Verstehen, wie sich die chemische Kommunikation bei Insekten entwickelte

Überall um uns herum sprechen Insekten miteinander: Sie ringen um Partner, suchen nach Nahrung und versuchen zu vermeiden, die nächste Mahlzeit für jemand anderen zu werden. Einige dieser Kommunikationen sind leicht zu erkennen – etwa das Aufblitzen von Glühwürmchen in einer Sommernacht oder ein kreischender Chor von Zikaden am Nachmittag –, aber viele der raffiniertesten Gespräche sind schwer zu beobachten, da sie durch den Austausch chemischer Düfte entstehen.

Das Verständnis der chemischen Kommunikation könnte der Schlüssel zur Suche nach neuen, wirksameren Methoden zum Schutz von Nutzpflanzen oder zur Abwehr beißender Insekten sein, die Krankheiten übertragen können. Forscher von SRI International haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Virginia Tech und der Rutgers University eine Methode zur Identifizierung von Abschnitten des genetischen Codes entwickelt, aus denen die Chemikalien bestehen, mit denen Insekten kommunizieren.

Ihre Arbeit wurde kürzlich veröffentlicht in Proteinwissenschaftbietet einen Leitfaden zum Verständnis der Entwicklung der chemischen Kommunikation und ist der erste Schritt zur Entschlüsselung der Aussagen bestimmter Insekten.

„Die Schädlingsbekämpfung ist hier ein längerfristiges Ziel, insbesondere in der Landwirtschaft“, sagte Paul O’Maille, Programmdirektor für Biokomplexitätswissenschaften am SRI und korrespondierender Autor des Papiers. „Wir müssen diese Sprache entschlüsseln, in der Lage sein, sie abzufangen und sie möglicherweise auf intelligente Weise umzuleiten.“

Insekten kommunizieren mit einer Klasse von Chemikalien namens Terpene, die leicht verdampfen und sich in der Luft ausbreiten, wodurch sie eine große Fläche abdecken und möglicherweise viele andere Insekten erreichen. Doch bis vor Kurzem glaubten Forscher, dass Insekten sie nicht selbst produzieren könnten. Es wurde allgemein angenommen, dass Insekten Terpene aus ihrer Umgebung beziehen, indem sie sie aus der Nahrung, die sie zu sich nehmen, sammeln oder Mikroben beherbergen, die sie produzieren können.

„Erst in den letzten paar Jahren haben meine Mitarbeiter und andere entdeckt, dass Insekten tatsächlich Gene haben, die für Enzyme namens Terpensynthasen kodieren, und das ist das Sprachrohr dieser Kommunikationsform“, sagte O’Maille. Terpen-Synthasen ermöglichen es einer Spezies, ihre eigenen Terpene zu erzeugen. „Das hat uns eine neue Welt eröffnet.“

Mit der Erkenntnis, dass einige Insekten die Fähigkeit besitzen, Terpene zu erzeugen, die in ihren genetischen Code geschrieben sind, machten sich die Forscher daran, eine Methode zu entwickeln, um ähnliche Gene in anderen Arten zu finden. O’Maille, der seit einigen Jahrzehnten Terpene in Pflanzen untersucht, konnte die zur Herstellung eines Terpens erforderliche Chemie aufschlüsseln und feststellen, welche Gene dafür optimiert werden müssten. Er identifizierte mehrere Motive – Muster im genetischen Code –, die spezifisch für Terpensynthasen sind.

„Wir haben im Grunde einen Regelsatz zusammengestellt, um die natürliche Geschichte der Entstehung dieser Terpen-Synthasen zu verstehen, und das führt zu einer Heuristik oder einer Methode, um vorherzusagen, ob ein Gen eine Terpen-Synthase ist oder nicht“, O’Maille genannt. „Anhand dieser Heuristik sehen wir, dass es bei verschiedenen Insekten eine Menge dieser Terpen-Synthase-Gene gibt – sie sind recht weit verbreitet.“

Die Forscher haben bereits mehrere hundert potenzielle Terpen-Synthase-Gene identifiziert, indem sie ihre Methode auf verfügbare genetische Sequenzen von Insekten angewendet haben. Die Arten, die sie untersucht haben, repräsentieren bisher nur acht der 29 Insektenordnungen, aber ihre Daten deuten darauf hin, dass sich die chemische Kommunikation auf Terpenbasis mehrfach unabhängig voneinander entwickelt hat.

Durch die Bereitstellung dieser Blaupause hoffen die Forscher, anderen Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Identität von Terpensynthasen in vielen weiteren Insekten zu überprüfen und den Prozess zu beginnen, zu verstehen, wie diese Terpene verwendet werden. Und sobald wir die Sprache beherrschen, können wir versuchen, sie zu unserem Vorteil zu nutzen. Wenn wir beispielsweise wissen, welche Chemikalien für Insekten, die wichtige Nutzpflanzen jagen, attraktiv sind, können wir möglicherweise Büschel von Lockpflanzen säen, die diese Chemikalien produzieren und Insekten anlocken.

„Unsere Fähigkeit, dieses Gespräch zu entschlüsseln, gibt uns mehr Möglichkeiten“, sagte O’Maille.

O’Maille betont außerdem, dass die in diesem Artikel verwendeten Methoden nicht nur auf Insekten angewendet werden können. Die gleichen Techniken, mit denen O’Maille und seine Kollegen vorhersagten, welche Abschnitte des Genoms für Terpensynthasen kodieren, könnten auf andere Enzyme in anderen Arten angewendet werden.

„Im Moment können wir Genome nach Belieben sequenzieren, aber wir können das Genom nicht sehr gut interpretieren“, sagte O’Maille. „Unsere Arbeit liefert einen Fahrplan für die Entwicklung von Heuristiken für andere Enzymklassen, um genauere Vorhersagen über die Funktionen von Genen zu ermöglichen.“