Bacterias y hongos desempeñan papeles claves en las colonias de insectos sociales

Investigadores brasileños muestran de qué manera ciertas especies de hormigas y de abejas dependen de microorganismos para alimentarse, comunicarse, defenderse contra patógenos y completar su ciclo de desarrollo

Por Karina Toledo  |  Agência FAPESP – Obreras en fila transportan hacia su nido fragmentos de plantas con un peso hasta cien veces mayor que el de sus propios cuerpos. Esta escena –que a primera vista puede parecer sorprendente– es usual en las colonias de hormigas cortadoras. El camino hasta el hormiguero, sin cualquier desvío, es guiado por compuestos químicos aromáticos conocidos como feromonas de pista.

En el caso de la Atta sexdens rubropilosa, una de las distintas especies conocidas popularmente como cortadoras, las principales sustancias empleadas en este proceso de geolocalización pertenecen a la clase de las pirazinas.

Investigadores de la Universidad de São Paulo (USP) con sede en la localidad de Ribeirão Preto, en Brasil, descubrieran que una bacteria presente en la microbiota asociada a esa hormiga es capaz de producir las mismas pirazinas que el insecto utiliza para demarcar su camino hasta el nido. Este hallazgo se dio a conocer en un artículo publicado en la revista Scientific Reports.

“Observamos ese fenómeno en más de una colonia de cortadoras, y esto planteó algo muy interesante: ¿la bacteria Serratia marcescens produce la feromona de pista para las hormigas, o aporta a ese proceso de alguna forma? Es algo que pretendemos investigar”, dijo Mônica Tallarico Pupo, docente de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de Ribeirão Preto (FCFRP-USP) y coordinadora de la investigación.

Este trabajo se llevó a cabo durante el doctorado de Eduardo Afonso da Silva Junior, en colaboración con científicos de la Harvard University, en Estados Unidos, en el marco de un Proyecto Temático apoyado por la FAPESP y por los National Institutes of Health (NIH).

Tal como explicó Tallarico Pupo, la meta principal de este proyecto consiste en explorar la microbiota existente en los cuerpos de hormigas brasileñas en busca de moléculas naturales que puedan dar origen a fármacos (lea más en: agencia.fapesp.br/19508). Pero existe otra vertiente del mismo, más bien orientada hacia la ecología química, en la cual se procura comprender la relación de dependencia existente entre los insectos sociales y sus microorganismos simbiontes (aquéllos que viven en simbiosis, una interacción larga y en general beneficios entre dos organismos).

La bacteria productora de pirazinas se descubrió por casualidad cuando los científicos buscaban microorganismos capaces de proteger el hormiguero contra hongos parásitos.

“Las hojas que las hormigas cortadoras transportan hasta el nido sirven efectivamente como sustrato para cultivar hongos de la especie Leucoagaricus gongylophorous que usan como alimento. Pero este sistema es susceptible a infecciones”, explicó la investigadora.

“En algunos casos, crece sobre la fuente de alimento otra especie patogénica, que puede comprometer la viabilidad del hormiguero. Las bacterias simbiontes producen compuestos capaces de matar al hongo parásito sin perjudicar la fuente de alimento. Nosotros estábamos buscando esos compuestos”, añadió.

Los experimentos descritos en el artículo se llevaron a cabo con colonias recolectadas en Ribeirão Preto, dentro del campus de la USP. Cuando los científicos lograban hallar a la reina, transportaban una parte del hormiguero para mantenerla en el laboratorio. Luego aislaron a todas las bacterias halladas en la superficie y en el interior de los cuerpos de los insectos, las caracterizaron y las dispusieron en un medio de cultivo.

Durante ese proceso, Da Silva Junior se percató de que cuando la especie Serratia marcescens era cultivada in vitro liberaba un fuerte aroma, muy similar al de los hormigueros mantenidos en laboratorio.

“Decidimos investigar los compuestos volátiles producidos por esa bacteria y descubrimos a las pirazinas, entre ellas una molécula nunca antes descrita en la literatura científica”, dijo Tallarico Pupo.

