Gli insetti come fonte di molecole utili

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1 Seminari UTAGRI-ECO 2011 Gli insetti come fonte di molecole utili R. Moretti Gruppo Entomologia Applicata: Biotecnologie Entomologiche

2 La ricerca di nuove molecole utili Obiettivi Impiego medico veterinario e fitosanitario (farmaci, insetticidi, repellenti, attrattivi, scienza dei materiali) Fonti Piante, microrganismi Insetti (artropodi in generale) Biodiversità elevatissima

3 Insetti come fonte di nuove molecole utili Vantaggi e svantaggi Alta specificità (lunga evoluzione, rapida selezione) Alta biodegradabilità in confronto ai pesticidi chimici ma resistenti alla degradazione rispetto ad altre biomolecole Tossicità bassa o nulla nei confronti di cellule di mammiferi Difficoltà di estrazione e purificazione delle molecole

4 Insetti come fonte di nuove molecole utili Applicazioni Farmaci: antibiotici, antivirali, antitumorali, immunomodulatori, anestetici, anticoagulanti Molecole in grado di compromettere sopravvivenza, sviluppo, riproduzione di insetti dannosi Attrattivi o repellenti per insetti dannosi Proteine di varia utilità (anticongelanti)

5 Insetti come fonte di nuove molecole utili Possibili fonti Interazioni con altri organismi Molecole ad attività intra e interspecifica Interazioni con l ambiente Molecole a funzione adattativa o coadiuvanti per sfruttamento ambiente Fisiologia Molecole regolatrici funzioni vitali, crescita, sviluppo, riproduzione, sistema immunitario

6 Insetti come fonte di nuove molecole utili Interazioni intraspecifiche C. capitata Feromoni sessuali, aggreganti Molecole attrattive per innesco trappole Api Aphidae Fuga, modificazioni comportamentali o fisiologiche Feromoni d allarme, innescanti

7 Insetti come fonte di nuove molecole utili Interazioni con altri organismi: Repellenti Modello per lo sviluppo di repellenti specifici contro gli insetti Antibiotici Reduviidae Antimicotici

8 Insetti come fonte di nuove molecole utili Interazioni con altri organismi: Veleni (offensivi, difensivi) Secrezioni difensive Paederus Attività antitumorale Monomorium Secrezioni offensive Insetticidi Antibiotici

9 Insetti come fonte di nuove molecole utili Secrezioni di insetti ematofagi Secrezioni ad azione: anestetica immunomodulante vasodilatante anticoagulante

10 Insetti come fonte di nuove molecole utili Interazioni con l ambiente Molecole in grado di favorire adattamento a condizioni ambientali Molecole che favoriscono sfruttamento dell ambiente colle molecole irritanti antibiotici antimicotici

11 Insetti come fonte di nuove molecole utili Fisiologia degli insetti Secrezioni di organismi simbionti: azione regolatrice riproduzione (Wolbachia) azione detossificante enzimi Secrezioni interne: proteine regolatrici, trasportatrici, enzimi ormoni regolatori fisiologia e sviluppo sistema immunitario, nervoso* Antibiotici naturali contro Staphylococcus aureus ed Escherichia coli * Lee S, Duce I, Atkins H, Khan N. Cockroaches and locusts: physicians answer to infectious diseases. Int. J Antimicrob. Agents 2011 Mar; 37 (3):

12 Insetti come fonte di nuove molecole utili Sistemi ospite - parassitoide sistemi di regolazione ospite-parassitoide Interazione a livello organismico insetto-insetto Interazione a livello molecolare Molecole introdotte - organismo bersaglio

13 Insetti come fonte di nuove molecole utili Sistemi ospite - parassitoide sistemi di regolazione ospite-parassitoide Isolamento ed identificazione polipeptidi coinvolti Estrazione RNA geni espressi Identificazione gene codificante Clonazione in un vettore Produzione molecola utile e applicazione

14 Fattori che possono mediare l interazione con gli ospiti Fattori attivi Effetti sull ospite Veleno Proteine ovariche PDVs Fattori embrionici Fattori larvali Uccisione Paralisi Controllo sistema endocrino Controllo sistema immunitario Controllo metabolismo Castrazione

