Lumache cono: evoluzione e applicazioni

Evoluzione delle strategie alimentari nelle lumache cono

Le varie specie di gasteropodi appartenenti alla famiglia Conidae (Conidi) sono apparse per la prima volta circa 55 milioni di anni fa.

Mentre i Conidi ancestrali erano probabilmente cacciatori di vermi, le moderne lumache cono predano una grande varietà di animali: vermi, molluschi e pesci. Come abbiamo visto nello scorso articolo, ogni specie di lumaca cono possiede una miscela unica di peptidi velenosi che vengono utilizzati per catturare le prede e per difendersi.

Il grande successo di questi animali dipende dal fatto che essi si adattano ai nuovi ambienti evolvendo rapidamente la loro “library” di veleni. Questo consente loro di catturare prede che prima potevano essere sconosciute in nuove nicchie ecologiche.

Due modelli di lumache cono

Prendiamo in considerazione due specie modello caratterizzate da due strategie alimentari distinte e applicazioni in campo farmaceutico che possono essere rivoluzionarie. Conus geographus e Conus magus. Entrambe le specie sono cacciatrici di pesci estremamente velenosi (anche per l’uomo).

C. geographus vive nelle barriere coralline ed è una delle specie più velenose appartenente al genere Conus. Caccia durante la notte e possiede denti-arpione lunghi e acuminati. Attraverso la sua strategia di “net-feeding” è in grado di predare altri molluschi (comprese altre specie di lumache cono), vermi, e pesci.

Grazie all’apertura del suo rostro, la lumaca secerne i peptidi velenosi direttamente in acqua. Questo crea nella preda un senso di rilassamento, che purtroppo le risulta fatale.

C. magus si nutre esclusivamente di alcune specie di pesci. Questa specie è forse la miglior rappresentante della strategia “hook-and-line”. La lumaca inizia con la ricerca nelle acque circostanti la preda attraverso il suo sifone; una volta trovata, essa viene “arpionata”, immobilizzata e portata verso l’apertura buccale.

Le cabala

I cacciatori hook-and-line (C. magus) usano due cabala complementari chiamate cabala “fulmine” e “motoria”. La cabala fulmine provoca una rapida paralisi tetanica, mentre la cabala motoria induce una paralisi infiammatoria. Le cabala rappresentano un insieme di conotossine che agiscono in sinergia e colpiscono principalmente i canali ionici di alcuni tipi di cellule.

Al contrario, la “net-feeding” sembra aver sostituito la cabala fulmine con peptidi (ovvero tossine) che smorzano i sistemi neuronali dei pesci. È stato osservato che questi peptidi risultano essere associati all’induzione di sintomi di comatosi nel pesce.

 

Due diverse strategie alimentari a confronto. In alto la strategia “net – feeding” di Conus geographus, in basso la strategia “hook-and-line” di C. magus. © https://www.youtube.com/watch?v=i-fpaFizfIU&ab_channel=AlenaRodriguez

 

E quindi?

In seguito alla scoperta che queste lumache potessero variare la composizione del veleno in base allo stimolo predatorio o difensivo, Dutertre e compagni hanno formulato un’ipotesi inerente all’evoluzione delle strategie alimentari. Infatti, sebbene le lumache a cono utilizzino i loro veleni principalmente per la cattura delle prede, a volte vengono utilizzati per difendersi dai predatori.

Sappiamo che l’utilizzo delle tossine a scopo difensivo è diffuso in tutti i coni. In particolare, quello prodotto da C. geographus può essere mortale per l’uomo. Esso comprende anche cabala motorie, che inizialmente si pensava fossero utilizzate solo per la predazione.

Inoltre, sembra che questa specie abbia sviluppato una strategia difensiva particolarmente aggressiva, scambiando la protezione offerta da un guscio pesante per un veleno difensivo complesso e potente che viene facilmente schierato sotto coercizione.

La compartimentazione della ghiandola del veleno

Tornando a quanto detto prima, l’iniezione diversificata del veleno è facilitata dalla compartimentazione della ghiandola velenosa. Le ghiandole del veleno sezionate hanno infatti mostrato espressione di conotossine predatorie nella parte “distale” ed espressione di conotossine difensive nella parte “prossimale”.

 

In questa immagine vediamo che le prede e i predatori attivano due circuiti neuronali separati nelle lumache cono. Uno stimolo iniziale (predatorio o difensivo) è percepito da recettori sensoriali (visivi, meccanici o sensoriali), i quali trasmettono l’informazione a un ganglio che circonda l’esofago. Da questo ganglio partono due circuiti neuronali: le prede attivano quello blu, che innerva la parte distale del dotto e stimola la produzione di tossine predatorie; i predatori attivano invece il circuito verde, che innerva la parte prossimale del dotto e determina la produzione di tossine difensive. © Fonte

Posiamo lo sguardo sullo schema sottostante. Possiamo vedere come la lumaca cono ancestrale predatrice di vermi usasse un singolo cocktail di veleno sia per la cattura di prede (principalmente) sia per la difesa (in modo secondario). Tuttavia, nel tempo, alcune di queste lumache avrebbero sviluppato una ghiandola velenosa compartimentata che avrebbe facilitato lo sviluppo di veleni difensivi e predatori distinti.

