Las hormigas tienen de cuatro a cinco veces más receptores de olores que la mayoría de los otros insectos, ha descubierto un equipo de investigadores.
El equipo de investigación, dirigido por Lawrence Zwiebel en Vanderbilt, recientemente completó el primer primer mapa completo del sistema olfativo que proporciona a las hormigas su sentido del gusto y el olfato. Descubrieron que los insectos laboriosos tienen genes que producen alrededor de 400 receptores odorantes distintos, proteínas especiales que detectan diferentes olores. En comparación, las polillas de seda tienen 52, las moscas de la fruta tienen 61, los mosquitos varían de 74 a 158 y la abeja tiene 174.
«El momento más emocionante para mí fue cuando el análisis mostró que habíamos identificado más de 400 genes OR, el mayor número de especies de insectos conocidas», dijo Xiaofan Zhou, el investigador asociado que dirigió el proceso de caracterización. «Significó que habíamos dado con éxito el primer paso para obtener un nuevo nivel de comprensión del complejo sistema social que ha convertido a las hormigas en una de las familias más exitosas del planeta.»
La gente ha estado intrigada e inspirada por la capacidad de las hormigas para formar colonias altamente organizadas con división del trabajo, comunicación entre individuos y capacidad para resolver problemas complejos. Durante algún tiempo, los científicos también han sabido que la comunicación química juega un papel importante en el comportamiento de las hormigas. «Por lo tanto, es una suposición razonable que esta expansión dramática en la capacidad de detección de olores es lo que permitió a las hormigas desarrollar un nivel tan alto de organización social», dijo Laurence Zwiebel, profesor de ciencias biológicas, quien dirigió el nuevo estudio que se publicó en agosto. número 30 de la revista PLoS Genetics.
El equipo de Zwiebel caracterizó los sistemas olfativos de dos especies de hormigas claramente diferentes como parte de un proyecto interdisciplinario titulado «Epigenética del Comportamiento, la Longevidad y la Organización Social en las Hormigas», encabezado por Danny Reinberg de la Universidad de Nueva York y financiado por el Instituto Médico Howard Hughes. En 2010, el proyecto secuenció por primera vez los genomas de las dos especies, la hormiga carpintera de Florida (Camponotus floridanus) y la hormiga saltadora india (Harpegnathos saltator). Este esfuerzo preparó el escenario para hacer posible el estudio olfativo detallado.
El sistema olfativo de la mayoría de los insectos está centrado en sus antenas y está compuesto en líneas generales de tres clases diferentes de receptores: receptores odorantes (OR), que identifican diferentes compuestos aromáticos y feromonas; receptores gustativos (GR), que distinguen entre diferentes gustos y reaccionan a algunas feromonas; y los recién descubiertos receptores ionotrópicos de glutamato (IRs), que están estrechamente sintonizados con varios compuestos venenosos y tóxicos. El estudio encontró que la expansión primaria en el sistema olfativo de la hormiga se centra en las SRO. El número de GRs e IRs son comparables a los encontrados en otros insectos.
El análisis automatizado inicial de los dos genomas de hormiga encontró solo unos 100 genes para SRo y diez SGr. «Sabíamos que estos números eran bajos porque los receptores olfativos son muy difíciles de identificar», dijo Zhou. Así que él y sus colegas diseñaron un novedoso proceso bioinformático automatizado para este propósito, combinado con una amplia evaluación manual.
Los investigadores también compararon los niveles de identidad y expresión de las SRO en las dos especies y encontraron diferencias significativas. Esto no fue sorprendente porque las dos especies fueron seleccionadas para reflejar el alto nivel de diversidad que existe dentro de la familia de hormigas. Las hormigas carpinteras viven en grandes colonias con reinas de larga vida que producen todos los huevos fertilizados. Hay dos castas de trabajadores estériles. Cuando la reina muere, también lo hace la colonia. Las hormigas saltadoras, por el contrario, viven en pequeños grupos, la diferencia entre la reina y las obreras es limitada, y algunas obreras pueden aparearse y poner huevos fertilizados. «Las diferencias en los receptores están probablemente asociadas con la diferencia en los estilos de vida de las dos especies», dijo Zhou.
De manera similar, su análisis encontró diferencias importantes en las SRO en las antenas de machos y hembras. En general, encontraron que los machos tienen solo un tercio del número de OR que expresan las hembras. «El papel principal de los machos es la fertilización de los huevos, por lo que asumimos que las SRO que expresan los machos y que las hembras no probablemente estén sintonizadas con feromonas producidas por la reina», dijo Zhou.
El equipo también tomó los pasos iniciales para identificar las señales químicas que activaban quirófanos específicos. Jesse Slone, investigador asociado, adaptó un ensayo que el grupo desarrolló inicialmente para emparejar las SRO con señales químicas en el mosquito de la malaria. El ensayo consiste en insertar el gen de un receptor en los huevos de rana para que los receptores se expresen en la superficie del huevo. Al cablear los huevos y luego exponerlos a diferentes compuestos químicos, los huevos producen una señal eléctrica medible cuando se activa el receptor.
Slone utilizó este ensayo para identificar los compuestos que desencadenan una O cada una de las especies de hormigas. Descubrió que un compuesto aromático encontrado en el anís activaba el quirófano de la hormiga saltadora que probó. Los receptores se encontraron tanto en hombres como en trabajadores. Dado que los estudios han demostrado que el aceite de anís tiene un efecto repelente y/o insecticida en algunas especies de insectos, el compuesto puede ser un repelente de insectos general que este O está diseñado para detectar, especula Slone.
En comparación, el quirófano de la hormiga carpintera resultó reaccionar a un olor natural que se encuentra en la carne de res y cerdo cocidos. Los científicos no tienen idea de por qué este compuesto es relevante para las hormigas, pero sí establecieron que el receptor específico está mejorado en las trabajadoras, en comparación con los machos.
» Esto es solo el comienzo. Pero hemos demostrado que tenemos las herramientas básicas que necesitamos para actuar como detectives para mapear el espacio de olor de las hormigas e identificar las señales químicas que desencadenan comportamientos específicos en el extenso repertorio de las hormigas», dijo Slone.
Esto representa la apertura de una nueva e importante avenida de investigación para el Laboratorio Zwiebel, que se ha centrado en el trabajo pionero de deconstrucción del sistema olfativo del mosquito de la malaria. «Cuando estaba en la escuela de posgrado, un grupo de nosotros soñaba con descifrar el papel que los genes podrían desempeñar en el comportamiento social de las hormigas. Así que no podía dejar pasar esta oportunidad cuando llegó. Nos ha llevado 30 años, pero finalmente hemos llegado al punto en el que podemos hacer estos estudios.»
El Profesor Asistente de Ciencias Biológicas Antonis Rokis, la Profesora Shelley Berger de la Universidad de Pensilvania, el Profesor Asistente Jürgen Liebig de la Universidad Estatal de Arizona, el profesor Asistente Anandasankar Ray de la Universidad de California en Riverside y el Profesor Danny Reinberg de la Universidad de Nueva York también contribuyeron al estudio, que fue financiado por el Instituto Médico Howard Hughes.