15 Strategie Applicative Occorre mettere a punto strategie applicative opportune per consentire l espressione di molecole utili nell emocele degli insetti Espressione in patogeni specifici degli insetti Patogeni ad azione insetticida potenziata Espressione in pianta Piante resistenti agli insetti Alta specificità ed ecocompatibilità Produzione di bioinsetticidi Microcapsule bioerodibili

16 ...Un esempio dell approccio Molecular and functional analysis of Eupelmus urozonus Dalman (Hymenoptera: Eupelmidae) venom Progetto di collaborazione (finanziato durante PON INAGRIMED) Project Supervisor: Francesco Pennacchio

17 Eupelmus urozonus Dalman (Hymenoptera: Eupelmidae) INTRODUCTION Idiobiont solitary ectoparasitoid Superfamily Chalcidoidea Palearctic distribution Wide range of hosts Hyperparasitoid, autoparasitoid

18 A very wide range of hosts INTRODUCTION Bactrocera oleae (Diptera: Tephritidae) Urophora stylata (Diptera: Tephritidae) Cynips divisa (Hymenoptera: Cynipidae) Diprion pini (Hymenoptera: Diprionidae) Phloeotribus scarabeoides (Coleoptera: Scolitidae) About 200 reported hosts Prays olea (Lepidoptera: Yponeumetidae) Pissodes castanues (Coleoptera: Curculionidae) Aonidiellla aurantii (Hemiptera: Diaspididae) Cydia pomonella (Lepidoptera: Tortricidae) Limantria dispar (Lepidoptera: Limantridae)

19 INTRODUCTION Eupelmus urozonus Dalman (Hymenoptera: Eupelmidae) Hosts attacked by E. urozonus are paralysed In E. orientalis host paralysis is induced by the injection of venoms produced by both adults and larvae Among E. urozonus hosts we have pests of enormous economic importance, such as Bactrocera oleae and Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae), which could be important targets of venom-derived insecticide molecules

20 INTRODUCTION Overall Project Aim Identification and characterization of bioactive proteins occurring in the venom of the parasitoid Eupelmus urozonus

21 Specific objectives Objective 1: Study of host regulation effects by E. urozonus venom and larval secretions Objective 2: Molecular characterization of bioactive components of E. urozonus venom Objective 3: Isolation of the genes encoding the main active proteins of E. urozonus venom

22 Major Conclusions Both E. urozonus adult females and first instar larvae produce a potent venom capable to induce host paralysis The active components in adult female venom are proteins inducing paralysis in 100% of the microinjected hosts at a concentration lower than 0.1 female equivalents The fractionation of E. urozonus venom coupled with activity assays allowed to identify two proteins of about 50 and 55 kda to which we can attribute the paralyzing effect evidenced by the whole venom extract kda P55 P50

23 Major Conclusions N-terminal region of the above proteins has been sequenced P50: Val Pro Ala Lys Lys Pro Val Leu Ile Ile Gly P55: Glu Pro Ile Leu Ala Asp Val Leu Gly Xxx Phe-Ile A cdna library from mrna expressed in E. urozonus venom glands was successfully constructed using the vector λtriplex2 Analysis of the cdna library with degenerated oligonucleotides obtained from the P50-P55 aminoacidic sequence is in progress

24 Further Research Identification and cloning of the gene encoding the proteins of E. urozonus venom inducing host paralysis Test specific enzimatic functions of E. urozonus venom Ascertain the nature and origin of the subspherical granules accumulated in host hemolymph following envenomation Identification of the antibiotic factor possibly present in E. urozonus venom

25 Insetti come fonte di nuove molecole utili Prospettive Prosecuzione attività su Eupelmus urozonus Studio di altri sistemi ospite-parassitoide per ottenere molecole in grado di condizionare sviluppo, riproduzione o sopravvivenza di insetti dannosi o pericolosi Studio fisiologia di insetti adattati a condizioni estreme per selezionare molecole potenzialmente utili (per adattamenti a scarsa disponibilità ossigeno, sbalzi di salinità, estremi di variazioni termiche)

26 Ringraziamenti UniBas (Potenza) Franco Pennacchio Patrizia Falabella UTBIORAD-MED (ENEA, Casaccia) Alessandra Pasquo, Angiola Desiderio Mariasole Di Carli Luca Nardi Grazie per l attenzione!