Zanzare. La rovina dei picnic in giardino e mortale nelle regioni soggette a Zika e dengue.

La maggior parte delle zanzare del mondo sono opportuniste, disposte a bere sangue da qualsiasi fonte vicina. Ma in alcune regioni, le zanzare portatrici di Zika, dengue e febbre gialla, Aedes aegypti, si sono evolute per mordere quasi esclusivamente gli esseri umani. Ma per avere successo come alimentatore specializzato, dipendendo da una sola specie, la nostra, per sopravvivere, devono aver sviluppato strategie di mira incredibilmente precise. Come fanno?

"Ci siamo proposti di cercare di capire in che modo queste zanzare distinguono l'odore umano da quello animale", ha detto Carolyn "Lindy" McBride, assistente professore di ecologia, biologia evolutiva e neuroscienze, "sia in termini di ciò che l'odore umano indica. in su e quale parte del loro cervello permette loro di sganciare quei segnali."

Dopo anni di lavoro dedicato, comprese innumerevoli sfide scientifiche e tecnologiche, il suo team ha scoperto le risposte a entrambe le parti di questa equazione. Cosa rilevano le zanzare e come lo rilevano? I loro risultati appaiono nell'attuale numero di Nature .

McBride ha descritto il loro approccio incentrato sulla zanzara:"Ci siamo tuffati nel cervello della zanzara e gli abbiamo chiesto:'Cosa puoi annusare? Cosa illumina il tuo cervello? Cosa sta attivando i tuoi neuroni? E come si attiva il tuo cervello in modo diverso quando senti l'odore di umano odore contro odore animale?'"

L'allora studente laureato Zhilei Zhao, un dottorato di ricerca del 2021. alumnus, che ora lavora alla Cornell, ha aperto la strada al loro nuovo approccio:imaging del cervello delle zanzare ad altissima risoluzione per osservare come la zanzara identifica la sua prossima vittima. Per fare ciò, ha dovuto prima ingegnerizzare geneticamente le zanzare il cui cervello si accendeva quando era attivo, quindi il team ha dovuto fornire aria dal sapore umano e animale in modi che le zanzare potessero rilevare mentre si trovavano all'interno dell'apparecchiatura di imaging personalizzata del team.

L'odore umano è composto da dozzine di composti diversi e quegli stessi composti, in rapporti leggermente diversi, sono presenti nella maggior parte degli odori dei mammiferi. Nessuno di questi composti è di per sé attraente per le zanzare, quindi la sfida era determinare l'esatta miscela di componenti che le zanzare usano per riconoscere l'odore umano.

Il team ha concluso che due sostanze chimiche, decanale e undecanale, sono arricchite nell'odore umano. Hanno brevettato una miscela con decanale che sperano possa portare a esche che attirano le zanzare verso trappole letali o repellenti che interrompono il segnale.

Per fornire mammiferi di confronto da testare, la studentessa laureata Jessica Zung ha lavorato con gli ex specialisti di ricerca Alexis Kriete e Azwad Iqbal per raccogliere campioni di capelli, pelliccia e lana. Per questo documento, il team ha utilizzato l'odore di sedici esseri umani, due ratti, due porcellini d'India, due quaglie, una pecora e quattro cani. La Howell Living History Farm di Hopewell, New Jersey, ha donato diversi vello dalla tosatura primaverile delle pecore; per un altro mammifero addomesticato, Zung è andata in un salone di toelettatura PetSmart e ha raccolto i peli tagliati dai cani da compagnia appena strigliati.

"Per i campioni umani, abbiamo avuto un gruppo di ottimi volontari", ha detto Zung. "Non li abbiamo fatti fare la doccia per alcuni giorni, poi si sono spogliati nudi e si sono sdraiati in un sacchetto di teflon". Perché nudo? Perché cotone, poliestere e altre fibre di abbigliamento hanno i loro odori che distorcerebbero i dati.

Una volta superate le sfide tecniche:recuperare gli odori umani e animali in modo non distruttivo, progettare un sistema che consentisse loro di emettere odori umani contro le zanzare nella configurazione dell'imaging, creare una galleria del vento per testare miscele semplici o singoli composti e allevare ceppi vitali di zanzare il cui cervello risponde all'apparecchiatura:hanno iniziato a raccogliere dati. Dati molto sorprendenti.

