La scoperta di peptidi antimicrobici nel veleno delle formiche ha implicazioni di vasta portata

Oltre a fungere da armi biochimiche per l’attacco e la difesa, i veleni prodotti dalle formiche della sottofamiglia Formicinae svolgono anche altre funzioni. Ad esempio, le formiche li utilizzano per proteggere i loro nidi dagli agenti patogeni. Si è a lungo ipotizzato che il componente principale di questi veleni, l’acido formico, fosse responsabile di tali funzioni.

Tuttavia, un team di ricercatori della Freie Universität Berlin e della Martin Luther University di Halle-Wittenberg ha ora dimostrato che questi veleni contengono anche una complessa miscela di composti peptidici e altre sostanze bioattive. La scoperta di queste sostanze apre nuove possibilità nel campo della ricerca medica.

Inoltre, potrebbe far luce su nuove dinamiche delle difese immunitarie e su come le comunità di insetti sociali affrontano i microbi. Alla ricerca hanno partecipato anche studiosi di Tubinga, Münster, Lipsia, Francoforte sul Meno e Cambridge (Regno Unito), i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .

Il veleno delle formiche è più complesso di quanto si pensasse in precedenza.

Da quando l’acido formico fu isolato per la prima volta dalle formiche del genere Formica nel XVII secolo, si riteneva che il veleno di queste formiche avesse una composizione piuttosto semplice. Si credeva che l’acido formico fosse la tossina principale e, sebbene studi precedenti avessero suggerito la presenza di composti peptidici nei veleni, queste osservazioni furono in gran parte trascurate.

“Nel nostro progetto, abbiamo esaminato una pubblicazione di decenni fa che all’epoca ricevette poca attenzione. L’articolo menzionava che questi veleni contengono anche composti peptidici”, afferma Timo Niedermeyer, responsabile del progetto e professore di biologia farmaceutica presso l’Istituto di Farmacia della Freie Universität Berlin.

“Abbiamo analizzato i veleni di otto specie di formiche carpentiere geograficamente distanti e abbiamo scoperto trentacinque peptidi, o formicitossine, appartenenti a due famiglie geniche. La composizione specifica delle formicitossine variava da specie a specie, ma la loro presenza era diffusa. Ciò significa che il veleno delle formiche carpentiere è considerevolmente più complesso di quanto si pensasse in precedenza.”

Una vasta gamma di utilizzi

I peptidi scoperti dai ricercatori contribuiscono probabilmente all’igiene del formicaio. Le formiche diffondono il loro veleno sulla covata e sull’area circostante il formicaio, il che ha portato i ricercatori a ipotizzare che le formicitossine rafforzino una difesa immunitaria esterna che persiste anche dopo che l’effetto antimicrobico immediato dell’acido formico ha perso la sua efficacia.

“Alcuni di questi peptidi dimostrano notevoli proprietà antifungine . Ciò è particolarmente interessante se consideriamo la minaccia che i microbi e i patogeni ambientali rappresentano per le comunità sociali come le formiche, nonché la crescente minaccia della resistenza microbica per il benessere umano”, sottolinea il dottor Simon Tragust, responsabile del progetto presso l’Istituto di Biologia dell’Università Martin Lutero di Halle-Wittenberg.

“La sottofamiglia Formicinae comprende oltre 3.700 specie, il che significa che esiste un enorme potenziale per la scoperta di ulteriori sostanze bioattive.”

I risultati confermano che il veleno delle formiche carpentiere svolge una serie di funzioni diverse. Le formiche usano il loro veleno non solo per difendersi, ma anche per disinfettare l’ambiente circostante, per acidificare il loro intestino al fine di selezionare i microbi e per comunicare con altre formiche.

Per il loro studio, i ricercatori hanno combinato metodi provenienti dai campi della biologia, della chimica e della farmacia. Utilizzando un approccio proteotrascrittomico , hanno combinato dati proteici e di RNA ricavati dal veleno e dai tessuti associati per identificare i singoli peptidi, nonché le loro sequenze genetiche.

Hanno inoltre utilizzato analisi chimiche, eseguito test di bioattività e sintetizzato le proprie formicitossine. Gli scienziati hanno acquisito ulteriori conoscenze sulla struttura e sulla storia evolutiva dei singoli componenti del veleno attraverso esperimenti biofisici, analisi del genoma e modellazione assistita da computer.

Grazie al suo approccio interdisciplinare e all’esame del veleno proveniente da diverse colonie di formiche, questo studio rappresenta una delle analisi comparative più complete sul veleno delle formiche mai realizzate finora.

Astratto

I peptidi del veleno sono fondamentali per il successo evolutivo della maggior parte degli animali velenosi, comprese le formiche pungenti. Si ritiene che la sottofamiglia di formiche senza pungiglione Formicinae si affidi esclusivamente all’acido formico nei propri veleni, nonostante le prime, seppur non confermate, ipotesi sulla presenza di componenti proteici nel veleno. In questo studio, dimostriamo che le formiche carpentiere, il genere di Formicinae più numeroso, producono un arsenale diversificato di peptidi nel veleno. La spettrometria di massa e la trascrittomica, condotte su otto specie geograficamente distanti, hanno rivelato 35 peptidi, le formicitossine, appartenenti a due famiglie geniche. Diverse formicitossine mostrano attività antifungina. L’applicazione alle pupe ritarda la crescita fungina, suggerendo un ruolo dei peptidi nell’igiene della colonia. Le analisi del genoma hanno rivelato che le formicitossine sono diffuse ma variabili all’interno della sottofamiglia Formicinae. I nostri risultati ribaltano il paradigma dei veleni delle Formicinae come semplici spruzzi acidi e li identificano come una fonte di peptidi bioattivi.

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