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e zanzare hanno un olfatto notevolmente sviluppato. Difatti, gli insetti che diffondono la malaria nellAfri-ca subsahariana sono straordinariamente attrezza-te per trovare il sangue umano. Individuano lodore del respiro e del sudore e infilano con destrezza la lo-ro bocca aghiforme nella pelle dellobiettivo. 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 in-dividui specifici allinterno di un gruppo: durante una cena estiva in terrazza, qualcuno sar punto senza tregua e altri resteranno in-denni. E ci sono zanzare capaci di identificare le loro vittime a ol-tre 50 metri di distanza.

Capire meglio il sistema olfattivo della zanzara, il modo in cui riesce a individuare con esattezza linsieme di molecole volatili ti-piche della sua fonte preferita di sangue, pu aiutare a mettere a punto metodi nuovi e pi 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-

biae, il principale vettore di diffusione del parassita malarico, ri-conosce lodore 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 odoriPer 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 alle-vare in laboratorio e i loro geni possono essere manipolati piutto-sto semplicemente. Li abbiamo quindi usati per rivelare i meccani-smi cellulari e molecolari di base dellolfatto degli insetti; abbiamo poi usato le informazioni cos ottenute in esperimenti pi com-plessi sulle zanzare.

Come le zanzare, i moscerini riconoscono gli odori con le an-tenne 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 allol-fatto. Le molecole odorose si infilano nei pori di queste setole per raggiungere allinterno le molecole che riconoscono gli odori (i re-cettori). Quando i recettori si legano alle molecole dellodore, un segnale elettrico viaggia lungo i neuroni fino al cervello dellinset-to, informandolo della presenza dellodore.

John R. Carlson professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo alla Yale University. Ha studiato le basi molecolari e cellulari dellolfatto 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 allInstitut Pasteur di Parigi.

medicina

Profumodi umanoCapire come fa una zanzara a identificare i suoi obiettivi umani pu aiutare a migliorare le armi contro la diffusione della malaria

di John R. Carlson e Allison F. Carey

L I n b r e v eIl modo in cui le zanzare distinguono tra tutti gli altri lodore del respiro e del sudore umani non 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 sensibilit a 110 molecole odorose. Gli esperimenti hanno mostrato che un piccolo insieme di recettori degli odori nelle zanzare 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.

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Le nostre ricerche dei geni dei recettori dellodore, come quelle di altri, sono andate avanti per anni senza successo, ma nel 1999 finalmente arrivata la scoperta. In seguito sono stati individuati 60 geni che codificano per i recettori degli odori nel moscerino. Cono-scere la sequenza del DNA di questi recettori ci ha aiutato a capi-re come funzionano. Abbiamo inoltre verificato che la genetica del sistema olfattivo della drosofila e quella della zanzara sono simili, per cui studiare luna aiuta a capire laltra.

Un risultato fondamentale arrivato da una D. melanogaster mutata arrivata per caso nel nostro laboratorio. Nel novembre del 2001 uno di noi (Carlson) tenne un seminario alla Brandeis Uni-versity, vicino a Boston. Il seminario era su Or22a, il primo recet-tore dellodore nel moscerino scoperto dal nostro laboratorio. Do-po il seminario, un professore associato della Brandeis si avvicin, spiegando di avere un ceppo mutante di drosofila che non aveva il gene per quel recettore e chiedendo se poteva essere utile. Ov-viamente Carlson rispose di s, e il giorno dopo port una provetta con i moscerini mutanti lungo la statale 91, fino al nostro labora-torio a Yale, nel Connecticut.

Uno dei nostri principali obiettivi era determinare quale recet-tore reagisse a una determinata molecola odorosa. Su ogni neu-rone ci sono migliaia di recettori ma sono tutti uguali, e ogni tipo di recettore si lega solo a un piccolo sottoinsie-me di molecole. Neuroni diversi hanno recetto-ri diversi, che si legano a sottoinsiemi differenti. Dato che i moscerini mutati non avevano il gene di uno specifico recettore, pensammo che avreb-bero avuto una sorta di neurone vuoto, senza recettori. Ed era proprio cos. Grazie a sofistica-te tecniche genetiche sviluppate per lo studio di D. melanogaster, inserimmo in quel neurone un gene per un recettore, cos da avviarne la produ-zione. Per ogni recettore, potemmo quindi deter-minare quale odorante lo attivava. Inserendo si-stematicamente ogni recettore per gli odoranti di D. melanogaster nei neuroni vuoti, uno per vol-ta, ed esponendo il neurone a una serie di composti odoriferi, sco-primmo quali molecole generavano un segnale elettrico in ciascu-no dei recettori dellinsetto.

