Een vlieg doet zijn werk, zoemt hier, zoemt daar – maar dan begint hij zich vreemd te gedragen. Zijn bewegingen worden traag en zijn buik zwelt op. Zijn lichaam produceert witte pluisjes.
Rond zonsondergang is er een plotselinge bewegingsbeweging wanneer de vlieg naar een verhoogde locatie klimt (of 'toppen'), zoals de top van een kleine plant of een stok, en zijn monddelen uitstrekt. Hij spuugt een plakkerig slijk uit dat hem stevig aan zijn zitstok hecht, waarna hij zijn vleugels optilt en sterft.
Beneden worden andere nietsvermoedende vliegen getroffen door een regen van witte sporen die uit het lijk van de dode vlieg schieten. En de cyclus begint helemaal opnieuw.
Het witte spul dat deze vliegen overspoelt, wordt een schimmel genoemd Entomophthora muscaewat zich vertaalt naar “vernietiger van insecten.” Het is een verplichte ziekteverwekker – volledig afhankelijk van zijn gastheer – die infecteert vliegt en verandert ze in ‘zombies’ die zijn wil uitvoeren.
Meer dan 160 jaar geleden ontdektzijn de acties van de schimmel even verbijsterend als macaber. Wetenschappers vragen zich al lang af: hoe slaagt de schimmel erin de vliegen onder controle te houden? brein? Hoe ‘weet’ het dat het op een specifiek tijdstip van de dag moet gebeuren? Welke genen in zijn genoom helpen hem een meestermanipulator te worden?
Tegenwoordig begint een reeks experimenten de wetenschap achter deze griezelige geestcontrole te ontrafelen.
Fatale necrofilie
Henrik H. De Fine Licht, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Kopenhagen, is een van de weinige mensen ter wereld die werkt met ‘zombie’-huisvliegen, Musca domestica. Hoewel hij aanvankelijk aangetrokken werd tot de schimmel E. muscae omdat hij obligate ziekteverwekkers wilde bestuderen, “was ik natuurlijk ook gefascineerd door de aspecten van gedragsmanipulatie en hoe dat werkt”, zegt hij.
Die details zijn als voer voor een horrorfilm. Nadat de schimmel de vlieg heeft geïnfecteerd, gaat deze niet rechtstreeks naar de vitale organen, maar begint eerst vetten en andere voedingsstoffen te consumeren, waardoor de vlieg geleidelijk wordt uitgehongerd maar in leven wordt gehouden. Pas als hij geen niet-vitale organen meer heeft om op te kauwen, begint hij het gedrag van de vlieg te controleren en zo de continuïteit ervan te garanderen: door de vlieg te dwingen een bepaalde hoogte te zoeken en daar vast te komen te zitten, zorgt hij voor een brede verspreiding van zijn sporen.
De Fine Licht was vooral geïntrigeerd door berichten waarin werd beschreven hoe de schimmel ontstond manipuleert vliegen door vrouwelijke vliegenkarkassen aantrekkelijk te maken voor gezonde mannetjes. De mannetjes vliegen naar binnen en proberen te paren met de geïnfecteerde kadavers – en raken prompt zelf besmet. Om de aard van deze fatale attractie te onderzoeken, hebben De Fine Licht en zijn team geïnfecteerde en niet-geïnfecteerde vliegenkarkassen vermalen om chemicaliën te extraheren en te analyseren en de lucht rond de kadavers te analyseren. Ze meldden in 2022 dat de schimmel geeft vluchtige chemicaliën vrij die de mannetjes naar binnen lokken.
Het is echter niet helemaal duidelijk of de vluchtige stoffen mannelijke vliegen aantrekken met de belofte van seks of voeding, zegt De Fine Licht. Een werkhypothese is dat ze misschien gewoon aangetrokken worden omdat ze denken dat het voedsel is. “Maar als ze dichtbij komen, beginnen ze wat minder vluchtige verbindingen van de kadavers te ruiken – en dat lokt seksueel gedrag uit.”
