Molecular logic of pheromone recognition enables rational design of insect behavior modulators

In het hele dierenrijk, van de kleinste insecten tot de grootste zoogdieren, hangt het vinden van een partner vaak af van een stilzwijgend gesprek dat door de wind wordt gedragen. Wezens laten onzichtbare chemische signalen vrij, bekend als feromonen, die door de lucht reizen om anderen van hun soort te vertellen waar ze zijn en dat ze klaar zijn om zich voort te planten. Deze signalen moeten met absolute precisie worden gelezen. In veel gevallen lijken de chemicaliën die door de ene soort worden vrijgegeven bijna exact op die van een andere soort, waarbij ze alleen verschillen door een minuscule verschuiving in hun atomaire structuur, maar toch volkomen verschillende reacties oproepen. Een mannelijk insect kan een geur negeren die chemisch gezien bijna identiek is aan de geur die hij zoekt, of hij kan worden gelokt door een val die het verkeerde signaal nabootst. Voor wetenschappers is het begrijpen van hoe de neus van een dier het verschil ziet tussen twee bijna identieke moleculen een langdurige puzzel geweest. Zonder de specifieke mechanismen te kennen die deze scherpe onderscheidingscapaciteit mogelijk maken, is het moeilijk geweest om nieuwe instrumenten te creëren die het gedrag van insecten betrouwbaar kunnen veranderen, zoals het voorkomen dat plagen partners vinden zonder andere wilde dieren te schaden.

Een team van onderzoekers heeft nu het fysieke mechanisme achter deze voortreffelijke selectiviteit ontdekt, waarbij zij zich richtten op de zijdemot. Door gebruik te maken van een krachtige beeldvormingstechniek die de bevroren structuur van eiwitten vastlegt en te testen hoe specifieke veranderingen aan deze eiwitten hun functie beïnvloeden, ontdekten de wetenschappers dat de mot het geurmolecuul niet simpelweg detecteert zoals een sleutel die in een slot past. In plaats daarvan vormt de sensorische receptor van de mot een unieke, tijdelijke chemische binding met het specifieke feromoon waarvoor hij is ontworpen. Deze binding, een type verbinding waarbij een zwavelatoom in de receptor direct koppelt aan een koolstofatoom in het geurmolecuul, creëert een specifieke vorm die alleen het juiste feromoon kan vormen. De onderzoekers toonden aan dat deze chemische handdruk de beslissende factor is die de mot in staat stelt om een bijna identieke verbinding te negeren die niet in staat is deze binding te vormen. Het is een niveau van specificiteit dat verder gaat dan eenvoudige vormpassing en berust op een reactieve chemische gebeurtenis die alleen plaatsvindt wanneer het juiste molecuul arriveert.

Gewapend met dit begrip van hoe de receptor werkt, gingen de wetenschappers over van observatie naar ontwerp. Ze creëerden nieuwe, kleine moleculen die zijn ontworpen om als vallen te dienen voor deze specifieke chemische binding. Deze synthetische moleculen werden ontworpen om zich vast te klampen aan de actieve plaats van de receptor en een onomkeerbare verbinding te vormen, waardoor het mechanisme effectief wordt geblokkeerd zodat het niet langer op het natuurlijke feromoon kan reageren. Toen deze ontworpen moleculen in een levende omgeving op een veelvoorkomend landbouwongedier werden getest, waren de resultaten onmiddellijk en duidelijk. De insecten die deze moleculen tegenkwamen, verloren hun vermogen om het spoor van een potentiële partner over lange afstanden te volgen. De moten konden het spoor niet langer volgen en hun paringsgedrag werd effectief gestopt. Dit werk demonstreert dat het, door de specifieke chemische logica van hoe een insect een geur herkent te ontcijferen, mogelijk is om rationeel ontworpen luchtgedragen verbindingen te maken die de communicatie verstoren. De bevindingen bieden een duidelijk blauwdruk voor het creëren van gerichte instrumenten om insectenpopulaties te beheren door hun meest fundamentele sociale gedragingen te verstoren.