscono nei dotti di raccolta, che sono abbastanza resistenti per resistere alle proprietà chimiche. Da lì, i composti vengono conservati nei serbatoi. Quando il coleottero si sente minacciato, i serbatoi si comprimono, spingendo le sostanze chimiche fuori attraverso i dotti efferenti che portano alla punta dell'addome. Alcuni coleotteri hanno ghiandole extra collegate al dotto efferente che aiutano nelle reazioni chimiche, portando alla produzione di calore e ulteriori composti.

Diverse specie di coleotteri hanno diverse composizioni chimiche nelle loro secrezioni. Ad esempio, alcuni possono produrre Acido formico, mentre altri possono creare acido metacrilico. Questa varietà indica una chimica ricca tra questi insetti.

#Tipi di Composti Difensivi nei Coleotteri

I composti chimici difensivi dei coleotteri possono essere divisi in vari gruppi. I più comuni sono gli acidi carbossilici, che includono sostanze ben note come l'acido metacrilico e l'acido formico. L'acido metacrilico si trova in diverse famiglie di coleotteri, mentre l'acido formico è principalmente visto in alcune sottovarianti.

Anche le chinoni sono composti chimici difensivi comuni in alcuni coleotteri. Anche se non sono così prevalenti come gli acidi carbossilici, compaiono ancora in diversi gruppi di coleotteri. Questi composti svolgono ruoli importanti nel dissuadere i predatori o nel segnalare altri coleotteri.

Lo studio della chimica difensiva dei coleotteri ha dimostrato che molti di questi composti sono emersi più volte all'interno di diverse famiglie di coleotteri. Ad esempio, lo stesso composto potrebbe essere apparso in linee separate. Questo solleva domande su come vengono prodotti questi composti: diverse specie di coleotteri usano gli stessi metodi o hanno processi distinti per produrre gli stessi chimici?

#L'Obiettivo del Nostro Studio

In questo studio, volevamo identificare i geni e le vie coinvolte nella produzione di due sostanze chimiche specifiche: acido formico e acido metacrilico. Ci siamo concentrati su due specie di coleotteri della sottofamiglia Harpalinae. Riteniamo che il coleottero produttore di acido formico, Platynus angustatus, attivi alcuni geni che aiutano a produrre acido formico, simile a un'altra specie, Harpalus pensylvanicus. Inoltre, pensiamo che Pterostichus moestus, che produce acido metacrilico, sia coinvolto nella scomposizione della L-valina per creare questo composto.

Abbiamo anche mirato a identificare i geni responsabili per il trasporto di questi acidi nei lobi secretori di queste specie. Il movimento efficiente di queste sostanze chimiche è fondamentale per i coleotteri, in quanto li aiuta a costruire le loro difese.

#Raccolta dei Coleotteri

Abbiamo raccolto esemplari di Platynus angustatus e Pterostichus moestus durante l'estate e l'autunno del 2019. Sono stati mantenuti in contenitori con un substrato e nutriti con una dieta di noci pecan e cibo per cani. Entrambe le specie hanno mostrato comportamenti cannibalistici, quindi sono state posizionate in contenitori separati.

#Analizzando le Ghiandole dei Coleotteri

Per studiare i contenuti delle ghiandole pygidiali, abbiamo raccolto secrezioni da questi coleotteri. Abbiamo stimolato i coleotteri a rilasciare i loro spray difensivi e abbiamo conservato il liquido in fiale speciali per l'analisi. Abbiamo incontrato difficoltà nell'identificare i sessi degli esemplari a causa della loro anatomia simile, il che ha complicato la nostra raccolta di dati.

Gli estratti delle ghiandole sono stati quindi analizzati utilizzando la gas cromatografia–spettrometria di massa (GC-MS), un metodo per identificare diversi composti chimici presenti nei campioni.

#Dissezione delle Ghiandole dei Coleotteri

Abbiamo proceduto con la dissezione dei coleotteri raccolti per isolare tessuti ghiandolari specifici. Dopo che lo spray difensivo è stato elicito, abbiamo conservato i coleotteri per la dissezione. Sotto un microscopio, abbiamo separato con attenzione i tessuti del lobo secretore dal resto del corpo e li abbiamo conservati per ulteriori analisi.

