Naukowcy odkryli w jadzie mrówek nowe peptydy o silnym działaniu przeciwdrobnoustrojowym

Jad mrówek z podrodziny Formicinae, obejmującej m.in. mrówki leśne i mrówki rudnice, przez ponad 300 lat uważano niemal wyłącznie za roztwór kwasu mrówkowego. Najnowsze badania opublikowane w Science Advances pokazują jednak, że jest to znacznie bardziej złożona mieszanina zawierająca nieznane wcześniej peptydy przeciwdrobnoustrojowe. Odkrycie może mieć znaczenie zarówno dla zrozumienia odporności społecznych owadów, jak i dla poszukiwania nowych substancji przeciwbakteryjnych i przeciwgrzybiczych wykorzystywanych w medycynie.

W artykule:

• Dlaczego jad mrówek okazał się znacznie bardziej złożony niż sądzono.
• Jakie nowe peptydy odkryli naukowcy.
• W jaki sposób mrówki wykorzystują jad do ochrony potomstwa.
• Dlaczego odkrycie może być ważne dla opracowania nowych leków przeciwdrobnoustrojowych.
• Jakie nowoczesne metody wykorzystano podczas badań.
• Jak nowe wyniki zmieniają wiedzę o biologii społecznych owadów.

Jad mrówek z rodzaju Formicinae, do których należą między innymi mrówki leśne, zawiera znacznie więcej biologicznie aktywnych składników, niż przypuszczano przez stulecia. Zespół badaczy z Freie Universität Berlin oraz Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg po raz pierwszy wykazał, że kwaśna wydzielina rozpylana przez te owady stanowi złożony koktajl peptydów oraz innych substancji bioaktywnych, które pomagają chronić kolonie przed drobnoustrojami chorobotwórczymi.

W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Uniwersytetów w Tybindze, Münsterze, Lipsku, Frankfurcie nad Menem oraz Cambridge. Wyniki opublikowano na łamach prestiżowego czasopisma Science Advances.

Jad mrówek okazał się znacznie bardziej złożony niż przypuszczano

Od momentu odkrycia kwasu mrówkowego w XVII wieku uważano, że właśnie ten związek stanowi praktycznie jedyny aktywny składnik jadu mrówek z podrodziny Formicinae. W przeciwieństwie do wielu innych owadów błonkoskrzydłych ich jad uznawano za stosunkowo prosty pod względem chemicznym.

Nowe badania całkowicie zmieniają ten pogląd. Zespół kierowany przez prof. Timo Niedermeyera z Instytutu Farmacji Freie Universität Berlin powrócił do niemal zapomnianej publikacji sprzed kilkudziesięciu lat, w której wspomniano możliwość obecności substancji białkowych w jadzie tych owadów.

Analizy potwierdziły tę hipotezę. Naukowcy zidentyfikowali dwie całkowicie nowe rodziny peptydów, które występują wyłącznie u mrówek z podrodziny Formicinae, ale są szeroko rozpowszechnione wśród wielu gatunków należących do tej grupy.

Odkrycie dowodzi, że jad mrówek jest znacznie bardziej złożonym systemem chemicznym, niż wynikało z dotychczasowej wiedzy.

Mrówki wykorzystują jad do ochrony potomstwa

Jednym z najbardziej interesujących odkryć było ustalenie funkcji nowych peptydów. Badacze wykazali, że mrówki pokrywają swoje poczwarki cienką warstwą jadu.

Po rozpyleniu kwas mrówkowy bardzo szybko odparowuje, natomiast peptydy pozostają na powierzchni rozwijających się osobników. Tworzą w ten sposób biologiczną warstwę ochronną ograniczającą rozwój zakażeń.

Analizy wykazały, że część nowo odkrytych peptydów wykazuje szczególnie silne właściwości przeciwgrzybicze. Jest to niezwykle istotne dla kolonii owadów społecznych, których gęste skupiska sprzyjają rozprzestrzenianiu się patogenów środowiskowych.

Według autorów badania odkryte peptydy mogą stanowić naturalny element systemu higieny kolonii, który przez miliony lat ewolucji zwiększał przeżywalność potomstwa.

