Учёные обнаружили, что личинки плодовых мушек способны ощущать электрические поля. Хотя для человека это может быть непривычным ощущением, электрорецепция относительно распространена в животном мире. Акулы, пчёлы и даже утконосы — все они обладают способностью обнаруживать электрические поля в окружающей среде.
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре добавили к этому списку плодовых мушек. Группа учёных под руководством Маттье Луи обнаружила, что личинки плодовых мушек могут ощущать электрические поля и ориентироваться в сторону отрицательного электрического потенциала с помощью небольшого набора сенсорных нейронов в голове.
Результаты, опубликованные в журнале Current Biology, открывают огромные возможности. Плодовые мушки, возможно, являются наиболее часто используемыми экспериментальными животными, основой для исследований в таких разных областях, как генетика, нейробиология и старение. Открытие электрорецепции у плодовых мушек открывает новые направления исследований основ этого чувства и может даже привести к новым методам в области биоинженерии.
**Шестое чувство**
«Для нас электроощущение, вероятно, не имеет большого значения, потому что мы на него не реагируем. Но всё больше признаётся, что для многих животных это на самом деле очень важно», — говорит Луи, доцент кафедры молекулярной, клеточной и развивающейся биологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Когда он услышал, что эта способность была обнаружена у нематоды C. elegans (ещё одного широко используемого модельного организма), ему стало любопытно, есть ли такая возможность у плодовых мушек Drosophila.
Соавтор Джулия Ридл, в то время студентка Луи, решила провести исследование, используя обычный метод в биологических исследованиях: гель-электрофорез, который использует электрическое поле для проталкивания молекул через гель с небольшими порами. Это часто используется для сортировки фрагментов ДНК, но Ридл использовала его, чтобы погрузить личинку Drosophila в электрическое поле.
«У каждого, кто руководит лабораторией, есть такое устройство, — говорит Ридл, которая сейчас работает в Имперском колледже Лондона. — Вместо того чтобы помещать туда ДНК, мы поместили туда личинки, и это дало очень устойчивый результат». Личинка изменила своё положение и начала двигаться в сторону отрицательного электрода.
**Определение ощущения**
Наблюдая за реакцией животного, команда захотела определить местонахождение нейронов, ответственных за неё. Для этого им нужен был способ отключать различные части нервной системы. Поэтому они нацелились на ген GAL4. Такие промоторные гены, как GAL4, служат дорожными знаками, которые указывают клеточным механизмам, где начать копирование ДНК в РНК, что является важным шагом в экспрессии генов.
При активации GAL4 запускал выработку модифицированной формы столбнячного токсина. Он действует как молекулярный «блокпост», предотвращая общение целевых нейронов с другими нейронами. Используя потомство личинок с GAL4, выраженным в разных нейронах, команда могла подавлять определённые группы нейронов, чтобы увидеть, как меняется поведение животных.
Подавляя разные нейроны, группа смогла определить, какие из них имеют решающее значение для электрорецепции. Они обнаружили интересующие нейроны по обеим сторонам головы личинки, ближе к кончику, в области, отвечающей за обоняние и вкус.
Ридл вставила ген, кодирующий белок, который флуоресцирует при активности нейронов, чтобы отслеживать активность в режиме реального времени. Воздействие на головной сегмент электрическим полем под микроскопом подтвердило её первоначальное открытие. «Не нужно проводить сложный анализ, — говорит она. — Если нейроны действительно реагируют, они загораются».
«Честно говоря, я не могла в это поверить. Это было так очевидно», — добавляет она.
Фактически только один нейрон в этом кластере реагировал на электрическое поле. Нейрон был подавлен, когда электрод находился перед головой, и активировался, когда электрод был сзади, заставляя личинку изменить своё положение.
**«Научный марафон»**
Луи и Ридл начали эту работу в 2009 году, когда Луи был исследователем в Центре геномных регуляций (CRG) в Барселоне, Испания. «Это интересный проект, потому что на его завершение ушло более 15 лет, — говорит он. — Научный марафон».
Частично причина заключается в том, что электрические поля трудно измерить и визуализировать, в отличие от магнитных полей, которые можно выявить с помощью некоторых железных опилок. Команда была обеспокоена тем, что личинки могут реагировать на другие факторы, искажающие результаты в экспериментальной установке, такие как электрический ток, кислотность или температурный градиент.
Когда Луи поступил на факультет UCSB, он смог связаться с электрохимиком Лиором Сепунару и инженером-механиком Алексом Иденом, которые могли смоделировать электрическое поле в эксперименте. Иден предоставил группе сложные симуляции, необходимые для характеристики среды в рамках эксперимента. И хотя лаборатория Луи не новичок в проведении симуляций, «это моделирование на несколько порядков сложнее того, что мы обычно можем сделать», — говорит он.