#Estrazione dell'RNA e Sequenziamento

Successivamente, abbiamo isolato l'RNA sia dai campioni di lobo secretore che dal resto del corpo. Abbiamo utilizzato procedure standard per estrarre l'RNA totale e creato librerie per il sequenziamento. Queste librerie sono state sequenziate per raccogliere informazioni sull'espressione genica e determinare come vengono attivati diversi geni in risposta alla funzione delle ghiandole.

#Analisi dell'Espressione Genica

Abbiamo condotto un controllo di qualità sui nostri dati di sequenziamento per garantirne l'affidabilità. Utilizzando strumenti di bioinformatica, abbiamo assemblato i trascrittomi e identificato i geni presenti nei nostri campioni. Abbiamo anche confrontato i livelli di espressione dei geni tra i lobi secretori e l'intero corpo per vedere quali geni erano più attivi nella produzione delle sostanze chimiche.

#Trovare Geni Candidati

Nella nostra analisi, abbiamo trovato geni che sembravano giocare ruoli cruciali nella produzione di acido formico nei coleotteri produttori di acido formico. Questi geni erano sovraregolati nei lobi secretori, indicando che erano più attivi in quei tessuti. Allo stesso modo, abbiamo identificato geni coinvolti nella scomposizione della L-valina per il produttore di acido metacrilico.

Abbiamo notato che certe vie biochimiche erano arricchite nei lobi secretori di entrambe le specie di coleotteri. Ad esempio, vie chiave come il ciclo del folato e la via della chinurenina sembravano significative per la produzione di acido formico. Al contrario, la via catabolica della valina era legata alla produzione di acido metacrilico.

#Il Ciclo del Folato e la Produzione di Acido Formico

Il ciclo del folato è una via biochimica importante per produrre composti a carbonio singolo che sono necessari per molte funzioni negli organismi viventi. Nel nostro studio, abbiamo trovato che gli enzimi chiave di questo ciclo erano espressi di più nei lobi secretori dei produttori di acido formico. Questo suggerisce che questi enzimi potrebbero avere un ruolo critico nella produzione di acido formico, facendo affidamento sulla L-serina come blocco di costruzione.

#Il Ruolo della Via della Chinurenina

La via della chinurenina è un'altra potenziale via per la biosintesi dell'acido formico. Questa via inizia con il triptofano e può produrre formiato, che potrebbe essere utile per i composti difensivi. Anche se abbiamo trovato evidenze di geni sovraregolati coinvolti in questa via, crediamo che il ciclo del folato sia più probabilmente la via chiave per la produzione di acido formico in questi coleotteri, principalmente a causa dell'abbondanza dei materiali iniziali necessari e dell'efficienza metabolica del processo.

#Produzione di Acido Metacrilico

Per quanto riguarda la produzione di acido metacrilico, abbiamo trovato forti evidenze che la via catabolica della valina sia fondamentale. I geni sovraregolati nei lobi secretori di Pterostichus moestus indicavano che elabora attivamente la valina per produrre acido metacrilico. Abbiamo anche ipotizzato che un tipo specifico di enzima, probabilmente una serina idrolasi, possa essere coinvolto nella conversione del composto intermedio metacrilil-CoA nell'acido finale.

#Trasporto dei Composti Difensivi

Dopo aver discusso di come vengono prodotti i chimici, abbiamo spostato il nostro focus su come queste sostanze difensive vengono trasferite dai lobi secretori alle loro aree di stoccaggio. Abbiamo indagato sui potenziali meccanismi di trasporto e identificato possibili geni che potrebbero essere coinvolti.

Abbiamo trovato famiglie di trasportatori particolari che potrebbero assistere nel movimento degli acidi formico e metacrilico. La famiglia dei trasportatori di sodio:soluto sembra avere membri chiave che potrebbero facilitare il trasporto di questi composti acidi.

#Conclusione

Il nostro studio ha illuminato come alcuni coleotteri producono e trasportano sostanze chimiche per la difesa. Le scoperte fatte sul ciclo del folato, sulla via della chinurenina e sulla via catabolica della valina hanno migliorato la nostra comprensione della biochimica degli insetti. Anche se abbiamo un quadro più chiaro dei composti difensivi in questi coleotteri, molte domande rimangono senza risposta riguardo all'intero ambito delle loro vie biochimiche e a come questi processi si siano evoluti nel tempo.

Ulteriori ricerche potrebbero ampliare questa comprensione e svelare i dettagli intricati della difesa chimica nel variegato mondo degli artropodi.