 

L’evoluzione e la specializzazione del dotto della ghiandola del veleno. Da una lumaca cono ancestrale che possedeva una singola combinazione di tossine per caccia e difesa si sono evolute varie strategie alimentari in cui la ghiandola del veleno si è specializzata per produrre due tipi di veleni. © Fonte

 

Di conseguenza…

Questo adattamento avrebbe dovuto consentire un’evoluzione distinta di conotossine predatorie e difensive al fine di facilitare il processo di predazione. Quindi, la compartimentazione della ghiandola velenosa si dovrebbe essere evoluta originariamente nelle specie che predavano vermi, da cui sono poi nate le altre classi dietetiche.

A conferma di questo, in una specie cacciatrice di vermi, Conus planorbis, osserviamo una situazione intermedia, ovvero la presenza di una ghiandola del veleno transitoria in cui i peptidi difensivi sono espressi nelle sezioni centrali.

Esempi in dettaglio

Come già detto, i campi di ricerca per questo genere di molluschi sono molto variegati e fino poco tempo fa abbastanza indipendenti. Oggi si tende a unificare questi campi di ricerca al fine di studiare e proporre ipotesi sul processo di speciazione e diversificazione.

Ad esempio, la recente scoperta di Conoinsuline ha destato grande scalpore nel mondo scientifico. Si tratta di molecole che provocano shock ipoglicemici nei pesci, i quali rimangono immobilizzati.

Conus geographus

La Conoinsulina G1, isolata dal C. geographus, comprende due diverse catene peptidiche, A e B, che sono covalentemente collegate tra di loro da due ponti disolfuro. La cosa impressionante è che la struttura risulta essere più simile all’insulina dei pesci rispetto a quelle tipiche dei gasteropodi, ma la somiglianza si nota anche con le insuline dei mammiferi.

Infatti, come possiamo notare nell’immagine di destra, le due catene si sovrappongono bene, tranne per la catena B che nella Conoinsulina è più breve.

 

A sinistra si vede la struttura della Conoinsulina, a destra è rappresentata invece la sua sovrapposizione con la struttura dell’insulina umana. Le due strutture sono molto simili, tranne che per un segmento di 9 aminoacidi che manca sulla catena B della Conoinsulina.

 

Un articolo, pubblicato solo alcuni mesi fa, ha rivelato delle informazioni molto importanti. I ricercatori hanno osservato che questo conopeptide si lega al recettore dell’insulina umana con moderata affinità e attiva la via di trasduzione dell’insulina molto più velocemente.

Mentre la conoinsulina ha un effetto immediato, l’insulina umana ci mette circa mezz’ora per ridurre i livelli di glucosio nel sangue. Purtroppo, la potenza di questo peptide (che viene usato come veleno dalla lumaca) è minore. Gli studiosi hanno quindi cercato di generare un analogo dell’insulina umana attiva, chiamato Mini-Ins, che incorpora le caratteristiche strutturali della conoinsulina G1.

Nonostante gli studi siano ancora all’inizio, le Mini-Ins ottenute sembrano funzionare bene e potrebbero rappresentare una nuova piattaforma per lo sviluppo terapeutico del diabete.

Conus magus

Sebbene finora meno dello 0,1% del repertorio dei veleni delle lumache cono sia stato caratterizzato dal punto di vista farmacologico, alcuni peptidi hanno raggiunto uno sviluppo clinico.

Un esempio riguarda il primo farmaco sintetizzato con il nome commerciale di Prialt ™, approvato nel 2004 dalla FDA (Food and Drug Administration). Il farmaco è stato prodotto sulla base di una conotossina di C. magus correlata all’algesia (sensibilità al dolore) nel sistema nervoso.

I principali vantaggi di questo farmaco sono l’efficacia analgesica (paragonabile a quello della morfina) e l’assenza di dipendenza. Ma comunque il farmaco presenta una serie di effetti collaterali, specialmente di tipo neuropsichiatrico. Inoltre, la via di somministrazione intratecale pone dei limiti per le applicazioni.

Per questo viene utilizzato esclusivamente nei trattamenti per dolori cronici quando altre terapie analgesiche falliscono o non sono indicate. Il peptide ha un’attività bloccante rispetto i canali del calcio voltaggio dipendenti di tipo N, presenti nel midollo spinale e correlati alla trasmissione della segnalazione nocicettiva. In poche parole: blocca la trasmissione dei segnali di dolore.

Conclusioni

La scoperta del fatto che le lumache cono iniettano in modo diversificato veleni difensivi e predatori è stata molto importante per capire meglio l’evoluzione delle strategie alimentari e delle tossine. Grazie alle varie ricerche svolte in questo ambito siamo in grado di dire che la difesa è un importante “motore evolutivo” per l’origine di nuove strategie (magari con lo scopo di colonizzare nuove nicchie ambientali).

Sappiamo davvero poco sulle origini delle conotossine, questo perché la maggioranza di esse sono piccoli peptidi ricchi di ponti disolfuro e con un rapido tasso di evoluzione.

Nonostante i recenti progressi, per ora le conotossine rimangono una fonte relativamente poco esplorata di candidati terapeutici. Come già detto, i nuovi peptidi mini-Ins potrebbero rivoluzionare il trattamento del diabete.

Erika Heritier

Mi chiamo Erika e sono laureata in Scienze Naturali all'Università di Torino, mentre ora frequento la magistrale in Scienze dei Sistemi Naturali (che fantasia!) e mi diverto a scrivere. Cosa vorrei fare nella mia vita? Far conoscere la natura e le sue mille sfaccettature alle persone, studiose e non. Le scienze della natura sono interessanti, ricche di piccoli segreti e misteri da portare alla luce. Conoscere la natura significa anche rispettarla e migliorare il proprio rapporto con l'ambiente, in modo da cambiare, di conseguenza, la nostra società.

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