Как у насекомых развилась химическая коммуникация
Насекомые вокруг нас постоянно общаются: борются за партнеров, ищут пищу и пытаются не стать чьей-то добычей. Часть этого общения очевидна (светлячки, цикады), но самые сложные «разговоры» часто происходят через обмен химическими сигналами — феромонами.
Понимание этого химического языка может стать ключом к созданию новых, более эффективных способов защиты урожая или отпугивания кровососущих насекомых, переносящих болезни. Исследователи из SRI International совместно с учёными из Virginia Tech и Rutgers University разработали метод идентификации участков генетического кода, которые отвечают за производство химических веществ для коммуникации у насекомых.
Их работа, недавно опубликованная в Protein Science, даёт «дорожную карту» для понимания эволюции химической коммуникации и является первым шагом к расшифровке того, что именно «говорят» друг другу насекомые.
«Более долгосрочная цель здесь — борьба с вредителями, особенно в сельском хозяйстве, — сказал Пол О’Мейли, руководитель программы по наукам о биокомплексности в SRI и автор-корреспондент статьи. — Нам нужно расшифровать этот язык, научиться перехватывать его и, возможно, перенаправлять разумными способами».
Насекомые общаются с помощью класса химических веществ — терпенов. Они легко испаряются и распространяются по воздуху, покрывая большую площадь. До недавнего времени считалось, что насекомые не способны производить терпены самостоятельно, а получают их из окружающей среды (с пищей или от симбиотических микробов).
«Лишь в последние несколько лет мы и другие исследователи обнаружили, что у насекомых на самом деле есть гены, кодирующие ферменты терпенсинтазы, и это «рупор» данной формы коммуникации», — пояснил О’Мейли. Терпенсинтазы позволяют виду создавать собственные терпены.
Осознав, что способность создавать терпены закодирована в геноме некоторых насекомых, исследователи разработали метод поиска похожих генов у других видов. О’Мейли, изучающий терпены у растений несколько десятилетий, смог разложить химию создания терпена и определить, какие гены для этого необходимы. Он выявил несколько мотивов — паттернов в генетическом коде, специфичных для терпенсинтаз.
«Мы создали набор правил для понимания естественной истории возникновения этих терпенсинтаз. Это приводит к эвристическому методу предсказания, является ли ген терпенсинтазой или нет, — сказал О’Мейли. — Используя этот метод, мы видим, что подобных генов терпенсинтаз множество у разных насекомых — они весьма распространены».
Исследователи уже идентифицировали несколько сотен потенциальных генов терпенсинтаз, применив свой метод к доступным генетическим последовательностям насекомых. Пока они изучили виды лишь из 8 из 29 отрядов насекомых, но их данные указывают, что химическая коммуникация на основе терпенов эволюционировала независимо несколько раз.
Предоставив эту «генетическую схему», учёные надеются помочь коллегам верифицировать терпенсинтазы у многих других насекомых и начать понимать, как используются эти терпены. А поняв язык, можно попытаться использовать его в своих интересах. Например, зная, какие химические вещества привлекают вредителей сельхозкультур, можно высаживать растения-ловушки, производящие эти вещества, и отвлекать насекомых.
«Наша способность расшифровать этот разговор даёт нам больше возможностей», — отметил О’Мейли.
Он также подчеркнул, что методология, описанная в статье, применима не только к насекомым. Те же методы прогнозирования участков генома, кодирующих терпенсинтазы, можно использовать для поиска других ферментов у других видов.
«Сейчас мы можем секвенировать геномы по желанию, но не очень хорошо умеем их интерпретировать, — сказал О’Мейли. — Наша работа предоставляет дорожную карту для разработки эвристик для других классов ферментов, чтобы более точно предсказывать функции генов».