Un parassita fungino che infetta le formiche e ne manipola il comportamento a beneficio della riproduzione del fungo compie questa impresa senza infettare il cervello delle formiche, secondo uno studio condotto dai ricercatori della Penn State.

Anziché, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato—un complesso di specie talvolta chiamato "fungo delle formiche zombie"—circonda e invade le fibre muscolari in tutto il corpo della formica, e le cellule fungine formano una rete 3D che può consentire loro di controllare collettivamente il comportamento dell'ospite, hanno detto i ricercatori.

Precedenti ricerche hanno dimostrato che questo parassita specie-specifico controlla il comportamento dei lavoratori delle formiche carpentiere, costringendoli ad arrampicarsi sulla vegetazione e ad azzannare la parte inferiore delle foglie o dei ramoscelli, dove muoiono. Mentre il fungo cresce nel cadavere della formica, produce uno stelo che sporge dalla testa della formica e scarica spore infettive sul terreno sottostante, dove possono infettare altre formiche bottinatrici.

"Per capire meglio come tali parassiti microbici controllano il comportamento animale, abbiamo esaminato le interazioni a livello cellulare tra il parassita e il suo ospite, la formica carpentiere, in un momento cruciale del ciclo di vita del parassita, quando l'ospite manipolato si fissa permanentemente alla vegetazione tramite le sue mandibole, " ha detto l'autore principale Maridel Fredericksen, ex studente di laurea magistrale in entomologia alla Penn State, ora un dottorando presso l'Istituto zoologico dell'Università di Basilea, Svizzera.

"Il fungo è noto per secernere metaboliti tessuto-specifici e causare cambiamenti nell'espressione genica dell'ospite, nonché atrofia nei muscoli della mandibola della sua formica ospite, " ha detto. "Il comportamento alterato dell'ospite è un fenotipo esteso dei geni del parassita microbico che vengono espressi attraverso il corpo del suo ospite. Ma non si sa come il fungo coordini questi effetti per manipolare il comportamento dell'ospite".

Per indagare su questo, il gruppo di ricerca ha infettato le formiche con O. unilateralis s.l. o con un patogeno fungino generalista, Beauveria bassiana, distinguere gli effetti comuni ai funghi patogeni da quelli specifici di O. unilateralis s.l.

Usando la microscopia elettronica a scansione seriale a blocchi, il team ha creato visualizzazioni 3D per determinare la distribuzione, abbondanza e interazioni dei funghi all'interno dei corpi delle formiche. Questo uso della tecnologia ha rappresentato una svolta nello studio di questo sistema parassita-ospite, secondo l'autore senior David Hughes, professore associato di entomologia e biologia, Penn State.

Lavorando con la coautrice Missy Hazen nel Microscopy and Cytometry Facility degli Huck Institutes of the Life Sciences della Penn State, i ricercatori hanno preso fette di tessuto a 50 nanometri e hanno catturato immagini di ogni fetta, usando una macchina che potrebbe ripetere quel processo 2, 000 volte in un periodo di 24 ore.

"Impilando queste fette, potremmo ricostruirli in 3-D, dandoci una visione a livello di micron dell'interazione tra il fungo e l'ospite, con una risoluzione incredibilmente alta, "Ha detto Hughes. "Questa è una visione senza precedenti di come un manipolatore controlla il suo ospite."

Per elaborare quella quantità di dati, gli scienziati hanno quindi utilizzato l'intelligenza artificiale (AI) e algoritmi di apprendimento automatico per analizzare le immagini.

"I nostri collaboratori a Notre Dame sono stati in grado di utilizzare il deep learning per addestrare i computer a differenziare tra cellule fungine e formiche in modo da poter determinare quanto dell'organismo è formica e quanto è fungo, "Ha spiegato Hughes.

"Lo sviluppo dell'avanguardia, modello di apprendimento profondo per identificare le cellule fungine e formiche è stato un lavoro di squadra completo e collaborativo, " ha detto Danny Chen, professore di informatica e ingegneria, Università di Notre Dame. "Il gruppo Penn State ha prodotto molti dati di immagine etichettati, che il nostro gruppo ha utilizzato per la formazione, testare e migliorare il nostro modello di rete neurale profonda. È stato davvero sorprendente vedere come biologi e ricercatori di intelligenza artificiale abbiano lavorato insieme per affrontare questo problema in modo così efficace".

I risultati, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ha dimostrato che O. unilateralis s.l. le cellule erano presenti praticamente in tutte le regioni dei corpi delle formiche ospiti, compreso nella testa, torace, addome e gambe. Inoltre, una grande proporzione di queste cellule fungine era collegata, suggerendo che formano una rete per controllare collettivamente il comportamento dell'ospite.

"Abbiamo scoperto che un'alta percentuale di cellule in un ospite erano cellule fungine, " ha detto Hughes. "In sostanza, questi animali manipolati erano un fungo nell'abbigliamento delle formiche".

Però, sebbene le cellule fungine fossero concentrate direttamente al di fuori del cervello, i ricercatori non hanno osservato cellule fungine all'interno del cervello.

"Normalmente negli animali, il comportamento è controllato dal cervello che invia segnali ai muscoli, ma i nostri risultati suggeriscono che il parassita controlla perifericamente il comportamento dell'ospite, "Ha detto Hughes. "Quasi come un burattinaio tira i fili per fare una mossa di marionette, il fungo controlla i muscoli della formica per manipolare le gambe e le mandibole dell'ospite."

Sebbene il cervello dell'ospite non sia invaso da cellule fungine, lavori precedenti hanno dimostrato che il cervello può essere alterato chimicamente dal parassita, ha notato Hughes.

"Ipotizziamo che il fungo possa preservare il cervello in modo che l'ospite possa sopravvivere fino a quando non esegue il suo comportamento mordace finale, quel momento critico per la riproduzione fungina. Ma dobbiamo condurre ulteriori ricerche per determinare il ruolo del cervello e quanto controllo esercita il fungo sopra."