Получив более полное представление об экспериментальных условиях, команда могла приступить к систематическому устранению этих искажающих факторов. Они перешли на электролитический раствор, который не изменял свою кислотность в ходе эксперимента. Они также ужесточили контроль над резистивным нагревом в геле.
«Чтобы проверить, действительно ли ток или электрическое поле являются движущими факторами поведения, мы хотели изменить одно, но не другое, — объясняет Луи, — а это чрезвычайно сложно достичь, потому что они взаимосвязаны».
Симуляции Идена показали, что они могут добиться этого, изменив толщину агаровой среды. Результаты подтвердили их гипотезу; личинки реагировали на само электрическое поле, а не на ток, который оно индуцировало в агаровом геле. И именно нейроны в их голове определяли электрическое поле, его силу и ориентацию.
**Почему мухи развили электрорецепцию?**
Авторы не уверены, почему личинки Drosophila развили электрорецепцию, но у них есть несколько гипотез. Электрочувствительность может помочь личинкам ориентироваться в гниющих фруктах, в которых они живут. Личинки плодовых мушек развиваются всего за несколько дней, поэтому им нужно быстро находить участки с более мягкой мякотью, большим количеством сахара и меньшим содержанием алкоголя. Брожение может создать электрический градиент, который животные затем используют для ориентации, говорит Луи.
Кроме того, внутри яблока довольно темно. «Чувства, которые развиваются в процессе эволюции, отражают физические свойства окружающей среды, — добавляет Ридл. — Так что если есть электрическое поле, почему бы ему не ощущаться?»
Альтернативно, это может помочь животным избежать нападения хищников. Летающие насекомые накапливают положительный заряд, поэтому отвращение к положительным зарядам может быть адаптацией, помогающей личинкам Drosophila избегать паразитических ос, которые могут уничтожить до 90% личинок до того, как они достигнут зрелости.
Или это может быть сочетание факторов, «как ведущих их к более благоприятной части фрукта, так и уводящих от нападения осы», — отмечает Ридл.
В любом случае открытие позволяет лучше понять умвельт Drosophila: то, как организмы определённого вида воспринимают и ощущают мир, сформированный их сенсорными органами и перцептивными системами.
**Взгляд в будущее**
У большинства животных, которых изучали учёные, электрорецепция включает в себя механосенсорную структуру, которая обнаруживает движение в ответ на статический заряд, подобно тому как волоски на руке вздрагивают, когда вы распутываете свежее бельё. Но авторы не наблюдали этого у личинок Drosophila: казалось, что нейроны реагировали непосредственно на электрическое поле.
Может быть скрытый аппарат, который авторы ещё не обнаружили, или в этих электрочувствительных нейронах может происходить что-то очень интересное.
Кроме того, нейроны, ответственные за это ощущение, встроены в кластер, который определяет запахи и вкусы. Фактически рассматриваемые нейроны по-прежнему экспрессируют ген, который делает их чувствительными к горьким веществам. Возможно, что клетки могут реагировать как на электрические поля, так и на горький вкус, поскольку оба стимула вызывают одинаковую реакцию. Возможно, положительный полюс электрического поля вызывает у личинок Drosophila ощущение, похожее на горький вкус, и поэтому они его избегают.
Группа рассматривает своё открытие как шаг к более глубокому пониманию электрорецепции в целом.
«У вас есть все эти разные животные, которые могут обнаруживать электрические поля. Но поскольку ни одно из них не является модельным организмом, очень сложно определить генетическую основу этого чувства», — говорит соавтор Дэвид Тадрес, докторант в лаборатории Луи. Но поскольку Drosophila является идеальным организмом для изучения всевозможных генетических вопросов, команда надеется, что они смогут идентифицировать гены, участвующие в этом ощущении.
Изучение основ электроощущения имеет значение не только для понимания сенсорных систем у животных. Клетки часто перемещаются в ответ на электрические поля и токи. Исследования Drosophila могут пролить свет на это поведение, которое является важным компонентом заживления ран, объясняет Луи.
Открытие также может привести к созданию новых исследовательских инструментов. Например, светочувствительные гены водорослей привели к развитию оптогенетики: способности напрямую контролировать экспрессию генов и активность нейронов с помощью света. Все молекулярные инструменты для дистанционного управления этими процессами требуют доступа к клетке, что может быть довольно инвазивным. Но метод, использующий электрическое поле, может просто проникать в ткань.
«Изучение нового сенсорного механизма у крошечной личинки Drosophila может открыть новые направления» в области биоинженерии, — говорит Луи.
Добавить комментарий