Annette Jensen, organismebioloog aan de Universiteit van Kopenhagen, merkte ook iets intrigerends op aan de manier waarop andere insecten reageerden op de geur van dode vliegen. Zij en een van haar studenten ontdekten dat de oorworm – een insect dat zich voedt met andere insecten – wordt aangetrokken door de sporenvormende vliegenkadavers die zijn geïnfecteerd door E. muscae en geeft er de voorkeur aan zich ermee te voeden boven niet-geïnfecteerde kadavers of kadavers die besmet zijn met andere soorten schimmels. De wetenschappers kwamen tot hun conclusies na het uitvoeren van experimenten waarbij oorwormen tussen twee soorten kadavers werden geplaatst en konden selecteren naar welke ze moesten verhuizen.
'Misschien is er iets met de vluchtige stoffen Entomophthora muscae dat trekt ook roofdieren aan”, zegt Jensen, die er een overzicht van heeft geschreven schimmels die pathogeen zijn voor insecten in de Jaaroverzicht van de entomologie. “Het is waarschijnlijk super voedzaam!”
Fruitvliegjes komen op de lijst van het slachtoffer
Het meeste onderzoek naar zombievliegen heeft zich geconcentreerd op huisvliegen, maar de moleculair bioloog en zombioloog van Harvard, Carolyn Elya, richtte haar onderzoek op fruitvliegjes nadat ze toevallig enkele zombified exemplaren in haar achtertuin had ontdekt toen ze promovendus was aan UC Berkeley. Ze had rot fruit uitgezet als aas voor het vangen van wilde fruitvliegjes voor experimenten en was verrast toen ze enkele dode fruitvliegjes zag met hun vleugels omhoog in die veelbetekenende houding, met witte pluizige sporen op hun buik. Ze analyseerde snel wat DNA uit de sporen en bevestigde haar vermoeden: deze fruitvliegjes waren het slachtoffer van E. muscae.
Elya begon te infecteren Drosophila melanogastereen beproefd laboratoriummodel dat onderzoekers over de hele wereld al meer dan een eeuw bestuderen. Hiermee E. muscae-D. melanogaster systeemwil ze graag de machtigen benutten Drosophila genetische toolkit en bestudeer het vliegenbrein om te begrijpen hoe de schimmel zijn manipulatie uitvoert.
In een rapport uit 2023 toonden Elya en haar collega’s aan dat de schimmel iets zou kunnen afscheiden in het ‘bloed’ van de vlieg – de hemolymfe – dat helpt bij het manipuleren van vliegneuronen. Toen ze de hemolymfe van geïnfecteerde vliegen in niet-geïnfecteerde vliegen injecteerde, begonnen deze zich te gedragen alsof ze zombified waren.
Elya ontdekte ook dat de circadiane neuronen van de vlieg – degenen die hem helpen het dagelijkse ritme bij te houden – mogelijk betrokken zijn bij het tijdgevoelige hoogtezoekgedrag. Het tot zwijgen brengen van specifieke sets van deze neuronen in de hersenen remde de topactiviteit bij de geïnfecteerde vliegen.
Elya wil deze mind control ook begrijpen vanuit het perspectief van de schimmel – en met dat doel voor ogen hebben zij, De Fine Licht en anderen onlangs de enorme volgorde E. muscae genoom. Door zich te concentreren op de soort die fruitvliegjes infecteert, meldden de wetenschappers dat ze genen hadden gevonden die vergelijkbaar zijn met de zogenaamde witteboorden 1met instructies voor het maken van een blauwlichtsensor in een mal genaamd Neurospora crassa. In N. crassa, witteboorden 1 speelt een rol in circadiane ritmes – en daarom veronderstellen de wetenschappers dat dit gen mogelijk betrokken is bij het bepalen van de precieze timing van het topgedrag van geïnfecteerde vliegen rond zonsondergang, gevolgd door hun dood.
De wetenschappers ontdekten ook veel genen die de schimmel kunnen helpen de weefsels en voedingsstoffen van de vlieg volledig te benutten. Deze omvatten gespecialiseerde genen die coderen voor trehalase-enzymen, die trehalose, de primaire suiker in hemolymfe, verteren; eiwitten zoals chitinases die chitine in het exoskelet van de vlieg afbreken; en lipasen, die vetten afbreken.
