Жуки-жужелицы производят едкие химические вещества, которые они распыляют, чтобы защитить себя от хищников, и соединение, которое защищает их тела от этих токсичных веществ, перспективно для использования в биоинженерии или биомедицинских приложениях, согласно исследователям штата Пенсильвания.
Семейство Carabidae представляет чрезвычайно разнообразную линию насекомых, насчитывающую почти 40 000 видов. Одной из черт, которая позволяет им процветать, является уникальная система желез. Он производит, хранит и распространяет токсичные химические вещества, такие как муравьиная кислота, фенолы и концентрированная перекись водорода, чтобы отпугивать насекомых, земноводных и даже мелких хищников-млекопитающих, которые хотят съесть жуков.
Расположенные в брюшной полости пигидиальные железы состоят из долей, производящих защитные химические вещества, которые соединены с мускулистой резервуарной камерой через длинный собирательный канал. У большинства жужелиц этот резервуар открывается протоком на конце брюшка. Ткани, составляющие систему желез и содержащие защитные химические вещества, долгое время оставались загадкой для энтомологов.
«Мы понятия не имели, из чего состоят эти ткани», - сказала Таня Реннер, доцент кафедры энтомологии, чья исследовательская группа в Колледже сельскохозяйственных наук недавно обнаружила, что эластомерный белок резилин позволяет жужелицам быть химиками. мира насекомых. «Они производят более 250 различных соединений, чтобы защитить себя."
Ни одно из предыдущих исследований не показало, как насекомые могут избежать повреждения компонентов железы, вызванного потенциальным стрессом, вызванным сокращениями резервуарного насоса или коррозионным воздействием защитных химикатов, которые они содержат. Тем не менее, используя исследовательский процесс, впервые примененный в предыдущих энтомологических исследованиях в Пенсильвании, - лазерную сканирующую микроскопию на основе автофлуоресценции - исследователи нашли ответ.
Используя этот метод, при котором ткани излучают свет с разной длиной волны в зависимости от их содержимого, исследователи внимательно изучили пенсильванских жужелиц. Они обнаружили, что ткани железистой системы, транспортирующие защитные химические вещества, богаты мягким эластичным резилином - соединением, которое содержится во многих насекомых и других членистоногих. Резилин придает эластичность механически активным тканям, таким как суставы ног блох или шарниры крыльев саранчи. Но ранее не было известно, что резилин присутствует в железистой системе жуков.
Жуки могут разбрызгивать содержимое своей пигидиальной железы на расстояние, во много раз превышающее длину их тела, отметил ведущий исследователь Адам Рорк, докторант энтомологии. Когда пенсильванские жужелицы не защищаются, они дружат с сельским хозяйством, потребляя ежедневно до веса своего тела, поедая таких вредителей, как тля, мотыльки и личинки жуков, а также слизней и улиток..
Рорк собирал жужелиц для исследования, результаты которого были опубликованы сегодня (25 февраля) в журнале Arthropod Structure & Development, на сельскохозяйственных полях в нескольких милях от кампуса Penn State University Park. Он препарировал насекомых и подготовил ткани брюшной полости для сканирования в Центре микроскопии и цитометрии штата Пенсильвания.
Он предположил, что пигидиальные железы жужелиц, богатые резилином, являются ключевой инновацией и эволюционной адаптацией, которая позволила одному из крупнейших семейств животного царства выжить на протяжении веков.
«Хотя для описания морфологии этих желез во многих подсемействах было проделано много работы, было сделано мало работы по составу их ткани», - сказал он.«Наши результаты имеют решающее значение для понимания не только того, как эти структуры развивались, но и того, как они выдерживают нагрузку, связанную с сдерживанием и выбросом цитотоксических химических веществ».
Помимо продвижения понимания состава тканей насекомых, Реннер считает, что резилин - это соединение, которое, вероятно, будет использоваться в будущих биоинженерных и биомедицинских приложениях из-за его необычных свойств. Она объяснила, что в настоящее время ученые проявляют интерес к соединениям, которые производят насекомые и пауки, потому что эти структуры эволюционировали и доказали, что они достаточно прочны, чтобы выдерживать нагрузки в реальном мире.
"Они стойкие и часто лучше, чем синтетические", сказала она. «Поскольку резилин является непроницаемым, высокоустойчивым к химическим веществам и гибким, он является сильным кандидатом на роль барьерного материала в приложениях, где нам нужно держать два разных химических вещества на расстоянии друг от друга, но в одной и той же среде».
Еще одно потенциальное применение - тканевая инженерия, добавил Рорк. Резилин имеет много общего с эластином, белком, обнаруженным в организме человека, и может быть использован для создания новых тканей для людей с дегенеративными заболеваниями или травмами.
"Не только инфраструктура, но и персонал, доступный для студентов, настолько необычен - это то, что делает энтомологию штата Пенсильвания такой особенной."