Een schimmelparasiet die mieren infecteert en hun gedrag manipuleert om de voortplanting van de schimmel te bevorderen, volbrengt deze prestatie zonder de hersenen van de mieren te infecteren. volgens een onderzoek onder leiding van onderzoekers van Penn State.

In plaats daarvan, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato - een complex van soorten die soms "zombie-mierenschimmel" wordt genoemd - omringt en dringt de spiervezels binnen door het hele lichaam van de mier, en schimmelcellen vormen een 3D-netwerk dat hen in staat kan stellen om gezamenlijk gastheergedrag te controleren, aldus de onderzoekers.

Eerder onderzoek toonde aan dat deze soortspecifieke parasiet het gedrag van mierenwerkers controleert, hen dwingen om in de vegetatie te klimmen en in de onderkant van bladeren of twijgen te bijten, waar ze sterven. Terwijl de schimmel in het mierenkadaver groeit, het produceert een stengel die uit de kop van de mier steekt en infectieuze sporen op de grond eronder verspreidt, waar ze andere foeragerende mieren kunnen infecteren.

"Om beter te begrijpen hoe dergelijke microbiële parasieten het gedrag van dieren beheersen, we keken naar interacties op celniveau tussen de parasiet en zijn timmerman-mierengastheer op een cruciaal moment in de levenscyclus van de parasiet - wanneer de gemanipuleerde gastheer zich permanent aan de vegetatie vastmaakt door zijn kaken, " zei hoofdauteur Maridel Fredericksen, voormalig masterstudent entomologie aan Penn State, nu een promovendus aan het Zoölogisch Instituut van de Universiteit van Basel, Zwitserland.

"Het is bekend dat de schimmel weefselspecifieke metabolieten afscheidt en veranderingen in de genexpressie van de gastheer veroorzaakt, evenals atrofie in de onderkaakspieren van zijn mierengastheer, " zei ze. "Het veranderde gastheergedrag is een uitgebreid fenotype van de genen van de microbiële parasiet die tot expressie worden gebracht door het lichaam van zijn gastheer. Maar het is niet bekend hoe de schimmel deze effecten coördineert om het gedrag van de gastheer te manipuleren."

Om dit te onderzoeken, het onderzoeksteam besmette mieren met ofwel O. unilateralis s.l. of met een generalistische schimmelpathogeen, Beauveria bassiana, om onderscheid te maken tussen effecten die gemeenschappelijk zijn voor pathogene schimmels en die specifiek zijn voor O. unilateralis s.l.

Met behulp van seriële block-face scanning-elektronenmicroscopie, het team maakte 3D-visualisaties om de distributie te bepalen, overvloed en interacties van de schimmels in de lichamen van de mieren. Dit gebruik van de technologie betekende een doorbraak in de studie van dit parasiet-gastheersysteem, volgens senior auteur David Hughes, universitair hoofddocent entomologie en biologie, Penn State.

Werken met co-auteur Missy Hazen in de Microscopy and Cytometry Facility van Penn State's Huck Institutes of the Life Sciences, onderzoekers namen plakjes weefsel op 50 nanometer en maakten foto's van elk plakje, een machine gebruiken die dat proces kan herhalen 2, 000 keer over een periode van 24 uur.

"Door deze plakjes op elkaar te stapelen, we zouden ze in 3D kunnen reconstrueren, geeft ons een micron-niveau beeld van de interactie tussen de schimmel en de gastheer, met ongelooflijk hoge resolutie, "Zei Hughes. "Dit is een ongekende kijk op hoe een manipulator zijn gastheer bestuurt."

Om die hoeveelheid gegevens te verwerken, de wetenschappers gebruikten vervolgens kunstmatige intelligentie (AI) en algoritmen voor machine learning om de afbeeldingen te analyseren.

"Onze medewerkers in de Notre Dame konden deep learning gebruiken om computers te trainen om onderscheid te maken tussen schimmel- en mierencellen, zodat we konden bepalen hoeveel van het organisme mier is en hoeveel schimmel. ’ legde Hughes uit.

"De ontwikkeling van de allernieuwste, deep-learning model voor het identificeren van schimmel- en mierencellen was compleet en collaboratief teamwerk, " zei Danny Chen, hoogleraar informatica en techniek, Universiteit van Notre-Dame. "De Penn State-groep produceerde veel gelabelde beeldgegevens, die onze groep gebruikte voor training, testen en verbeteren van ons diepe neurale netwerkmodel. Het was echt verbazingwekkend om te zien hoe goed biologen en AI-onderzoekers samenwerkten om dit probleem zo effectief aan te pakken."

De resultaten, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , toonde aan dat O. unilateralis s.l. cellen waren aanwezig in vrijwel alle regio's van de lichamen van de gastheermieren, ook in het hoofd, borstkas, buik en benen. In aanvulling, een groot deel van deze schimmelcellen was verbonden, wat suggereert dat ze een netwerk vormen om het gedrag van de gastheer collectief te controleren.

"We ontdekten dat een hoog percentage van de cellen in een gastheer schimmelcellen waren, "zei Hughes. "In wezen, deze gemanipuleerde dieren waren een schimmel in mierenkleding."

Echter, hoewel schimmelcellen direct buiten de hersenen waren geconcentreerd, onderzoekers observeerden geen schimmelcellen in de hersenen.

"Normaal gesproken bij dieren, gedrag wordt gecontroleerd door de hersenen die signalen naar de spieren sturen, maar onze resultaten suggereren dat de parasiet het gastheergedrag perifeer controleert, "Zei Hughes. "Bijna alsof een poppenspeler aan de touwtjes trekt om een ​​marionet te laten bewegen, de schimmel controleert de spieren van de mier om de benen en kaken van de gastheer te manipuleren."

Hoewel het gastheerbrein niet wordt aangetast door schimmelcellen, eerder werk heeft aangetoond dat de hersenen chemisch kunnen worden veranderd door de parasiet, Hughes merkte op.

"We veronderstellen dat de schimmel de hersenen bewaart, zodat de gastheer kan overleven totdat hij zijn laatste bijtgedrag uitvoert - dat kritieke moment voor de voortplanting van schimmels. Maar we moeten aanvullend onderzoek doen om de rol van de hersenen te bepalen en hoeveel controle de schimmel uitoefent overheen."