Per i successivi tre anni Elissa Hallem, allora a Yale come stu-dentessa, ha fatto esattamente questo, scoprendo che ogni recetto-re risponde a un gruppo limitato di odoranti, e che ogni odoran-te attiva un sottoinsieme di recettori. Sono risultati simili a quelli osservati nel sistema olfattivo dei mammiferi. Gli animali, dai mo-scerini agli esseri umani, individuano gli odori nello stesso mo-do: diversi odori attivano diverse combinazioni di recettori. Questa strategia aiuta a spiegare come gli animali, comprese le zanzare, possono discriminare nel grande numero di odori che si trovano in natura, senza possedere un recettore dedicato a ogni specifi-ca variet.

Naso da moscerino, naso da zanzaraDopo aver caratterizzato i geni per i recettori degli odori del

moscerino della frutta, provammo a inserire i geni per i recetto-ri della zanzara della malaria nei neuroni vuoti del moscerino. In collaborazione con colleghi di altre universit identificammo cos in A. gambiae, grazie alla ricerca di sequenze di DNA simili a quel-le presenti nella drosofila, una famiglia di 79 geni che potevano essere i geni per i recettori degli odoranti. Trapiantando uno qual-siasi di quei geni in un neurone vuoto del moscerino si poteva te-

oricamente produrre un recettore della zanzara nel moscerino. Ma lesito dellesperimento era tuttaltro che certo. Le due specie sono separate da 250 milioni di anni di evoluzione, e nessuno era sicu-ro che un gene del recettore di una zanzara funzionasse nel neuro-ne di un moscerino.

Il nostro sistema sperimentale era collegato a un altoparlante, cos quando un neurone olfattivo sparava il nostro elettrodo se ne accorgeva e generava una serie di ticchettii. Quando sperimen-tammo una serie di odoranti sul primo neurone vuoto di moscerino riempito dal gene della zanzara, laltoparlante rimase tristemente silenzioso. Pensammo di aver fallito. Hallem per continu a te-stare campioni, e quando arriv a un composto chiamato 4-me-tilfenolo laltoparlante inizi a urlare, eccitato quanto noi. Avrem-mo poi visto che il 4-metilfenolo, che ha pi o meno lodore di un calzino sportivo usato, uno dei componenti del sudore uma-no. Avevamo trovato il modo di capire quali odoranti suscitavano una risposta da quali recettori della zanzara, uninformazione che ci avrebbe aiutato a capire il modo in cui le zanzare localizzano la loro preda umana e come interferire con questo processo.

Forti di questi incoraggianti risultati, scorremmo la letteratura sugli odoranti umani e selezionammo 110 composti, tra cui molti che fanno parte del sudore umano, e con strutture molecolari dif-

ferenti, cos da creare un campione molto ampio. Uno per uno, iniziammo a trapiantare ognuno dei 79 possibili geni per i recettori di A. gambiae nei neuroni vuoti: 50 recettori si sono dimostrati fun-zionanti. Poi testammo linsieme di 110 odoranti sui 50 recettori funzionali, ottenendo cos pi di 5500 combinazioni recettore/odorante.

Per questa analisi ad ampio spettro ci sono vo-luti molti lunghi giorni e altrettante notti. A partire da quei dati, abbiamo identificato numerosi recet-tori che hanno una reazione forte a un solo com-posto, o al massimo a poche sostanze. Ci interessa-vano questi recettori estremamente selettivi perch avevamo ipotizzato che se la zanzara ha bisogno

di cercare una determinata sostanza con un alto grado di sensibi-lit e specificit in particolare, una che segnala una fonte di san-gue allora forse esiste un recettore apposito. E abbiamo scoperto che la maggior parte dei recettori selettivi reagiscono ai componen-ti del sudore umano. Per esempio, il primo recettore della zanzare messo alla prova da Hallem in un neurone vuoto (quello che ave-va rea gito cos tanto al 4-metilfenolo), si rivel altamente specifico. Dei 110 composti, erano pochi quelli che eccitavano il recettore con la stessa forza. Un altro recettore specifico reagiva al 1-otten-3-olo, comune nellodore umano e animale, che attrae con forza molte specie di zanzare, inclusa Culex pipiens, che popola le nostre case e che pu essere il vettore del West Nile virus. Alcune trappole com-merciali per tenere lontane le zanzare dai cortili sfruttano proprio lemissione di 1-otten-3-olo.

