Capire come fa una zanzara a identificare i suoi obiettivi

John R. Carlson è professore di biologia molecolare, cellulare e
dello sviluppo alla Yale University. Ha studiato le basi molecolari
e cellulari dell’olfatto degli insetti per 25 anni.
Allison F. Carey ha conseguito il dottorato in neuroscienze
e la specializzazione medica a Yale. Attualmente conduce
le sue ricerche sulla malaria all’Institut Pasteur di Parigi.
medicina
Profumo
di umano
Capire come fa una zanzara a identificare i suoi obiettivi umani può
aiutare a migliorare le armi contro la diffusione della malaria
di John R. Carlson e Allison F. Carey
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biae, il principale vettore di diffusione del parassita malarico, riconosce l’odore delle sue vittime. Questi risultati hanno suggerito
nuove idee per trappole e repellenti da affiancare alle altre misure
di difesa come le zanzariere e, in futuro, a un vaccino efficace.
I geni degli odori
Per studiare il modo in cui le zanzare malariche individuano le
loro prede umane, siamo partiti da un altro insetto, il moscerino
della frutta Drosophila melanogaster. A differenza delle zanzare,
questi moscerini si riproducono velocemente, sono facili da allevare in laboratorio e i loro geni possono essere manipolati piuttosto semplicemente. Li abbiamo quindi usati per rivelare i meccanismi cellulari e molecolari di base dell’olfatto degli insetti; abbiamo
poi usato le informazioni così ottenute in esperimenti più complessi sulle zanzare.
Come le zanzare, i moscerini riconoscono gli odori con le antenne e i palpi mascellari, degli organi che spuntano dalla testa
e che funzionano come un naso. Piccole setole presenti su queste
protrusioni ricoprono le terminazioni dei neuroni dedicati all’olfatto. Le molecole odorose si infilano nei pori di queste setole per
raggiungere all’interno le molecole che riconoscono gli odori (i recettori). Quando i recettori si legano alle molecole dell’odore, un
segnale elettrico viaggia lungo i neuroni fino al cervello dell’insetto, informandolo della presenza dell’odore.
517 settembre 2011
In breve
Il modo in cui le zanzare
distinguono tra tutti gli altri l’odore
del respiro e del sudore umani non è
ancora stato chiarito del tutto.
Gli autori hanno inserito geni della
zanzara nel moscerino della frutta
per creare dei riconoscitori di odori,
e ne hanno testato la sensibilità a
110 molecole odorose. Gli
esperimenti hanno mostrato che un
piccolo insieme di recettori degli
odori nelle zanzare è altamente
specifico per i profumi umani.
Individuare le molecole in grado di
ingannare o bloccare questi recettori
potrebbe portare allo sviluppo di
migliori trappole e repellenti utili
contro la diffusione della malaria.
David Scharf
L
e zanzare hanno un olfatto notevolmente sviluppato.
Difatti, gli insetti che diffondono la malaria nell’Africa subsahariana sono straordinariamente attrezzate per trovare il sangue umano. Individuano l’odore
del respiro e del sudore e infilano con destrezza la loro bocca aghiforme nella pelle dell’obiettivo. Mentre
mangiano, la loro saliva trasmette il parassita della
malaria nella ferita. Possono uccidere con un semplice morso.
Altre zanzare preferiscono specie diverse, come i bovini o gli
uccelli. Altre ancora sembrano persino in grado di selezionare individui specifici all’interno di un gruppo: durante una cena estiva
in terrazza, qualcuno sarà punto senza tregua e altri resteranno indenni. E ci sono zanzare capaci di identificare le loro vittime a oltre 50 metri di distanza.
Capire meglio il sistema olfattivo della zanzara, il modo in cui
riesce a individuare con esattezza l’insieme di molecole volatili tipiche della sua fonte preferita di sangue, può aiutare a mettere a
punto metodi nuovi e più efficaci per mascherare quegli odori, o
a ingannare il radar olfattivo degli insetti. Nel mondo sviluppato,
spesso le zanzare sono solo un fastidio, ma in Africa e in altre aree
provocano quasi un milione di morti soltanto con la malaria.
Noi facciamo parte della schiera di scienziati impegnati nella
lotta contro la malaria. Con nostra gioia, siamo riusciti a ottenere
interessanti risultati nella comprensione di come Anopheles gam-
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i l P R O C E S S O S P ER I M EN TA LE
Un profumo alla volta
Sperimentando uno alla volta molti profumi diversi per ciascuno dei recettori, è stato identificato un piccolo gruppo di recettori olfattivi della
zanzara che risponde con forza agli odori umani.
