Muggen. Vloek van picknicks in de achtertuin - en dodelijk in regio's die gevoelig zijn voor Zika en dengue.

De meeste muggen in de wereld zijn opportunistisch, bereid om bloed te drinken uit een nabijgelegen bron. Maar in sommige regio's zijn de muggen die Zika, dengue en gele koorts dragen - Aedes aegypti - geëvolueerd om bijna uitsluitend mensen te bijten. Maar om te slagen als een gespecialiseerde voeder, moeten ze, afhankelijk van slechts één soort - de onze - om te overleven, ongelooflijk nauwkeurige strategieën hebben ontwikkeld. Hoe doen ze het?

"We wilden proberen te begrijpen hoe deze muggen de geur van mens en dier onderscheiden," zei Carolyn "Lindy" McBride, een assistent-professor ecologie en evolutionaire biologie en neurowetenschappen, "beide in termen van wat het is over menselijke geur die ze aansporen in op en welk deel van hun hersenen hen in staat stelt om op die signalen in te spelen."

Na jaren van toegewijd werk, inclusief talloze wetenschappelijke en technologische uitdagingen, heeft haar team antwoorden gevonden op beide delen van deze vergelijking. Wat detecteren de muggen en hoe detecteren ze het? Hun resultaten verschijnen in het huidige nummer van Natuur .

McBride beschreef hun op muggen gerichte benadering:"We doken min of meer in de hersenen van de mug en vroegen:'Wat kun je ruiken? Wat verlicht je hersenen? Wat activeert je neuronen? En hoe worden je hersenen anders geactiveerd als je menselijk ruikt? geur versus dierengeur?'"

Toen afgestudeerde student Zhilei Zhao, een Ph.D. alumnus die nu bij Cornell werkt, pionierde met hun nieuwe aanpak:het afbeelden van muggenhersenen met een zeer hoge resolutie om te zien hoe de mug zijn volgende slachtoffer identificeert. Om dat te doen, moest hij eerst muggen genetisch manipuleren waarvan de hersenen oplichtten als ze actief waren, en vervolgens moest het team lucht met menselijke en dierlijke smaak afgeven op manieren die de muggen konden detecteren terwijl ze zich in de op maat gemaakte beeldvormingsapparatuur van het team bevonden.

Menselijke geur is samengesteld uit tientallen verschillende verbindingen, en diezelfde verbindingen, in enigszins verschillende verhoudingen, zijn aanwezig in de meeste geuren van zoogdieren. Geen van die verbindingen is op zichzelf aantrekkelijk voor muggen, dus de uitdaging was om de exacte mix van componenten te bepalen die muggen gebruiken om menselijke geur te herkennen.

Het team concludeerde dat twee chemicaliën, decanal en undecanal, zijn verrijkt met menselijke geur. Ze patenteerden een mengsel met decanal waarvan ze hopen dat het zou kunnen leiden tot aas dat muggen naar dodelijke vallen trekt, of afweermiddelen die het signaal onderbreken.

Om vergelijkingszoogdieren te bieden om te testen, werkte afgestudeerde student Jessica Zung samen met voormalige onderzoeksspecialisten Alexis Kriete en Azwad Iqbal om haar-, vacht- en wolmonsters te verzamelen. Voor dit artikel gebruikte het team de geur van zestien mensen, twee ratten, twee cavia's, twee kwartels, een schaap en vier honden. Howell Living History Farm in Hopewell, N.J., schonk verschillende vachten van hun schapenscheren in de lente; voor een ander gedomesticeerd zoogdier ging Zung naar een PetSmart-trimsalon en verzamelde getrimde haren van onlangs verzorgde honden.

"Voor de menselijke monsters hadden we een stel geweldige vrijwilligers," zei Zung. "We lieten ze een paar dagen niet douchen, kleedden zich dan naakt uit en gingen in een teflonzak liggen." Waarom naakt? Omdat katoen, polyester en andere kledingvezels hun eigen geuren hebben die de gegevens zouden vervormen.

Toen ze eenmaal de technische uitdagingen hadden overwonnen:het op niet-destructieve manier ophalen van de menselijke en dierlijke geuren, het ontwerpen van een systeem waarmee ze menselijke geur naar de muggen in de beeldopstelling konden blazen, het creëren van een windtunnel om eenvoudige mengsels of afzonderlijke verbindingen te testen, en het kweken van levensvatbare stammen van muggen wiens hersenen reageren op de apparatuur - ze begonnen gegevens te verzamelen. Zeer verrassende gegevens.

