ľ�ϸ���Ӱ��

Timing is van levensbelang voor de zombiemierschimmel Ophiocordyceps. Wanneer de parasiet het gedrag van een mier overneemt, lijkt deze ook de biologische klok van het insect te beïnvloeden. Zo zorgt de parasiet ervoor dat de mier niet naar het nest terugkeert en precies op het juiste moment een plant inklimt. In het wetenschappelijke tijdschrift npj Biological Timing and Sleep verscheen vandaag een over ritmemanipulatie door parasieten, geschreven door Joana Dopp en Charissa de Bekker van de Universiteit Utrecht. Dopp kreeg onlangs ook een EMBO Fellowship om te onderzoeken hoe de zombiemierparasiet de klok van zijn gastheer precies weet te manipuleren.

Mieren die besmet zijn met de schimmel Ophiocordyceps camponoti-floridani laten opvallend afwijkend gedrag zien. Normaal gesproken zijn de mieren nachtdieren: ze zoeken 's nachts naar voedsel en keren overdag terug naar hun nest. Maar eenmaal geïnfecteerd zijn de mieren dag en nacht actief en keren ze nooit meer terug naar hun nest. Dopp: "Ze verlaten hun kolonie. Zo kunnen de andere mieren niet ontdekken dat de mier besmet is."

Het is voor de parasiet belangrijk dat de mier nog even in leven blijft. Uiteindelijk klimt de besmette mier een plant in, bijt zich erin vast en sterft. De schimmel verteert de mier vervolgens van binnenuit. En als de tijd rijp is, komt er een paddenstoelachtig vruchtlichaam uit het lichaam van de mier tevoorschijn. Vanuit deze structuur worden de schimmelsporen verspreid over de bosbodem, klaar om opgepikt te worden door de volgende nietsvermoedende mier.

Dopp: “Het klimgedrag van de geïnfecteerde mier is getimed en gebeurt in de natuur rond het middaguur, wanneer de zon het hoogst staat. Zo zorgt de schimmel ervoor dat de mier op de juiste plek terechtkomt, met precies de juiste hoeveelheid zonlicht.”

Klokgerelateerde genen

Een “biologische klok” is het interne systeem dat organismen helpt de tijd bij te houden en hun dagelijkse ritmes af te stemmen. Bij dieren, waaronder mieren, bevindt de centrale biologische klok zich in specifieke hersencellen. De klok wordt gereguleerd door genen en beïnvloed door verschillende inwendige en uitwendige factoren, zoals licht, temperatuur en de leeftijd van het dier.

Uit eerder onderzoek dat keek naar genexpressie -welke genen er op een bepaald moment actief zijn en eiwitten produceren- blijkt dat een infectie met de parasiet de activiteit van genen verandert die betrokken zijn bij de biologische klok van de mier.

“Naast de gedragsveranderingen die we bij de mier zien, is dit nog een aanwijzing dat de klok van de mier een belangrijke rol speelt bij de manipulatie door de parasiet,” aldus Dopp.

We gaan kijken hoe de veranderingen in de genen het gedrag van de vliegen beïnvloeden. Worden ze ook hyperactief, of verandert hun gedrag misschien op andere manieren?

Werken met individuele cellen

Met de EMBO Fellowship gaat Dopp de komende twee jaar onderzoeken wat er precies gebeurt in de hersenen van geïnfecteerde mieren. Ze gebruik daarbij een single cell approach, waarmee ze kan zien wat er in afzonderlijke hersencellen gebeurt en kan achterhalen welke hersengebieden door de parasiet worden beïnvloed.

“Deze technologie is best wel gaaf,” zegt Dopp. “We nemen de hersenen van een mier en maken er een mengsel van losse hersencellen van. Vervolgens plaatsen we het mengsel op een chip, waarbij elke cel wordt ingesloten in een oliedruppel. Met deze methode kunnen we het mRNA in elke afzonderlijke cel in kaart brengen. mRNA-moleculen bevatten de instructies van genen om eiwitten te maken. Door ze te analyseren, kunnen we dus zien welke genen actief zijn in elke cel.

Dankzij een deel van deze actieve genen, die niet per se te maken hebben met de biologische klok, kunnen we achterhalen uit welk deel van de hersenen elke cel afkomstig is. Door vervolgens de genactiviteit te vergelijken tussen geïnfecteerde en niet-geïnfecteerde mieren, kunnen we een hersenatlas maken. Die laat zien hoe een infectie met de parasiet de expressie van genen in verschillende delen van de hersenen van de mier beïnvloedt.”

Visuele validatie

De hersenatlas resulteert in een set genen die mogelijk een rol spelen bij de klokmanipulatie door de parasiet. Dopp: “Mijn eerste stap zal zijn om deze genen te valideren met behulp van microscopie. Ik ga zogenaamde probes ontwerpen, moleculen die alleen binden aan bepaalde stukken mRNA in cellen. Onder de microscoop kan ik dankzij die probes dan visueel bekijken waar in de hersenen een specifiek gen actief is, zowel bij geïnfecteerde als bij niet-geïnfecteerde mieren.”

Dankzij technologische ontwikkelingen kunnen we tools zoals single-cell RNA sequencing en microscopie toepassen op elk organisme. Hierdoor kunnen we fascinerende biologische fenomenen in de natuur bestuderen, zoals zombiegedrag.

Terug naar fruitvliegjes

Vervolgens is Dopp van plan om terug te keren naar de dieren waar ze tijdens haar PhD mee werkte: fruitvliegjes. Dopp: “Om na te bootsen wat de parasiet doet, kunnen we genen in specifieke cellen in vliegen ‘uitzetten’ of juist activeren. Helaas lukt dat niet in de mieren zelf, omdat daar de tools niet voor zijn. Maar zowel mieren als vliegen zijn insecten en veel biologische mechanismen zijn vergelijkbaar. Daarna gaan we kijken hoe de veranderingen in de genen het gedrag van de vliegen beïnvloeden. Worden ze ook hyperactief, of verandert hun gedrag misschien op andere manieren?”

Ecologische relevantie

Fruitvliegen zijn modelorganismen, wat betekent dat ze al langere tijd uitgebreid bestudeerd worden en dat er veel technieken beschikbaar zijn om ze te bestuderen. Dat is anders voor de mieren waar ze nu mee werkt. “Het vliegenonderzoeksveld is erg gericht op onderzoek onder zeer gecontroleerde omstandigheden,” zegt Dopp. “Maar ik miste het om te werken aan ecologisch relevante vragen over natuurlijke populaties.”

Volgens Dopp is het nu een goed moment om de focus te verleggen naar niet-modelorganismen. “Dankzij technologische ontwikkelingen kunnen we tools zoals single-cell RNA sequencing en microscopie toepassen op elk organisme. Hierdoor kunnen we fascinerende biologische fenomenen in de natuur bestuderen, zoals zombiegedrag.”