Molecole
odorose
Recettore
L’elettrodo
rileva un
segnale
Setola
1 Un gene per un recettore olfattivo di
●
zanzara viene trapiantato in un
neurone olfattivo di un moscerino
che non ha quel recettore
Neurone
con gene
trapiantato
Moscerino
della frutta
Segnale
verso il
cervello
2 Il gene spinge il neurone a produrre un tipo di recettore, che si lega solo a
●
Zanzara malarica
cole, rendendo più facile la scoperta di richiami o repellenti nuovi
e più efficaci, e senza usare volontari umani. Zwiebel, per esempio,
sta usando i recettori degli odoranti di A. gambiae cresciuti all’interno di cellule in piastre da laboratorio: alcuni macchinari espongono le cellule a migliaia di composti nel giro di poche ore. Finora Zwiebel ha testato più di 200.000 composti, e oltre 400 di questi
hanno attivato o inibito i recettori. Questi composti saranno ulteriormente studiati, e i migliori verranno testati sul campo.
Confondi i nervi, ferma gli insetti
Tommy Moorman
Le nostre ricerche dei geni dei recettori dell’odore, come quelle oricamente produrre un recettore della zanzara nel moscerino. Ma
di altri, sono andate avanti per anni senza successo, ma nel 1999 è l’esito dell’esperimento era tutt’altro che certo. Le due specie sono
finalmente arrivata la scoperta. In seguito sono stati individuati 60 separate da 250 milioni di anni di evoluzione, e nessuno era sicugeni che codificano per i recettori degli odori nel moscerino. Cono- ro che un gene del recettore di una zanzara funzionasse nel neuroscere la sequenza del DNA di questi recettori ci ha aiutato a capi- ne di un moscerino.
Il nostro sistema sperimentale era collegato a un altoparlante,
re come funzionano. Abbiamo inoltre verificato che la genetica del
sistema olfattivo della drosofila e quella della zanzara sono simili, così quando un neurone olfattivo «sparava» il nostro elettrodo se
ne accorgeva e generava una serie di ticchettii. Quando sperimenper cui studiare l’una aiuta a capire l’altra.
Un risultato fondamentale è arrivato da una D. melanogaster tammo una serie di odoranti sul primo neurone vuoto di moscerino
mutata arrivata per caso nel nostro laboratorio. Nel novembre del riempito dal gene della zanzara, l’altoparlante rimase tristemente
2001 uno di noi (Carlson) tenne un seminario alla Brandeis Uni- silenzioso. Pensammo di aver fallito. Hallem però continuò a teversity, vicino a Boston. Il seminario era su Or22a, il primo recet- stare campioni, e quando arrivò a un composto chiamato 4-metore dell’odore nel moscerino scoperto dal nostro laboratorio. Do- tilfenolo l’altoparlante iniziò a urlare, eccitato quanto noi. Avrempo il seminario, un professore associato della Brandeis si avvicinò, mo poi visto che il 4-metilfenolo, che ha più o meno l’odore di
spiegando di avere un ceppo mutante di drosofila che non aveva un calzino sportivo usato, è uno dei componenti del sudore umail gene per quel recettore e chiedendo se poteva essere utile. Ov- no. Avevamo trovato il modo di capire quali odoranti suscitavano
viamente Carlson rispose di sì, e il giorno dopo portò una provetta una risposta da quali recettori della zanzara, un’informazione che
con i moscerini mutanti lungo la statale 91, fino al nostro labora- ci avrebbe aiutato a capire il modo in cui le zanzare localizzano la
loro preda umana e come interferire con questo processo.
torio a Yale, nel Connecticut.
