Od karnawału w Rio de Janeiro po ramiona piratów: papugi są synonimem koloru dla ludzi na całym świecie. W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science naukowcy z Uniwersytetu w Hongkongu wraz z międzynarodowym zespołem kierowanym przez naukowców z BIOPOLIS-CIBIO (Portugalia) po raz pierwszy odkrywają „przełącznik” w DNA papug, który kontroluje ich życie. szeroka gama kolorów.
„Papugi są ptakami wyjątkowymi pod wieloma względami, w tym pod względem różnorodności kolorów” – zaczyna profesor Simon Yung Wa Sin, współautor z Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu w Hongkongu (HKU).
„Papugi robią swoje, jeśli chodzi o kolor” – dodaje dr Roberto Arbore z BIOPOLIS-CIBIO i współpierwszy autor badania. Chociaż inne ptaki również wytwarzają żółte i czerwone pióra, papugi wyewoluowały unikalne pigmenty, zwane psittakofulwinami (od starożytnego greckiego „psittakós” oznaczającego papugę i łacińskiego „fulvus” oznaczającego czerwono-żółty). „Papugi łączą je z innymi pigmentami, tworząc żywe żółcie, czerwienie i zielenie, dzięki czemu te zwierzęta należą do najbardziej kolorowych w naturze” – wspomina.
Papugi są pospolitymi zwierzętami domowymi w milionach domów na całym świecie i są cenione za swój kolor i inteligencję. Jednak pomimo całej ich błyskotliwości nie było dobrze rozumiane, w jaki sposób ptaki te wyewoluowały unikalny sposób tworzenia swojej palety kolorów. „To wielka tajemnica zarówno dla naukowców, jak i miłośników ptaków” – wyjaśnia profesor Miguel Carneiro, starszy autor z BIOPOLIS-CIBIO, i dodaje: „i wiąże się to z kluczowym pytaniem dla całej biologii: w jaki sposób powstaje różnorodność w przyrodzie ?”
Aby odpowiedzieć na tak fundamentalne pytanie, naukowcy zaczęli od wykazania, że we wszystkich głównych liniach papug żółte i czerwone pióra odpowiadają dwóm specyficznym pigmentom, które nie występują u innych ptaków. „Chociaż w literaturze pojawiały się pewne wzmianki o istnieniu dwóch postaci chemicznych psittakofulwiny, początkowo po raz pierwszy w historii trudno było nam uwierzyć w to, co widzieliśmy w wynikach – obok siebie, wyraźnie jak słońce. Dopiero dzięki danym genetycznym wszystko zaczęło mieć sens” – mówi dr Jindřich Brejcha z Wydziału Nauk Naukowych Uniwersytetu Karola w Pradze, kolejny współautor.
Aby kopać głębiej, naukowcy skupili się na gatunku o naturalnie występujących formach czerwonych lub żółtych, co jest zjawiskiem niezwykle rzadkim w przyrodzie. „Lory ciemne występują naturalnie w dżunglach Nowej Gwinei, ale musieliśmy tylko przejechać kilka kilometrów od naszego laboratorium w Portugalii, ponieważ lokalni certyfikowani hodowcy pomogli nam zdobyć próbki do zbadania genetyki ubarwienia tego gatunku” – wspomina Pedro Miguel Araújo z Uniwersytetu w Coimbrze, który był współkierownikiem badań, dodał: „Rozwiązanie naszego badania było prawie tuż obok!”
Naukowcy odkryli, że tylko jedno białko kontroluje różnicę barwy lory, rodzaj dehydrogenazy aldehydowej (ALDH), niezbędne „narzędzia” detoksykacji w złożonych organizmach – na przykład przyczyniają się do eliminacji alkoholu w wątrobie człowieka . Dr Soraia Barbosa, także współpierwsza autorka z BIOPOLIS-CIBIO, wyjaśnia: „Pióra papug znalazły sposób na „pożyczenie” tego białka i wykorzystanie go do przekształcenia czerwonych w żółte psittakofulwiny”. Zdaniem naukowca „Działa to jak tarcza, w której wyższa aktywność białka przekłada się na mniej intensywną czerwoną barwę”.
Aby zrozumieć ogólną rolę tego białka w kontrolowaniu koloru upierzenia u innych gatunków papug, naukowcy zbadali inną papugę, gołąbki różowawe, gatunek, który ma zarówno zielone (tj. żółte zawierające psittakofulwinę), jak i czerwone plamy upierzenia. „Nierozłączka o różowej twarzy to znajoma papuga, która stanowi doskonały system do badania genów określających różnicę w kolorze między czerwonymi i żółtymi plamami upierzenia zawierającymi psittakofulwinę” – wspomina Simon Yung Wa Sin, który kierował zespołem ze Szkoły Nauk Biologicznych w HKU, w tym dr Alison Cloutier i asystentka naukowa Emily Shui Kei Poon. Odkryli, że ten sam gen dehydrogenazy aldehydowej u gołąbków ulega ekspresji na wysokim poziomie w żółtych piórach zawierających psittakofulwinę, ale nie w piórach czerwonych. „Kiedy gen ten ulega ekspresji na wysokim poziomie, psittakofulwiny zmieniają kolor z czerwonego na żółty” – wyjaśnia Simon.
Aby zademonstrować ten prosty mechanizm, naukowcy zwrócili się do jeszcze bardziej znanej papugi, papużki falistej i po raz pierwszy na świecie zbadali, w jaki sposób poszczególne komórki włączają i wyłączają różne geny w trakcie wzrostu piór, wskazując niewielką liczbę komórek korzystających z tej detoksykacji białko kontrolujące konwersję pigmentu. Ostateczna weryfikacja nastąpiła, gdy naukowcy zmodyfikowali genetycznie drożdże z genem koloru papugi. „Niewiarygodne, że nasze zmodyfikowane drożdże wytwarzają kolory papug, co pokazuje, że ten gen jest wystarczający do wyjaśnienia, w jaki sposób papugi kontrolują ilość żółtego i czerwonego w swoich piórach”. Mówi profesor Joseph C. Corbo, profesor Uniwersytetu Waszyngtońskiego w St. Louis (USA).
Badanie to pokazuje, w jaki sposób najnowocześniejsze osiągnięcia biotechnologii są coraz częściej wykorzystywane do odkrywania tajemnic natury. „Teraz rozumiemy, w jaki sposób te oszałamiające kolory mogą ewoluować u dzikich zwierząt poprzez prosty «przełącznik molekularny» przypominający tarczę, który «pożycza» odtruwające białko, aby pełniło nową funkcję” – podsumowuje Carneiro. Odkrycia te pomagają naukowcom nakreślić nowy, kolorowy obraz ewolucji jako procesu, w którym złożoność można osiągnąć dzięki prostym innowacjom.