Los investigadores emplearon una especie de fibra capaz de absorber los compuestos aromáticos de la placa de cultivo. Este material fue analizado posteriormente mediante cromatografía de gases asociada a la espectrometría de masas.

“En las glándulas de veneno de las hormigas estaban presentes tanto las pirazinas como la bacteria. No sabemos a ciencia cierta si existe una síntesis compartida o si el microorganismo produce los compuestos aromáticos y el insecto únicamente los almacena en sus glándulas. En estudios futuros, pretendemos poner a prueba técnicas tendientes a remover esa bacteria de la hormiga, a los efectos de observar si siguen produciendo los compuestos”, explicó Tallarico Pupo.

Otro plan del grupo consiste en investigar si se puede observar un fenómeno similar en otras especies de hormigas, algo aún no se ha descrito en la literatura científica.

La metamorfosis de las abejas

El cultivo de hongos en el interior del nido –ya sea con fines de nutrición o de defensa– parece ser una práctica bastante común entre los insectos sociales. En 2015, científicos brasileños describieron en la revista Current Biology que las larvas de abejas sin aguijón de la especie conocida en Brasil con el nombre de mandaguari (Scaptotrigona depilis) se alimentan al nacer con filamentos de un hongo presente dentro de las celdas de cría (lea más en: agencia.fapesp.br/22236). Sin ese alimento, los insectos no logran llegar a la fase adulta.

El grupo de Tallarico Pupo estudió más profundamente este proceso de simbiosis recientemente, durante el doctorado de Camila Paludo, en el marco del mismo Proyecto Temático. Los resultados se dieron a conocer en la revista Scientific Reports en enero.

“Sabemos que los insectos no son capaces de sintetizar sus propias hormonas. Necesitan adquirir sustancias precursoras a través de la alimentación. Nuestra hipótesis indicaba que el hongo suministraría un precursor de la hormona de la muda, necesaria para que la abeja complete su metamorfosis”, dijo Tallarico Pupo.

El primer paso de la investigación consistió en aislar el hongo de las celdas de cría y caracterizarlo en el laboratorio. El grupo detectó que se trataba de la especie Zygosaccharomyces sp.

“No sabemos con seguridad de qué manera ese hongo va a parar al interior de las celdas de cría. Las abejas ponen los huevos y después rellenan las celdas con un líquido llamado alimento larval. Al cabo de tres días aproximadamente, el hongo empieza a crecer allí dentro”, comentó la investigadora.

Mediante el empleo de una técnica conocida como microscopía de fluorescencia, los investigadores detectaron una acumulación de lípidos en el citoplasma del hongo, tanto en las muestras cultivadas en laboratorio como en las extraídas directamente de las colonias de abejas.

“Los esteroides –sustancias precursoras de las hormonas de la muda– son de naturaleza lipídica. Con la ayuda de la cromatografía de gases acoplada a la espectrometría de masas detectamos que el compuesto predominante entre los lípidos de ese hongo era el ergosterol”, dijo Pupo.

Mediante experimentos in vitro, los investigadores comprobaron que las larvas lograban completar la metamorfosis cuando se inoculaba el hongo en el alimento de las larvas y también cuando se añadía únicamente el ergosterol.

“Los resultados fueron equivalentes estadísticamente en ambas situaciones”, informó Tallarico Pupo. “Pero cuando las larvas recibían únicamente el alimento larval, no lograban llegar a la fase adulta. Por ende, arribamos a la conclusión de que las larvas estaban usando efectivamente el ergosterol en la producción de la hormona de la muda, lo cual refuerza la relación de dependencia entre la abeja y el hongo”, añadió.

Ahora, el grupo pretende investigar si fenómenos análogos se producen en otras especies de abeja con y sin aguijón.

El artículo intitulado Pyrazines from bacteria and ants: convergent chemistry within an ecological niche puede leerse en: nature.com/articles/s41598-018-20953-6. En tanto, el estudio intitulado Stingless Bee Larvae Require Fungal Steroid to Pupate se encuentra disponible en la siguiente dirección: nature.com/articles/s41598-018-19583-9.