Voorafgaand aan deze studie speculeerden onderzoekers dat muggenhersenen een gecompliceerde, geavanceerde techniek moeten hebben om mensen van andere dieren te onderscheiden. Integendeel, zo bleek.

"De eenvoud verraste ons", zei McBride. "Ondanks de complexiteit van menselijke geur, en het feit dat er niet echt menselijke specifieke verbindingen in zitten, hebben de muggen een verrassend eenvoudig mechanisme ontwikkeld om ons te herkennen. Voor mij is het een evolutionair verhaal:als we een statistische test heeft gemaakt om menselijke geur te onderscheiden, het zou erg complex zijn, maar de mug doet iets opmerkelijk eenvoudigs, en eenvoudig werkt meestal redelijk goed als het op evolutie aankomt."

Met andere woorden, eenvoudige oplossingen hebben de neiging om in de loop van de evolutionaire tijd waar te zijn.

Muggenhersenen hebben 60 zenuwcentra die glomeruli worden genoemd (enkelvoud:glomerulus). Het team had de hypothese dat velen, misschien zelfs de meesten, betrokken zouden zijn bij het helpen van deze mensafhankelijke muggen bij het vinden van hun favoriete voedsel.

"Toen ik de hersenactiviteit voor het eerst zag, kon ik het niet geloven - er waren maar twee glomeruli bij betrokken," zei Zhao. "Dat was in tegenspraak met alles wat we hadden verwacht, dus herhaalde ik het experiment verschillende keren, met meer mensen, meer dieren. Ik kon het gewoon niet geloven. Het is zo eenvoudig."

Van de twee zenuwcentra reageert de ene op veel geuren, waaronder menselijke geur, en zegt in wezen:"Hé, kijk, er is iets interessants in de buurt dat je moet bekijken", terwijl de andere alleen op mensen reageert. Het hebben van twee kan de muggen helpen om hun doelwit te bereiken, suggereren de onderzoekers.

Dat was een van de grootste "Eureka!" momenten in het project, zei McBride. "Zhilei had een paar jaar gewerkt om de transgene muggen te krijgen die hij nodig had, en toen ontdekten we dat we geen goede manier hadden om menselijke geur af te geven. Dus we werkten nog een jaar of twee en kwamen met ideeën om te proberen om erachter te komen hoe we voldoende menselijke geur kunnen afgeven op een gecontroleerde manier om een ​​reactie te zien.Toen, de eerste keer dat we deze nieuwe technologie probeerden die we in de krant beschreven - deze nieuwe manier om geuren af ​​te geven - zag hij een brein reageren. Het was ongelooflijk."

Door de glomeruli te bepalen die muggen gebruiken om mensen te detecteren, en door te identificeren wat ze detecteren - decanaal en undecanal - heeft het team een ​​elegant duidelijk antwoord op hun vragen, merkte Zung op.

"Als dit puur een neuro-beeldvormingspapier was, zouden er nog enkele vragen overblijven", zei ze. "Als dit puur een geuranalysedocument was, zouden er nog steeds onbeantwoorde vragen zijn. Een puur gedragsdocument, hetzelfde. Maar een echte kracht van dit project is dat we in staat waren om zoveel verschillende methoden en de expertise van zoveel mensen. En Lindy was gewoon geweldig en bereid om te leren over en te investeren in al deze verschillende methoden."

"Dit hele project is ongelooflijk collaboratief", beaamt Zhao. "We waren bezig met zoveel bewijslijnen die nu zijn samengekomen in een samenhangend verhaal, en dat vereist zoveel verschillende expertise. Ik had geen neurowetenschappen gestudeerd voordat ik naar Princeton kwam, maar we hebben hier het Princeton Neuroscience Institute, met zo veel getalenteerde mensen waar ik van zou kunnen leren. Voor het geurwetenschappelijke gedeelte heb ik daar geen achtergrond in, maar Jessica is een expert. En voor de windtunnelopstelling werkten we samen met onderzoekers in Zweden. Als we alles zelf hadden gedaan, hadden we misschien niet zulke goede resultaten hebben behaald; het is alleen door samenwerking dat we hier zijn gekomen."