Profesor Šobotník a jeho tým ve spolupráci s Akademií věd zkoumali fascinující sebeobětující chování termitů. Tento výzkum, popsaný i v The New York Times, se zaměřil na jedinečný obranný mechanismus dělníků termita Neocapritermes taracua (Termitidae: Neocapritermitinae), kteří se v případě napadení obětují, roztrhne se jim tělo a tím se smísí 2 původně neškodné složky tvořící obrannou lekavou a jedovatou směs. Výzkum poskytuje další důkaz o evoluční historii termitů a jejich jedinečných obranných strategií.
Jak batoh plný modrých krystalů umožňuje termitům otrávit útočníky
Jan Šobotník, Thomas Bourguignon a David Sillam-Dusses se dlouhodobě věnují obranným strategiím termita Neocapritermes taracua, který patří ve Francouzské Guyaně k běžným druhům. Všimli si, že někteří dělníci při manipulaci prasknou, a to samé se děje i při konfrontaci s jiným druhem. Sebevraždy jsou v přirozených podmínkách velmi vzácné, a týkají se především sociálního hmyzu, včetně termitů, nicméně u N. taracua se vyvinul unikátní mechanismus, kdy v labiálních žlázách, které produkují trávicí enzymy (“sliny”), vznikají i granule poměrně neškodné látky, hydrochinonu. Stejně tak na jiném místě těla existuje krystalová žláza, která svými sekrety (modré krystaly) plní na zádech dělníka batoh, tvořený dvěma výrůstky hrudi přes první článek zadečku. Zatímco mladí dělníci jsou efektivní při sběru potravy a do hnízda se z výprav vrací podstatně těžší než jejich starší kolegové, nemají ještě dostatečné množství obranných látek. Právě proto se ochota dělníků obětovat se při konfrontaci se postupně zvyšuje s tím, jak stoupá množství obranných látek v těle, a zároveň klesá jejich pracovní výkonnost.
Modré krystaly jsou tvořeny jediným proteinem, enzymem lakáza BP76, který za svoje jasně modré zbarvení vděčí navázané mědi (metaloprotein). Řadu proteinů lze v roztoku vysrážet do formy biokrystalů, a moderní krystalografické techniky poté dokáží rozkódovat 3D strukturu původního proteinu. Takovýto výzkum obvykle zahrnuje proteiny získané pomocí exprese v genu v laboratorních kmenech kvasinek či bakterií, vzhledem k obtížnosti získání přírodního materiálu. Lakáza BP76 se nedávno stala jedním z prvních proteinů, u nichž byla rozluštěna 3D struktura přírodního materiálu.
První autorka studie, Jana Škerlová, vysvětluje, že termiti dokážou roztrhnout své tělo prudkým stahem svalů, čímž umožní smíchání BP76 se sekrety labiálních žláz. „Reakce probíhá okamžitě,“ říká. „Nejde o žádnou výbušninu jako takovou, ale celá reakce je velmi rychlá a toxická kapalina ze zad termita je vysoce jedovatá a lepivá, a zabije jak dělníka, tak i jeho protivníka.“ „Kamikadze“ chování dělníků termita N. taracua je známé jako autotyze – což doslova znamená sebeobětování. N. taracua však není jediným živočichem, u něhož se vyvinulo sebeobětování. Je dobře známé u včel i mravenců, stejně jako dalších skupin termitů. „U termitů je uvolňovaná látka lepkavá, při kontaktu se vzduchem ztuhne a je schopná částečně či úplně znehybnit či dezorientovat protivníka“ uvedli vědci v publikaci A review of self-destructive behaviour in social insects. Takováto obrana je účinná především proti jiným bezobratlým, ale méně proti obratlovcům.
Podobným způsobem obrany disponuje malajský explodující mravenec Colobopsis explodens, jež dokáže při ohrožení kolonie roztrhnout zadeček a vypustit jasně žlutou, toxickou a lepkavou látku, která má podle National Geographic „nepříjemnou vůni, jež nápadně připomíná kari“ - objev, který zpestří den každému terénnímu biologovi.
Na průběh a podrobnosti výzkumu jsme se zeptali prof. Jana Šobotníka z FTZ na ČZU v Praze.
Délka a průběh výzkumu
- Jak dlouho už se výzkumu Neocapritermes taracua věnujete a co vás původně přivedlo k tomuto tématu?