Forti di questi incoraggianti risultati, scorremmo la letteratura
Uno dei nostri principali obiettivi era determinare quale recettore reagisse a una determinata molecola odorosa. Su ogni neu- sugli odoranti umani e selezionammo 110 composti, tra cui molti
rone ci sono migliaia di recettori ma sono tutti uguali, e ogni tipo che fanno parte del sudore umano, e con strutture molecolari differenti, così da creare un campione molto ampio.
di recettore si lega solo a un piccolo sottoinsieIl controllo
Uno per uno, iniziammo a trapiantare ognuno dei
me di molecole. Neuroni diversi hanno recetto79 possibili geni per i recettori di A. gambiae nei
ri diversi, che si legano a sottoinsiemi differenti.
delle zanzare
neuroni vuoti: 50 recettori si sono dimostrati funDato che i moscerini mutati non avevano il gene
basato
zionanti. Poi testammo l’insieme di 110 odoranti
di uno specifico recettore, pensammo che avrebsui 50 recettori funzionali, ottenendo così più di
bero avuto una sorta di neurone «vuoto», senza
sull’olfatto
5500 combinazioni recettore/odorante.
recettori. Ed era proprio così. Grazie a sofisticarisulta essere
Per questa analisi ad ampio spettro ci sono vote tecniche genetiche sviluppate per lo studio di
D. melanogaster, inserimmo in quel neurone un
meno dannoso luti molti lunghi giorni e altrettante notti. A partire
quei dati, abbiamo identificato numerosi recetgene per un recettore, così da avviarne la produper l’ambiente da
tori che hanno una reazione forte a un solo comzione. Per ogni recettore, potemmo quindi deterdei normali
posto, o al massimo a poche sostanze. Ci interessaminare quale odorante lo attivava. Inserendo sivano questi recettori estremamente selettivi perché
stematicamente ogni recettore per gli odoranti di
insetticidi
avevamo ipotizzato che se la zanzara ha bisogno
D. melanogaster nei neuroni vuoti, uno per volta, ed esponendo il neurone a una serie di composti odoriferi, sco- di cercare una determinata sostanza con un alto grado di sensibiprimmo quali molecole generavano un segnale elettrico in ciascu- lità e specificità – in particolare, una che segnala una fonte di sangue – allora forse esiste un recettore apposito. E abbiamo scoperto
no dei recettori dell’insetto.
Per i successivi tre anni Elissa Hallem, allora a Yale come stu- che la maggior parte dei recettori selettivi reagiscono ai componendentessa, ha fatto esattamente questo, scoprendo che ogni recetto- ti del sudore umano. Per esempio, il primo recettore della zanzare
re risponde a un gruppo limitato di odoranti, e che ogni odoran- messo alla prova da Hallem in un neurone vuoto (quello che avete attiva un sottoinsieme di recettori. Sono risultati simili a quelli va rea­gito così tanto al 4-metilfenolo), si rivelò altamente specifico.
osservati nel sistema olfattivo dei mammiferi. Gli animali, dai mo- Dei 110 composti, erano pochi quelli che eccitavano il recettore con
scerini agli esseri umani, individuano gli odori nello stesso mo- la stessa forza. Un altro recettore specifico reagiva al 1-otten-3-olo,
do: diversi odori attivano diverse combinazioni di recettori. Questa comune nell’odore umano e animale, che attrae con forza molte
strategia aiuta a spiegare come gli animali, comprese le zanzare, specie di zanzare, inclusa Culex pipiens, che popola le nostre case e
possono discriminare nel grande numero di odori che si trovano che può essere il vettore del West Nile virus. Alcune trappole comin natura, senza possedere un recettore dedicato a ogni specifi- merciali per tenere lontane le zanzare dai cortili sfruttano proprio
l’emissione di 1-otten-3-olo.
ca varietà.
I nostri risultati potrebbero accelerare lo sviluppo di repellenNaso da moscerino, naso da zanzara
ti e trappole per zanzare. Il metodo standard per testare i compoDopo aver caratterizzato i geni per i recettori degli odori del sti consiste nel mettere le sostanze nelle trappole per vedere se atmoscerino della frutta, provammo a inserire i geni per i recetto- traggono le zanzare ma, a causa della lentezza del processo, si può
ri della zanzara della malaria nei neuroni vuoti del moscerino. In mettere alla prova solo un numero limitato di molecole. I classici
collaborazione con colleghi di altre università identificammo così esperimenti di laboratorio presentano anche altri problemi. In molti
in A. gambiae, grazie alla ricerca di sequenze di DNA simili a quel- casi, volontari umani ricoprono un braccio di una sostanza e lo inle presenti nella drosofila, una famiglia di 79 geni che potevano seriscono in una teca piena di zanzare: la sostanza che tiene lontaessere i geni per i recettori degli odoranti. Trapiantando uno qual- ne le zanzare dal braccio verrà poi studiata per la produzione. Con
siasi di quei geni in un neurone vuoto del moscerino si poteva te- il nostro approccio si possono testare rapidamente molte più mole-
L’approccio di laboratorio ci permette inoltre di cercare molecole che funzionino da «superattivatori», in grado cioè di confondere i neuroni olfattivi sovreccitandoli finché smettono di funzionare
oppure confondono il cervello della zanzara. Sostanze «confondenti» potrebbero essere rilasciate vicino alle capanne nei villaggi dell’Africa subsahariana, così da impedire alle zanzare malariche
di trovare gli umani che le abitano. In laboratorio è anche possibile identificare sostanze che inibiscono i recettori specifici, bloccando la capacità dell’insetto di individuare un bersaglio. Anche questi
agenti mascheranti potrebbero essere nebulizzati vicino alle capanne o sulla pelle. Inoltre si potrebbero trovare sostanze che le zanzare percepiscono come pericolose. A questo scopo, i nostri colleghi
dell’Università di Wageningen, in Olanda, stanno sperimentando su
A. gambiae alcune delle sostanze identificate con i nostri studi: alcune combinazioni si sono già rivelate molto potenti.
