Javier Apfeld benaderde de vraag als een wormendetective. Maar in plaats van de moord op een kronkelig wezen op te lossen, probeerde de bioloog te begrijpen waarom wormen niet stierven, ondanks de algemene aanwezigheid van een dodelijk gif in de omgeving waarin ze leven.

Het vonnis:de wormen weten hoe ze de chemische dreiging moeten detecteren en ontwijken. Een truc die ze gebruiken, zoals Apfeld en collega's beschrijven in een nieuw artikel gepubliceerd in PLOS Pathogens , is dat ze weten te overleven met een beetje hulp van hun eten.

En, zegt Apfeld, een assistent-professor biologie aan Northeastern, zou het begrijpen van de methoden van de wormen ons kunnen helpen begrijpen hoe andere wezens, waaronder mensen, die met dezelfde giftige dreiging worden geconfronteerd, die chemische vijand kunnen dwarsbomen.

De worm in kwestie heet Caenorhabditis elegans, en het is een soort microscopisch kleine rondworm die vaak als modelorganisme wordt gebruikt om menselijke ziekten te bestuderen. Een van de grootste bedreigingen voor zijn bestaan ​​is een veel voorkomende stof:waterstofperoxide.

Waterstofperoxide kan dodelijk zijn voor allerlei soorten organismen. De chemische verbinding reageert gemakkelijk met andere moleculen en kan celwanden afbreken. Het wordt overal in de natuurlijke wereld gevonden, vooral in de microscopisch kleine bollen, omdat het wordt geproduceerd door een breed scala aan micro-organismen.

Waterstofperoxide komt zo vaak voor dat veel organismen afweermechanismen hebben ontwikkeld tegen de toxiciteit ervan. Eén methode is om enzymen te produceren die het chemische toxine afbreken en voorkomen dat het schade aanricht. Wormen zijn niet anders.

Maar in een eerdere studie merkten Apfeld en zijn team iets merkwaardigs op:C. elegans zetten hun waterstofperoxide-afweer uit als ze eten.

"Het leek eerst een beetje raar", zegt hij. "Maar het blijkt dat de bacteriën die de wormen eten vergelijkbare afweermechanismen hebben, deze enzymen die peroxide afbreken."

Apfeld vermoedde dat wanneer wormen voedsel ruiken, ze denken dat ze de bescherming van die bacteriën voor zichzelf kunnen overnemen. Vanuit het perspectief van de wormen is het logisch, zegt hij:"Waarom zou je een bescherming induceren als je de bescherming van de bacteriën kunt wegnemen?"

Maar niet alle bacteriën bieden de wormen dezelfde bescherming. Kunnen wormen dus echt het verschil zien tussen welke snack hen zou beschermen en welke niet?

Apfeld legde de vraag voor aan studenten in zijn laboratorium. Ze zetten verschillende experimenten op die de wormen dwongen te kiezen tussen verschillende voedingsmiddelen in een petrischaal, soms in aanwezigheid van waterstofperoxide.

In één experiment gaven de onderzoekers de wormen de keuze tussen bacteriën die waterstofperoxide afbreken en bacteriën die dat niet doen. Ze zouden een worm tussen de twee keuzes in de petrischaal plaatsen en kijken waar het ging.

Het is niet verrassend dat "toen er peroxide in de buurt was, de wormen echt een sterke voorkeur hadden voor de bacteriën die hen beschermden", zegt Apfeld. Soms gingen de wormen beide kanten op, maar zodra ze merkten dat de bacteriën hen niet zouden beschermen, lieten ze dat voedsel meestal liggen.

Maar niet altijd, zegt Apfeld. "Het is een moeilijke beslissing" voor de wormen, zegt hij. "Laat je het eten staan? Want als je het eten verlaat, kom je misschien geen eten meer tegen en sterf je. En als je blijft, kun je ook sterven", als er waterstofperoxide in de buurt is.

Om dieper in de besluitvorming van C. elegans te graven, werkte Apfeld samen met Vivek Venkatachalam, assistent-professor natuurkunde aan Northeastern, en zijn laboratorium om de hersenactiviteit in verband met deze keuzes in beeld te brengen. Het team identificeerde welke neuronen reageerden op de aanwezigheid van waterstofperoxide in de omgeving en welke zouden reageren op voedsel.

De onderzoekers ontdekten dat gegeven een omgeving met zowel voedsel als waterstofperoxide, slechts één van de neurologische reacties zou winnen. Als de bacteriën minder bescherming boden, had het voedselzoekende neurologische mechanisme minder kans om te winnen en zou de worm zijn energie steken in het ontsnappen aan de dreiging van waterstofperoxide in plaats van de bacteriën op te eten.

"Ze reageren op de concentratie van voedsel, de concentratie van peroxide", zegt Apfeld. "Maar we beginnen pas te begrijpen hoe de wormen beslissingen nemen en hoe ze reageren op tegenstrijdige signalen."

Verder onderzoek, zegt hij, is gerechtvaardigd om beter te begrijpen hoe de hersenen de lappendeken van sensorische inputs coördineren die gevaar, voedsel en andere belangrijke indicatoren voor overleving signaleren. En het begrijpen van wormen kan aanwijzingen opleveren over hoe wezens met complexere neurologische systemen (zoals mensen) weten hoe ze moeten reageren op manieren om zichzelf te beschermen.