Дослідники з Університету Рокфеллера застосували технологію CRISPR/Cas9 на мурахах, щоб відредагувати гени, що відповідають за сприйняття запаху. Вчені отримали докази на користь того, що запах дозволяє мурахам не тільки орієнтуватися в просторі, а й вибудовувати складні соціальні відносини. Крім того, вибивання «гена нюху» спричинило зміни в структурах мозку. Результати опубліковані в журналі.
Мурахи здатні до складної соціальної організації, поділу праці, та кооперації для виконання завдань, непосильних для окремої особини. Вважається, що феромони дозволяють цим комахам вести настільки складне соціальне життя і обмінюватися інформацією, але точні механізми соціальної взаємодії мурашок за допомогою феромонів досі слабо вивчені. Відомо, що у дрозофіл за сприйняття феромонів відповідає кілька сімей хімічних рецепторів, типових для комах, але одна з них у мурахів особливо добре розвинена - репертуар нюшливих рецепторів (ORs) у них значно ширший. Дослідники припустили, що саме вони відіграють особливу роль у соціальній поведінці.
Щоб упевнитися в цьому, потрібно відключити всі чарівні рецептори комах, і це виявилося можливим за допомогою технології CRISPR/Cas9: в даному випадку, достатньо було відключити лише один ген, orco, необхідний в роботі кожного з 350 нюшових рецепторів мурашок. Також для дослідження було необхідно відтворити достатню кількість позбавлених нюху мутантів, і на допомогу прийшли мурахи виду, здатні до партеногенезу - самки відкладають яйця без участі самця, в результаті чого можна вивести ціле покоління генетично ідентичних комах. Вчені відредагували геном мураха ще в яйці, а потім вирощували нащадків, які успадкували мутацію і їх дані увійшли в результати дослідження.
Відсутність рецепторів нюху повинна була якось позначитися на поведінці тварин і на їх нервовій системі: на усиках мурахів є ольфакторні сенсорні нейрони (OSNs), які виявляють молекули запаху і передають інформацію в мозок, а в мозку є область (антенна частка), що приймає сигнал. Спочатку вчені вирішили впевнитися, що у мутантів відсутній білок orco, для цього його позначили флуоресцентним барвником. Як і очікувалося, у orco-мутантів слідів білка не виявилося, а крім того, у них була відсутня велика частина ольфакторних сенсорних нейронів. Зміни структур мозку спостерігали за допомогою конфокальної мікроскопії. Обсяг регіону, що приймає сигнал від антен, у мутантів виявився менше на третину, і близько 82% гломерул (утворень дендритів) було втрачено.
Серія тестів дозволила оцінити і поведінкові зміни у мурахів-мутантів. Наприклад, мутанти не реагували на аверсивні стимули, менше слідували феромонним слідам інших мурахів (ці тести проводилися в змішаних групах), і демонстрували «блукаючу поведінку» - замість того, щоб формувати кластери разом з іншими мурахами, позбавлені нюху особини бродили на самоті, і за такою поведінкою вирахувати колонії, в яких мешкали мутанти, виявилося неважко. Крім того, мутація негативно вплинула на тривалість життя мурашок, і на кількість відкладених яєць.
Автори підкреслюють, що незважаючи на значні відмінності в поведінці orco-мутантів, не можна сказати, що вони виявилися повністю виключені з соціального життя. Багато з них все-таки відкладали яйця, торкалися до сородичів своїми антенами і висловлювали сигнали тривоги.
Судячи з результатів дослідження, відключення рецепторів нюху насправді заважають мурахам орієнтуватися по запаху, слідувати феромонним стежкам і повноцінно брати участь у соціальному житті колонії. Порівняно з іншими комахами, у яких рецепторів нюху не так багато, orco-мутація у мурашок спричинила набагато більші зміни в нейроанатомії особин. Нюх вже відключали у дрозофіл, москітів і сарани, але тільки у мурахів це спровокувало настільки значні зміни в структурах мозку, тоді як поведінкові патерни багато в чому повторюються.
Автори вважають, що складні чарівні системи повинні покладатися на роботу рецепторів: коли рецептори не працюють, ольфакторні сенсорні нейрони або не розвиваються, або рано гинуть, і, в результаті, відповідні структури мозку утворюють фенотип, який і був виявлений у мурашок-мутантів. І, ймовірно, саме розвинені нюх структури мозку і роблять можливою складну соціальну поведінку мурашок. Тим не менш, багато чого ще належить з'ясувати - наприклад, чому частина гломерул все-таки присутня у мутантів, або чому позбавлені нюху мурахи все-таки способи до деяких соціальних взаємодій, а також пояснити виникнення виявленого нейроанатомічного фенотипу.
Раніше ми писали про те, яка різниця між королевою і робітником, як мурахи передають один одному гормони, визначаючи їх місце в колонії, і про те, як дорослі мурахи можуть змінювати свою роль при виконанні завдання. Перевірити свої знання про мурахи і дізнатися цікаві факти про них можна в нашому тесті.