In passato, molti metodi di controllo degli insetti, per esempio
l’uso intensivo del DDT, hanno provocato danni. I metodi di controllo basati sull’olfatto possono essere molto meno dannosi. Una
trappola olfattiva richiede infatti solo una piccola quantità di odore attraente, perché le zanzare sono molto sensibili alla molecola.
Inoltre i composti attrattivi comunemente trovati nel sudore e nel
respiro umani non dovrebbero essere tossici a basso dosaggio. Se
anche si dovessero usare nelle trappole, sarebbero comunque contenuti e non distribuiti a largo raggio.
Il controllo basato sull’olfatto può essere molto più preciso ri-
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molecole odorosi che hanno la giusta forma. Nei test, le molecole
penetrano nei pori in una setola che copre il neurone. Se un recettore si
lega, il neurone invia un segnale al cervello, indicando la presenza
dell’odore; un elettrodo rivela l’attivazione del neurone.
spetto ai normali insetticidi. Il confronto tra i nostri dati sulle zanzare e sui moscerini mostra che i recettori specifici di A. gambiae
reagiscono ai composti presenti nel sudore umano, mentre quelli di D. melanogaster rispondono ai volatili emessi dalla frutta. Si
potrebbero quindi creare miscele di molecole che attraggano preferenzialmente l’insetto desiderato, con un impatto ambientale
decisamente minore. In generale, il controllo degli insetti basato
sull’olfatto dovrebbe essere molto meno dannoso per l’ambiente e
politicamente più accettabile della diffusione indiscriminata di veleni, e se si usasse una miscela di composti invece di una sola molecola, si ridurrebbe il rischio che evolvano zanzare resistenti.
Perché gli strumenti messi a punto con i nostri metodi siano utili nei paesi poveri, devono essere economici. Le trappole che rilasciano anidride carbonica da serbatoi di gas compresso, usate nei
paesi ricchi, sono poco pratiche nelle aree rurali in via di sviluppo.
Inoltre i composti attrattivi e repellenti dovrebbero essere chimicamente stabili nel gran caldo tropicale. È ancora da vedere se riusciremo a soddisfare queste necessità.
Per eradicare la malaria serve un approccio pluralista. Zanzariere e farmaci sempre migliori avranno un ruolo di primo piano, mentre è costante la ricerca di un vaccino efficace. Tuttavia, è
pressante la necessità di strumenti aggiuntivi nell’armamentario
anti-malaria. La manipolazione precisa del comportamento della
zanzara, basato sull’olfatto, potrebbe rappresentare un importante
passo in avanti. Nella lotta contro una malattia che colpisce centinaia di milioni di persone ogni anno, ogni piccolo contributo può
fare la differenza. n
p e r app r o f o n d i r e
Olfactory Regulation of Mosquito-Host Interactions. Zwiebel L.J. e Takken W., in
«Insect Biochemistry and Molecular Biology», Vol. 34, N. 7, pp. 645-652, luglio 2004.
Insects as Chemosensors of Humans and Crops. Van der Goes van Naters W. e
Carlson J.R., in «Nature», Vol. 444, pp. 302-307, 16 novembre, 2006.
Odorant Reception in the Malaria Mosquito Anopheles gambiae. Carey A.F. e altri,
in «Nature», Vol. 464, pp 66-71, 4 marzo, 2010.
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