Prima di questo studio, i ricercatori hanno ipotizzato che il cervello delle zanzare debba disporre di una tecnica complicata e sofisticata per distinguere gli esseri umani dagli altri animali. Al contrario, si è scoperto.

"La semplicità ci ha sorpreso", ha detto McBride. "Nonostante la complessità dell'odore umano e il fatto che non contenga alcun tipo di composto specifico per l'uomo, le zanzare hanno sviluppato un meccanismo sorprendentemente semplice per riconoscerci. Per me, è una storia evolutiva:se noi creato un test statistico per differenziare l'odore umano, sarebbe molto complesso, ma la zanzara fa qualcosa di straordinariamente semplice e semplice di solito funziona abbastanza bene, quando si tratta di evoluzione."

In altre parole, le soluzioni semplici tendono a generarsi vere, nel corso del tempo evolutivo.

Il cervello delle zanzare ha 60 centri nervosi chiamati glomeruli (singolare:glomerulo). Il team aveva ipotizzato che molti, forse anche la maggior parte, sarebbero stati coinvolti nell'aiutare queste zanzare dipendenti dall'uomo a trovare il loro cibo preferito.

"Quando ho visto per la prima volta l'attività cerebrale, non potevo crederci:erano coinvolti solo due glomeruli", ha detto Zhao. "Questo contraddiceva tutto ciò che ci aspettavamo, quindi ho ripetuto l'esperimento più volte, con più umani, più animali. Non riuscivo a crederci. È così semplice."

Dei due centri nervosi, uno risponde a molti odori incluso l'odore umano, essenzialmente dicendo:"Ehi, guarda, c'è qualcosa di interessante nelle vicinanze che dovresti controllare", mentre l'altro risponde solo agli umani. Averne due può aiutare le zanzare a raggiungere i loro bersagli, suggeriscono i ricercatori.

Quello è stato uno dei più grandi "Eureka!" momenti nel progetto, ha detto McBride. "Zhilei aveva lavorato per un paio d'anni per ottenere le zanzare transgeniche di cui aveva bisogno, e poi abbiamo scoperto che non avevamo un buon modo per trasmettere l'odore umano. Quindi abbiamo lavorato per un altro anno o due, cercando idee per provare per capire come fornire abbastanza odore umano in un modo sufficientemente controllato per vedere una risposta.Quindi, la prima volta che abbiamo provato questa nuova tecnologia che abbiamo descritto nel documento, questo nuovo modo di fornire gli odori, ha effettivamente visto un cervello rispondere. È stato incredibile."

Determinando i glomeruli che le zanzare usano per rilevare gli esseri umani e identificando ciò che stanno rilevando, decanale e undecanale, il team ha una risposta elegantemente diretta alle loro domande, ha osservato Zung.

"Se questo fosse puramente un documento di neuro imaging, rimarrebbero alcune domande", ha detto. "Se questo fosse puramente un documento di analisi degli odori, ci sarebbero ancora domande senza risposta. Un documento puramente comportamentale, la stessa cosa. Ma un vero punto di forza di questo progetto è che siamo stati in grado di utilizzare così tanti metodi diversi e l'esperienza di così tanti persone. E Lindy è stato semplicemente fantastico e desideroso di conoscere e investire in tutti questi metodi diversi."

"L'intero progetto è incredibilmente collaborativo", ha convenuto Zhao. "Stavamo affrontando così tante linee di prova che ora sono convergenti in una storia coesa, e ciò richiede competenze così diverse. Non avevo studiato nessuna neuroscienza prima di venire a Princeton, ma qui abbiamo il Princeton Neuroscience Institute, con così tanto molte persone di talento da cui potrei imparare. Per la parte di scienza degli odori, non ho esperienza in questo, ma Jessica è un'esperta. E per la configurazione della galleria del vento, abbiamo collaborato con ricercatori in Svezia. Se avessimo fatto tutto da soli, potremmo non abbiamo ottenuto così buoni risultati, è solo grazie alla collaborazione che siamo arrivati ​​qui".