Una mutazione e la zanzara non riconosce più l’odore umano

Una zanzara Aedes aegypty mentre banchetta sul braccio (o con il braccio?) di Leslie Vosshal.
Credit: L.Vosshal, Rockefeller University

Generalmente le femmine di zanzara sono di buon appetito e non fanno troppo le schizzinose nello scegliere chi pungere per nutrirsi. Ci sono però due specie, Anopheles gambiae e Aedes aegypty, con gusti un po’ più elaborati e una speciale predilezione per gli umani. Pare infatti che l’odore della pelle, il calore corporeo e l’anidride carbonica (CO2) emessi dai nostri corpi costituiscano un mix irresistibile per questi insetti. Che fortuna.
La questione è ancora più seria di quanto possa sembrare poiché Anopheles gambiae a Aedes aegypty sono pericolosi vettori di malaria e Dengue (febbre emorragica).  In diversi laboratori si studia da tempo la biologia di queste zanzare cercando di capire quali siano i meccanismi molecolari che regolano il funzionamento dei loro chemorecettori e in base a cosa riescono distinguere e scegliere le loro prede. Il gruppo di ricerca di Leslie Vosshal della Rockefeller University di New York ha appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature i risultati di una ricerca dalla quale è emerso che un corecettore olfattivo, chiamato orco, svolge un ruolo importante nella capacità di queste zanzare di distinguere l’odore degli esseri umani da quello di altri animali. I ricercatori hanno inoltre scoperto qualcosa di più sul funzionamento del repellente DEET (N,N-Diethyl-meta-toulamide).

L’olfatto delle zanzare e “la prova di coraggio”

Avevo assistito proprio lo scorso autunno a una conferenza della Vosshal durante la quale esponeva parte dei risultati di questo studio e descriveva il metodo sperimentale utilizzato: il ricercatore offre il proprio braccio alle zanzare “normali” (wild type e eterozigoti) e a quelle con il recettore mutato in diverse condizioni sperimentali e osserva il comportamento alimentare degli insetti  (qui il video). Mi ha colpita devo dire; naturalmente il procedimento è molto più rigoroso e complicato di come ve l’ho appena descritto, quindi andiamo un po’ più a fondo.
Il sistema olfattivo degli insetti comprende diverse famiglie di chemorecettori tra le quali i recettori per gli odori (ORs), proteine localizzate sulla superficie della membrana cellulare dei neuroni olfattivi. Queste proteine sono formate da diverse subunità organizzate in domini che attraversano la membrana formando un canale che si apre in seguito al legame con la molecola chimica-stimolo. Questa struttura implica che ci siano parti della proteina che sporgono verso l’esterno della cellula e altre verso il suo interno. E qui arriviamo alla parte che ci interessa: c’è una particolare subunità sul lato extracellulare, chiamata orco, che agisce da co-recettore. Cioè per attivare il recettore olfattivo è necessario attivare anche orco. I ricercatori si sono fatti una domanda: se si introduce una mutazione in questa parte della proteina in modo da alterare la funzione di orco, le zanzare saranno ancora in grado di riconoscere le loro prede? Il loro olfatto quanto rimarrà compromesso? Per rispondere hanno quindi condotto diversi esperimenti.