Celou svou vědeckou kariéru se, paralelně s jinými projekty, věnuji obranným mechanismům termitů. A byl jsem fascinován diverzitou termitů v tropech a dodnes se snažím popisovat nové způsoby obrany termitů a jejich evoluci. Neocapritermes taracua a další vybuchující termity jsem poprvé viděl ve Francouzské Guyaně 2008. Snažili jsme se zjistit mechanismus a funkci sebeobětování u několika dalších druhů, ale nejdále jsme se dostali s N. taracua – má totiž jen samé výhody: Je to velký druh, zcela běžný ve Francouzské Guyaně a také lze najít jeho hnízda a legálně je transportovat do laboratoře v Čechách...
- Jak se postup výzkumu v čase vyvíjel? Byly nějaké významné objevy či zjištění, která posunula výzkum novým směrem?
Stanovili jsme si seznam úkolů, které jsme si s kolegy rozdělili a samozřejmě si vzájemně pomáhali. Během zhruba 3 let jsme měli hotový balík dat z různých biologických a chemických oborů, a z nich jsme poskládali několik publikací. S publikováním Science článku se o naší práci dozvěděla řada kolegů, a s některými z nich jsme potom pokračovali na dalších dílčích otázkách včetně krystalografie… (Tímto zdravím Janu Škerlovou a Pavlínu Maloy Řezáčovou, které odvedly skvělou práci!)
Spolupráce a tým
- Kdo se na tomto výzkumu podílí? Spolupracujete i s odborníky ze zahraničí?
Tato spolupráce vznikla během mých terénních prací s Thomasem Bourguignonem (belgičan, v současnosti vedoucí týmu evoluční genomiky na OIST, Japonsko) ve Francouzské Guyaně, a později s námi začal pracovat David Sillam-Dusses (profesor University Sorbonne Paris Nord, Francie). Na jednotlivých publikacích pak pracovala i řada dalších odborníků na jednotlivé dílčí metody.
- Jakou roli hraje spolupráce s Akademií věd v tomto projektu, a existují další partnerské instituce, které přispěly?
Tuto problematiku jsem začal studovat na ÚOCHB, kde jsem strávil celých 17 let. Stejně tak na přípravě výsledků podílela celá řada dalších institucí a těžko zobecňovat. Jeden příklad za všechny: Po několika neúspěšných pokusech identifikovat DNA sekvenci enzymu BP76 jsme se obrátili na německého kolegu, Heiko Vogela (Max Planck Institute for Chemical Ecology, Jena, Německo), který zkrátka uvěřil našemu nápadu, a pokryl nákladné sekvenování a následně pomohl s psaním publikace (Publikace: Bourguignon T., Šobotník J., Brabcová J., Sillam-Dusses D., Buček A., Krasulová J., Vytisková B., Demianová Z., Mareš M., Roisin Y. & Vogel H. 2016: Molecular mechanism of the two-component suicidal weapon of Neocapritermes taracua old workers. Molecular Biology and Evolution 33: 809-819).
Osobní pohled a hlavní přínos
- Jaký aspekt tohoto výzkumu považujete za nejdůležitější nebo nejpřínosnější pro další výzkum v oblasti sociálního chování hmyzu?
Z širšího úhlu pohledu je, myslím, nejdůležitější „mandible sharpness index“. My jsme totiž už na začátku tušili, že vybuchující termiti jsou ti nejstarší, a proto jsme vymysleli index srovnávající délku ostří kusadla oproti celkové velikosti kusadla, jež se ukázal být přesným měřítkem relativního stáří dělníka. Zde v náš prospěch hrála opět biologie N. taracua, protože zatímco dělníci dřevožravých termitů mají obvykle více instarů, stádií oddělených odvržením staré kutikuly a obnovou ostří kusadel, hlínožraví mají zpravidla jen jeden instar – nepotřebují si totiž kusadla obnovovat, jelikož hlína je ve srovnání se dřevem měkká…
- Co byste rád zdůraznil jako hlavní poznatek nebo přínos vašeho výzkumu pro širší vědeckou komunitu nebo pro společnost?
Termiti jsou užiteční, protože pokud by přestali recyklovat odumřelou rostlinnou hmotu, nové rostliny by neměli z čeho čerpat živiny pro další růst… Termiti jsou, spolu se svými symbiotickými mikroorganismy, nejefektivnějšími rozkladači odolných rostlinných pletiv a tyto biochemické dráhy mají velký potenciál pro budoucí komerční využití. A hlavně, termiti jsou krásní a dokážou překvapit!