Znaczenie dla opracowywania nowych leków

Odkrycie ma znaczenie wykraczające daleko poza entomologię. Poszukiwanie nowych związków przeciwdrobnoustrojowych stało się jednym z najważniejszych kierunków współczesnej farmakologii ze względu na narastającą oporność drobnoustrojów na dostępne antybiotyki.

Naturalne peptydy przeciwdrobnoustrojowe należą obecnie do najbardziej obiecujących grup kandydatów na przyszłe leki przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze. Wiele organizmów wykształciło bowiem własne mechanizmy chemicznej obrony przed patogenami, które mogą stać się inspiracją dla medycyny.

Autorzy podkreślają, że sama podrodzina Formicinae obejmuje ponad 3700 opisanych gatunków mrówek. Oznacza to ogromny, praktycznie niewykorzystany dotąd potencjał odkrywania kolejnych bioaktywnych cząsteczek.

Jad mrówek pełni wiele funkcji biologicznych

Uzyskane wyniki pokazują, że jad mrówek z podrodziny Formicinae jest wielofunkcyjnym narzędziem biologicznym. Nie służy wyłącznie do obrony przed drapieżnikami, ale uczestniczy również w utrzymaniu zdrowia całej kolonii.

Dotychczasowe badania wskazywały już, że mrówki wykorzystują wydzielinę gruczołów jadowych między innymi do dezynfekcji gniazda, regulacji składu własnej mikrobioty jelitowej oraz komunikacji chemicznej pomiędzy członkami kolonii. Nowo odkryte peptydy dostarczają kolejnych dowodów na to, że jad odgrywa centralną rolę w funkcjonowaniu społeczności tych owadów.

W praktyce oznacza to, że jedna wydzielina może jednocześnie pełnić funkcje:

• obronne,
• przeciwdrobnoustrojowe,
• dezynfekujące,
• regulujące mikrobiom,
• komunikacyjne.

Tak szerokie spektrum działania sprawia, że jad mrówek można traktować jako wyjątkowo zaawansowany ewolucyjnie system chemiczny, którego możliwości dopiero zaczynają być poznawane.

Zaawansowane technologie umożliwiły odkrycie nowych peptydów

Autorzy podkreślają, że wykrycie nowych składników jadu było możliwe dzięki połączeniu nowoczesnych metod stosowanych w biologii molekularnej, chemii analitycznej oraz farmacji.

Kluczową rolę odegrała proteotranskryptomika – zaawansowane podejście integrujące analizę białek z analizą RNA. Pozwoliło ono jednocześnie określić skład peptydów obecnych w jadzie oraz zidentyfikować sekwencje genów odpowiedzialnych za ich syntezę.

Badacze uzupełnili te analizy o:

• szczegółowe analizy chemiczne składu jadu,
• chemiczną syntezę nowo odkrytych peptydów,
• testy aktywności biologicznej przeciw mikroorganizmom,
• eksperymenty biofizyczne,
• analizy genomowe,
• modelowanie komputerowe struktur cząsteczek.

Dzięki wykorzystaniu wielu wzajemnie uzupełniających się metod możliwe było nie tylko wykrycie nowych peptydów, ale również poznanie ich budowy, właściwości oraz prawdopodobnej historii ewolucyjnej.

Jedno z najbardziej kompleksowych badań nad jadem mrówek

Autorzy podkreślają, że przeprowadzona analiza należy do najbardziej kompleksowych badań porównawczych dotyczących jadów mrówek wykonanych do tej pory.

Badacze analizowali wydzieliny pochodzące z wielu kolonii reprezentujących różne gatunki mrówek należących do podrodziny Formicinae. Tak szeroki materiał badawczy pozwolił wykazać, że nowe rodziny peptydów nie są wyjątkową cechą pojedynczego gatunku, lecz stanowią powszechny element biologii całej grupy.

Odkrycie zamyka wielowiekową lukę w wiedzy dotyczącej składu chemicznego jadu mrówek. Jednocześnie otwiera nowe kierunki badań nad ewolucją odporności społecznych owadów oraz nad wykorzystaniem naturalnych peptydów w projektowaniu przyszłych leków przeciwdrobnoustrojowych.

Źródło: Science Advances, New antimicrobial peptides discovered in ant venom
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aed4078