I nostri risultati potrebbero accelerare lo sviluppo di repellen-ti e trappole per zanzare. Il metodo standard per testare i compo-sti consiste nel mettere le sostanze nelle trappole per vedere se at-traggono le zanzare ma, a causa della lentezza del processo, si pu mettere alla prova solo un numero limitato di molecole. I classici esperimenti di laboratorio presentano anche altri problemi. In molti casi, volontari umani ricoprono un braccio di una sostanza e lo in-seriscono in una teca piena di zanzare: la sostanza che tiene lonta-ne le zanzare dal braccio verr poi studiata per la produzione. Con il nostro approccio si possono testare rapidamente molte pi mole- Tom

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cole, rendendo pi facile la scoperta di richiami o repellenti nuovi e pi efficaci, e senza usare volontari umani. Zwiebel, per esempio, sta usando i recettori degli odoranti di A. gambiae cresciuti allin-terno di cellule in piastre da laboratorio: alcuni macchinari espon-gono le cellule a migliaia di composti nel giro di poche ore. Fino-ra Zwiebel ha testato pi di 200.000 composti, e oltre 400 di questi hanno attivato o inibito i recettori. Questi composti saranno ulte-riormente studiati, e i migliori verranno testati sul campo.

Confondi i nervi, ferma gli insettiLapproccio di laboratorio ci permette inoltre di cercare moleco-

le che funzionino da superattivatori, in grado cio di confonde-re i neuroni olfattivi sovreccitandoli finch smettono di funzionare oppure confondono il cervello della zanzara. Sostanze confon-denti potrebbero essere rilasciate vicino alle capanne nei villag-gi dellAfrica subsahariana, cos da impedire alle zanzare malariche di trovare gli umani che le abitano. In laboratorio anche possibi-le identificare sostanze che inibiscono i recettori specifici, bloccan-do la capacit dellinsetto di individuare un bersaglio. Anche questi agenti mascheranti potrebbero essere nebulizzati vicino alle capan-ne o sulla pelle. Inoltre si potrebbero trovare sostanze che le zanza-re percepiscono come pericolose. A questo scopo, i nostri colleghi dellUniversit di Wageningen, in Olanda, stanno sperimentando su A. gambiae alcune delle sostanze identificate con i nostri studi: al-cune combinazioni si sono gi rivelate molto potenti.

In passato, molti metodi di controllo degli insetti, per esempio luso intensivo del DDT, hanno provocato danni. I metodi di con-trollo basati sullolfatto possono essere molto meno dannosi. Una trappola olfattiva richiede infatti solo una piccola quantit di odo-re attraente, perch 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 con-tenuti e non distribuiti a largo raggio.

Il controllo basato sullolfatto pu essere molto pi preciso ri-

spetto ai normali insetticidi. Il confronto tra i nostri dati sulle zan-zare e sui moscerini mostra che i recettori specifici di A. gambiae reagiscono ai composti presenti nel sudore umano, mentre quel-li di D. melanogaster rispondono ai volatili emessi dalla frutta. Si potrebbero quindi creare miscele di molecole che attraggano pre-ferenzialmente linsetto desiderato, con un impatto ambientale decisamente minore. In generale, il controllo degli insetti basato sullolfatto dovrebbe essere molto meno dannoso per lambiente e politicamente pi accettabile della diffusione indiscriminata di ve-leni, e se si usasse una miscela di composti invece di una sola mo-lecola, si ridurrebbe il rischio che evolvano zanzare resistenti.

Perch gli strumenti messi a punto con i nostri metodi siano uti-li nei paesi poveri, devono essere economici. Le trappole che rila-sciano 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 chimica-mente stabili nel gran caldo tropicale. ancora da vedere se riusci-remo a soddisfare queste necessit.

Per eradicare la malaria serve un approccio pluralista. Zanza-riere e farmaci sempre migliori avranno un ruolo di primo pia-no, mentre costante la ricerca di un vaccino efficace. Tuttavia, pressante la necessit di strumenti aggiuntivi nellarmamentario anti-malaria. La manipolazione precisa del comportamento della zanzara, basato sullolfatto, potrebbe rappresentare un importante passo in avanti. Nella lotta contro una malattia che colpisce centi-naia di milioni di persone ogni anno, ogni piccolo contributo pu fare la differenza. n

1 Un gene per un recettore olfattivo di zanzara viene trapiantato in un neurone olfattivo di un moscerino che non ha quel recettore

2 Il gene spinge il neurone a produrre un tipo di recettore, che si lega solo a 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 dellodore; un elettrodo rivela lattivazione del neurone.

Segnale verso il

cervello

Molecole odorose

Recettore

Lelettrodo rileva un segnale

Moscerino della frutta

Zanzara malarica

Neurone con gene

trapiantato

SetolaSperimentando uno alla volta molti profumi diversi per ciascuno dei re-cettori, stato identificato un piccolo gruppo di recettori olfattivi della zanzara che risponde con forza agli odori umani.

Un profumo alla volta

I l P r O C e S S O S P e r I M e n TA l 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.

P e r A P P r O f O n d I r e

Il controllo delle zanzare

basato sullolfatto

risulta essere meno dannoso per lambiente

dei normali insetticidi