“Dat is logisch, toch? Omdat deze schimmels zeer gespecialiseerd zijn in de manier waarop ze hun gastheren gebruiken – niet door ze eerst te doden en ze later op te eten, wat een strategie is die door veel generalistische ziekteverwekkers wordt gebruikt – maar in plaats daarvan groeien ze in de insecten,” zegt Elya. „Het is belangrijk om specifiek elk laatste weefsel in hun gastheer te kunnen targeten.“
De zoektocht naar meer aanwijzingen gaat door, waarbij onderzoekers verder gaan dan het statische genoom en de RNA-kopieën van genen bestuderen die worden gemaakt wanneer specifieke genen actief zijn. In een onderzoekspaper dat nog moet worden beoordeeld door collega's, hebben Sam Edwards, een postdoctoraal onderzoeker aan de Wageningen Universiteit in Nederland, De Fine Licht, en collega's rapporteerden hun analyse van het RNA in huisvliegkoppen op verschillende tijdstippen na een E. muscae infectie. Door uit te zoeken welke vlieg- en schimmelgenen actief waren in de kop van de vlieg, hoopten ze een glimp op te vangen van hoe de schimmel het gedrag van de vlieg manipuleert.
Het team ontdekte de activiteit van een schimmelgen dat vergelijkbaar is met het zogenaamde schimmelgen bijv dat aanwezig is in bepaalde zombificerende virussen. Deze virussen, zoals E. muscae, dwingen hun besmette slachtoffers – in dit geval rupsen – om naar hoge locaties te verhuizenen in een beweging die gruwelijker is dan die van hun schimmel-tegenhangers, zorgen ervoor dat de rupsen smelten en de onderliggende virusdeeltjes vrijgeven. De bijv gen speelt een rol bij dit virus-geïnduceerde rupstopgedragdus de onderzoekers willen nu weten of het gen erin zit E. muscae is de sleutel tot het veroorzaken van topvorming bij geïnfecteerde vliegen.
In een verdere wending worden zowel de preprint van De Fine Licht als een recente studie van UC Berkeley waar Elya co-auteur van was vind dat E. muscae werkt mogelijk niet alleen. De schimmel lijkt besmet te zijn met een virus terwijl het tegelijkertijd huisvliegen en fruitvliegen parasiteert. Of dit virus de schimmel helpt de vlieg onder controle te houden, valt echter nog te bezien.
Elya, De Fine Licht en anderen willen allemaal nog steeds weten hoe de schimmel begint te manipuleren. Eén hypothese is dat E. muscae geeft direct een chemische stof vrij die de neuronen activeert die betrokken zijn bij het topgedrag van de vlieg. Een andere hypothese is echter dat de allesverslindende aanwezigheid van de schimmel en de daaruit voortvloeiende fysiologische veranderingen in de vlieg de eigen neuronen van de vlieg ertoe aanzetten chemicaliën vrij te geven om het proces op gang te brengen.
De Fine Licht wil graag dat het zombievlieg-schimmelsysteem op scholen wordt onderwezen om jongere wetenschapsliefhebbers aan te trekken. Hij en Edwards hebben onlangs instructies gepubliceerd over hoe je de zombificerende schimmel in het laboratorium kunt observeren. “Het zou leraren op middelbare scholen en anderen kunnen aanmoedigen om dit uit te proberen als ze dat willen”, zegt De Fine Licht.
Een deel hiervan omvat het verzamelen van vliegenkadavers uit het veld en het isoleren van de schimmel daaruit.
“Of je kunt in het laboratorium proberen enkele gezonde vliegen te infecteren door ze samen met het kadaver te leggen”, zegt De Fine Licht. “Dat is misschien wel het leukste, toch? Ik probeer het zombiegedrag in een klein doosje te observeren.”
Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Bekend tijdschrifteen onafhankelijk journalistiek initiatief van Annual Reviews. Schrijf je in voor de nieuwsbrief.