Un parásito fúngico que infecta a las hormigas y manipula su comportamiento para beneficiar la reproducción del hongo logra esta hazaña sin infectar el cerebro de las hormigas. según un estudio dirigido por investigadores de Penn State.

En lugar de, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato, un complejo de especies a veces llamado "hongo hormiga zombi", rodea e invade las fibras musculares de todo el cuerpo de la hormiga. y las células fúngicas forman una red 3-D que puede permitirles controlar colectivamente el comportamiento del anfitrión, dijeron los investigadores.

Investigaciones anteriores mostraron que este parásito específico de la especie controla el comportamiento de las hormigas carpinteras, obligándolos a trepar por la vegetación y morder la parte inferior de las hojas o ramitas, donde mueren. A medida que el hongo crece en el cadáver de la hormiga, produce un tallo que sobresale de la cabeza de la hormiga y descarga esporas infecciosas en el suelo debajo, donde pueden infectar a otras hormigas en busca de alimento.

"Para comprender mejor cómo estos parásitos microbianos controlan el comportamiento de los animales, Observamos las interacciones a nivel celular entre el parásito y su huésped hormiga carpintera en un momento crucial del ciclo de vida del parásito:cuando el huésped manipulado se fija permanentemente a la vegetación mediante sus mandíbulas, "dijo el autor principal Maridel Fredericksen, ex estudiante de maestría en entomología en Penn State, ahora candidato a doctorado en el Instituto Zoológico de la Universidad de Basilea, Suiza.

"Se sabe que el hongo secreta metabolitos específicos de tejido y causa cambios en la expresión de genes del huésped, así como atrofia en los músculos de la mandíbula de su hormiga huésped," ", dijo." El comportamiento alterado del huésped es un fenotipo extendido de los genes del parásito microbiano que se expresan a través del cuerpo de su huésped. Pero se desconoce cómo el hongo coordina estos efectos para manipular el comportamiento del huésped ".

Para investigar esto, el equipo de investigación infectó hormigas con O. unilateralis s.l. o con un patógeno fúngico generalista, Beauveria bassiana, distinguir entre los efectos que son comunes a los hongos patógenos de los que son específicos de O. unilateralis s.l.

Utilizando microscopía electrónica de barrido de caras de bloques en serie, el equipo creó visualizaciones en 3-D para determinar la distribución, abundancia e interacciones de los hongos dentro de los cuerpos de las hormigas. Este uso de la tecnología representó un gran avance en el estudio de este sistema parásito-huésped, según el autor principal David Hughes, profesor asociado de entomología y biología, Penn State.

Trabajando con la coautora Missy Hazen en el Centro de Microscopía y Citometría de los Institutos de Ciencias de la Vida Huck de Penn State, los investigadores tomaron cortes de tejido a 50 nanómetros y capturaron imágenes de cada corte, utilizando una máquina que pueda repetir ese proceso 2, 000 veces durante un período de 24 horas.

"Al apilar estas rebanadas, podríamos reconstruirlos en 3-D, dándonos una vista a nivel de micras de la interacción entre el hongo y el huésped, con una resolución increíblemente alta, "Dijo Hughes." Esta es una visión sin precedentes de cómo un manipulador controla a su anfitrión ".

Para procesar esa cantidad de datos, Luego, los científicos emplearon inteligencia artificial (IA) y algoritmos de aprendizaje automático para analizar las imágenes.

"Nuestros colaboradores en Notre Dame pudieron usar el aprendizaje profundo para entrenar a las computadoras a diferenciar entre células de hongos y de hormigas, de modo que pudiéramos determinar qué parte del organismo es hormiga y cuánto es hongo". "Explicó Hughes.

"El desarrollo de la vanguardia, El modelo de aprendizaje profundo para identificar células de hongos y hormigas fue un trabajo en equipo completo y colaborativo, "dijo Danny Chen, profesor de informática e ingeniería, Universidad de Notre Dame. "El grupo de Penn State produjo una gran cantidad de datos de imágenes etiquetados, que nuestro grupo usó para entrenar, probando y mejorando nuestro modelo de red neuronal profunda. Fue realmente sorprendente ver lo bien que los biólogos y los investigadores de inteligencia artificial trabajaron juntos para abordar este problema de manera tan efectiva ".

Los resultados, publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , demostró que O. unilateralis s.l. las células estaban presentes en prácticamente todas las regiones del cuerpo de las hormigas huésped, incluso en la cabeza, tórax, abdomen y piernas. Además, una gran proporción de estas células fúngicas estaban conectadas, sugiriendo que formen una red para controlar el comportamiento del anfitrión colectivamente.

"Descubrimos que un alto porcentaje de las células de un huésped eran células fúngicas, "dijo Hughes." En esencia, estos animales manipulados eran un hongo en la ropa de las hormigas ".

Sin embargo, aunque las células fúngicas se concentraron directamente fuera del cerebro, los investigadores no observaron células fúngicas dentro del cerebro.

"Normalmente en animales, el comportamiento está controlado por el cerebro que envía señales a los músculos, pero nuestros resultados sugieren que el parásito está controlando el comportamiento del huésped periféricamente, "Dijo Hughes." Casi como un titiritero mueve los hilos para hacer un movimiento de marioneta, el hongo controla los músculos de la hormiga para manipular las piernas y mandíbulas del huésped ".

Aunque el cerebro del huésped no está invadido por células fúngicas, trabajos anteriores han demostrado que el cerebro puede ser alterado químicamente por el parásito, Señaló Hughes.

"Suponemos que el hongo puede estar preservando el cerebro para que el huésped pueda sobrevivir hasta que realice su comportamiento de mordedura final, ese momento crítico para la reproducción del hongo. Pero necesitamos realizar investigaciones adicionales para determinar el papel del cerebro y cuánto control ejerce el hongo encima de eso."