11 декабря 2014 на сайте журнала Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья с описанием результатов исследования конфигурации феромонов насекомых, то есть веществ, участвующих в химической коммуникации. Мы попросили прокомментировать это исследование кандидата биологических наук Варвару Веденину.

Что произошло

Авторы выделили 36 веществ особого строения из кутикулы 20 видов насекомых из 9 отрядов. Эти вещества называются алканы с боковой метильной группой (methyl-branched cuticular hydrocarbons, MBCHs). У всех выделенных соединений была определена химическая конфигурация. Оказалось, что все они без исключения являются оптически правыми изомерами независимо от положения метильной группы и длины цепи. Такой результат может говорить, с одной стороны, о высоком консерватизме процессов биосинтеза в пределах класса насекомых, с другой стороны, это может быть свидетельством сходных функций этих MBCHs. Примечательно, что на сегодняшний день лишь для одного из этих веществ известна функция (3-метилпентакозан, контактный феромон жука-усача Xylotrechus colonus), тогда как функция остальных MBCHs неизвестна.

Предыстория

Хорошо известно, что насекомые активно используют химические сигналы в межвидовой и внутривидовой коммуникации. Причем химическая коммуникация используется не только на расстоянии, когда, например, особи одного пола способны воспринимать летучие феромоны особей другого пола и находить друг друга по запаху. При непосредственном контакте насекомые используют нелетучие или контактные феромоны, которые представляют собой смесь углеводородов, входящих в состав кутикулы (cuticular hydrocarbons, CHCs). Это в основном ациклические насыщенные CHCs, или алканы, имеющие линейное или разветвленное строение, и ненасыщенные CHCs, или алкены, в молекулах которых имеются двойные или тройные связи между атомами углерода. Считается, что исходная функция CHCs — защита насекомых от высыхания. Эта особенность во многом способствовала освоению насекомыми засушливых районов. Коммуникативная роль CHCs, скорее всего, вторична, но чрезвычайно важна. У очень многих видов насекомых CHCs используются в распознавании вида и при выборе брачного партнера. Среди общественных насекомых состав CHCs также важен при различении особей своего и чужого гнезда, распознавании касты, а также для контроля королевой рабочих и репродуктивных каст собственного гнезда.

Необходимо заметить, что практически у всех насекомых углеводородный состав кутикулы очень сложен и порой включает в себя более 100 веществ. Многие исследователи анализировали углеводородный состав у разных видов и пытались найти CHCs, имеющие тот или иной биологический смысл. Для анализа CHCs используют обычно метод хроматографии — химический метод, основанный на распределении компонентов между двумя фазами: подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость (в случае жидкостной хроматографии) или газ (в случае газовой хроматографии), протекающих через неподвижную фазу, иногда под давлением. Компоненты анализируемой смеси передвигаются вместе с подвижной фазой в стеклянной или металлической трубке, называемой колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, оказываются в нижней части колонки.

Однако выяснилось, что по ряду причин вычленить отдельные CHCs не очень просто. Во-первых, эти вещества имеют сходную полярность, поэтому они неразделяемы с помощью стандартной жидкостной хроматографии с использованием обычного силикагеля. Во-вторых, вещества очень гидрофобны, поэтому нерастворимы в тех растворителях, которые обычно используются в хроматографии. В принципе, многие CHCs можно выделить с помощью газовой хроматографии, но этот метод требует большого искусства, так как он используется для разделения лишь термостабильных соединений.

Химики и энтомологи из Калифорнийского университета предложили использовать для выделения CHCs метод обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов, что позволяет разделять сложные смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа — 3–30 минут). Обращенно-фазовая ВЭЖХ подразумевает неполярную стационарную фазу и полярные растворители; однако авторы исследования использовали неводные растворители. В этом случае CHCs можно разделять на основании длины цепи молекул, наличия или отсутствия двойных связей и степени ветвления цепи. Исследователи сконцентрировали свое внимание не на всех углеводородах, а лишь на алканах с боковой метильной группой, MBCHs. Дело в том, что у этих веществ есть особенность: они существуют в двух и более стереоизомерных формах. До сих пор оставалось неясно, какие именно стереоизомеры встречаются у насекомых и различают ли вообще насекомые эти вещества по пространственной конфигурации.

Перспективы

Идентификация MBCHs у разных видов насекомых открывает широкую дорогу для дальнейших исследований роли углеводородов в коммуникации насекомых. Дело в том, что феромоны и кутикулярные углеводороды способны очень быстро меняться в процессе эволюции. Учитывая тот факт, что между молодыми видами часто имеется лишь поведенческая изоляция, основанная на различиях в брачных сигналах, знания о структуре и функции MBCHs могут лучше понять механизмы видообразования насекомых.