Orco agisce in sinergia con la CO2

Il gruppo della Vosshal ha come prima cosa introdotto una mutazione in orco e ha testato le capacità di distinguere gli odori nelle zanzare normali e in quelle con mutazione. Da questi primi esperimenti come ci si aspettava è risultato che i recettori delle zanzare normali e di quelle eterozigoti rispondono agli odori significativamente di più rispetto a quelli delle zanzare mutate omozigoti, confermando che orco svolge un ruolo importante  nella risposta agli odori (come era stato riportanto anche per moscerino della frutta Drosophila melanogaster). I ricercatori hanno quindi proceduto con dei test comportamentali: in un primo set di esperimenti per capire se l’olfatto fosse stato compromesso o meno le zanzare sono state messe in una teca di vetro da dove potevano scegliere tra due “stanze” in cui erano presenti due diversi composti: da una parte miele, dall’altra glicerolo, una sostanza inerte e inodore ma di consistenza simile alla prima. Anche in questo caso le zanzare con la mutazione, sia maschi che femmine, non facevano differenza tra miele e glicerolo, diversavemente da quelle normali che sceglievano il miele.
Dal momento che le femmine di zanzara per garantire lo sviluppo delle proprie uova hanno bisogno di un “extra” energetico, che si procurano cibandosi di sangue, e che la caccia avviene seguendo l’odore, gli scienziati hanno poi voluto testare le capacità olfattive delle zanzare con la mutazione in orco alle prese con la scelta del pasto e hanno fatto un’interessante scoperta: esponendo i due gruppi di zanzare, quelle normali e quelle con la mutazione, all’odore umano e a un altro odore “sconosciuto”, le prime preferivano l’odore umano. Se però insieme all’odore umano era presente CO2, altra molecola normalemente emessa dal corpo umano, ecco che allora le zanzare mutate entravano in crisi e non erano più capaci di distinuere l’odore umano. Questi risultati hanno fatto pensare a un effetto sinergico della CO2 e del corecettore orco nella risposta agli odori. Si sono quindi chiesti se questo meccanismo si ripercuota in qualche modo anche sulla capacità di distinguere l’odore di diversi mammiferi dal momento che queste zanzare mostrano una predilezione per gli esseri umani.

Meglio un umano o un un porcellino d’india?

In questo esperimento alle zanzare A. Aegypti veniva offerta la scelta tra un porcellino d’India, che pure di solito non disdegnano, e un braccio umano: anche in questo caso le zanzare mutate in presenza di CO2 entravano in confusione e non sapevano più distinguere i due odori animali, diversamente da quelle normali che si fiondavano sul braccio umano. La mutazione sembra quindi alterare in qualche modo la capacità di distinguere gli odori.
È stata fatta poi un’altra interessante scoperta: queste zanzare mutate sono insensibili al repellente DEET: gli scienziati in particolare hanno osservato che le zanzare mutate non vengono tenute alla larga da questo repellente, tuttavia sono sensibili alla prova-gusto, cioè in seguito a contatto diretto con la pelle cosparsa di DEET restano a digiuno. È emerso cioè che affinché l’azione repellente del DEET sia efficace è necessario che il sistema olfattivo delle zanzare sia integro, tuttavia l’azione repellente da contatto è indipendente dalla funzionalità di orco. Questo suggerisce che l’attività repulsiva di questo composto agisca su diversi canali sensoriali. Riportando le parole della Vosshal: ”come scienziata mi fa diventare matta l’idea che da 60 anni si usi il DEET come repellente per gli insetti ma ancora non si conosca con quale meccanismo agisca” (qui il podcast per ascoltare l’intervista a Nature).

Con questo studio si capito un po’ meglio il ruolo del corecettore orco nel sistema olfattivo della zanzara Aedes aegypty. I ricercatori hanno inoltre raccolto importanti informazioni utili allo sviluppo di nuovi e più efficaci repellenti utili nel prevenire le punture di zanzare vettori di malattie infettive.

Per approfondire:

Matthew DeGennaro, Carolyn S. McBride, Laura Seeholzer, Takao Nakagawa, Emily J. Dennis, Chloe Goldman,
Nijole Jasinskiene, Anthony A. James & Leslie B. Vosshall, 2013. Orco mutant moschitoes lose strong preference for humans and are not repelled by volatile DEET. Nature letters doi: 10.1038.

Elissa A. Hallem and John R. Carlson, 2006. Coding odors by a receptor repertoire, Cell doi:10.1016.

Skinner, W. A., Tong, H., Pearson, T., Strauss, W. & Maibach, H. Human sweat components attractive to mosquitoes. Nature 207, 661–662 (1965)

Ditzen, M., Pellegrino, M. & Vosshall, L. B. Insect odorant receptors are molecular targets of the insect repellent DEET. Science 319, 1838–1842 (2008)