Mikroskopskim saveznikom protiv kofeina

Kafa, posebno u Srbiji, obeležava početak novog dana više nego bilo koje drugo piće. Postoje velike šanse da ste danas već popili jednu šoljicu, ili čak uživate pijuckajući gorki napitak upravo sada, dok čitate ovaj tekst. Međutim, daleko od spokoja tog jutarnjeg rituala, u tropskim predelima Afrike, Azije, Južne i Srednje Amerike, nastavlja se viševekovna borba uzgajivača kafe protiv njene najveće štetočine. 

Hemijsko oružje carstva biljaka

Biološki aktivan sastojak kafe je naravno kofein. Međutim, ista koncentracija ovog alkaloida koja kod čoveka povećava budnost, insektima uglavnom remeti funkciju nekoliko veoma važnih enzima. Drugim rečima, kofein u stvari poseduje pesticidni efekat, a o njegovoj delotvornosti dovoljno govori činjenica da je više puta nezavisno evoluirao kod različitih grupa biljaka. Tako, sem kafe, ovo svojevrsno hemijsko oružje razvili su i čaj, kakao i guarana. Utoliko je intrigantno što postoji jedna vrsta insekta koja pobeđuje u ovoj evolutivnoj trci u naoružanju.

Plodovi kafe (Coffea arabica) sazrevaju na grani.

Izvor slike: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d5/Starr_070308-5472_Coffea_arabica.jpg/

Zrna koja život znače

Hypothenemus hampei, tvrdokrilac iz grupe potkornjaka, jedini je insekt koji se hrani isključivo zrnima kafe. Iako po veličini ne prelazi 2mm, šteta koju nanosi je ogromna – samo u Brazilu, najvećem svetskom proizvođaču kafe, su 2015. procenjeni godišnji gubici u opsegu od 285 do 315 miliona dolara. Ovaj insekt vuče svoje korene iz Afrike, odakle je i sama biljka kojom se hrani. Poslednjih nekoliko vekova, širenjem područja na kojima se kafa gaji, svetom se proširila i ova vrsta. Ostalo je zabeleženo u kojoj meri su zbog te ekspanzije strepeli uzgajivači. Tako je istaknuti brazilski zoolog Ihering 1924. godine pozvao na potpuno uništenje svih 900 miliona sadnica kafe u brazilskoj državi Sao Paulo kako bi se sprečilo dalje širenje štetočine, koja je samo deceniju ranije pristigla iz Belgijskog Konga.

Lateralni izgled H. hampei, ženka (levo) i mužjak (desno).

Izvor slike: Vega et al.  (2015) The genus Hypothenemus, with emphasis on H. hampei, the coffee berry borer. 

Šteta koju ovaj insekt nanosi sastoji se u bušenju mreže kanala kroz seme kafe. Započinje svoj životni ciklus izleganjem u samom zrnu. Postoji znatna razlika između mužjaka i ženke, pa se tako muški pripadnici vrste odlikuju slabije razvijenim očima i nefunkcionalnim krilima, s obzirom da ceo život provedu u okviru zrna u kojem su se izlegli. Ženke su jedine koje kratko posećuju spoljašnji svet, ne bi li kolonizovale novo zrno. Samim tim, svaka jedinka H. hampei u pojedinačnom semenu potiče od iste majke, a parenje se najčešće vrši između najbližih srodnika.

Larve H. hampei na zrnu kafe.

Izvor slike: Vega et al.  (2015) The genus Hypothenemus, with emphasis on H. hampei, the coffee berry borer. 

Drug se u crevima poznaje

Do skoro se nije znalo na koji način H. hampei uspeva da bude otporan na kofein. Konačno je 2015. godine međunarodna grupa naučnika predvođena timom istraživača iz kalifornijske Nacionalne laboratorije Lorens Berkli otkrila da ključ rezistencije leži u zajednici bakterija u crevima ovog tvrdokrilca, to jest u njegovom crevnom mikrobiomu. Koristeći divlje primerke ovog insekta kao kontrolnu grupu, ustanovili su da u njihovom izmetu normalno nema kofeina. Nakon što su istim insektima dati antibiotici, koncentracija kofeina izmerena je kao visoka, što je išlo u prilog ideji da upravo bakterije creva razlažu kofein. Kod ovako „osakaćenih“ jedinki takođe su uočili i znatno manji fertilitet, ali i narušenu metamorfozu, jer larve nisu mogle da se dalje razviju u lutku ili odraslu jedinku. 

Odrasla ženka H.hampei na zrnu kafe.

Izvor slike: https://simbioza.bio.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2026/03/cbb_peggy_greb_usda_ars.jpg

Novi horizonti

Uporednim proučavanjem crevnih mikrobioma jedinki iz različitih zemalja, istraživači su  odredili koje su to bakterijske vrste prisutne u svim populacijama H. hampei, među kojima su ustanovili nekoliko njih sposobnih za degradaciju kofeina. Najviše se izdvojila bakterija Pseudomonas fulva, kod koje je pokazano prisustvo gena ndmA, neophodnog za degradaciju kofeina. Tu bakteriju su naučnici zatim vratili u crevo onih jedinki koje su antibioticima izgubile mogućnost degradacije kafe. Nakon povratka P. fulva koncentracija kofeina u izmetu ponovo se vratila na normalan nizak nivo, potvrđujući otkriće značaja mikrobioma za razlaganje kofeina.

Ustanovljeno je i da se crevo H. hampei ponaša nalik fabričkoj pokretnoj traci, zahvaljujući opadajućem gradijentu koncentracije kiseonika. U početnom delu creva kiseonik je još prisutan, što je nužno za razlaganje kofeina, dok nastavljajući niz crevo hrana stupa u potpuno beskiseoničnu oblast, dajući prostor drugim bakterijama koje fermentacijom pomažu varenje šećera. Potvrđivanje uloge simbiotskih bakterija kod H. hampei raščistilo je put novim istraživanjima, kako u proučavanju razvoja mikrobioma tokom različitih stupnjeva razvoja insekata, tako i u pogledu potencijalnih novih metoda za suzbijanje štetočine koja već toliko dugo zadaje glavobolje industriji mnogima omiljenog jutarnjeg pića.

Izvori:

• Ceja-Navarro, J. A. et al. (2015) Gut microbiota mediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee. Nat. Commun. 6:7618 doi: 10.1038/ncomms8618 
• Mejía-Alvarado FS, Ghneim-Herrera T, Góngora CE, Benavides P and Navarro-Escalante L (2021) Structure and Dynamics of the Gut Bacterial Community Across the Developmental Stages of the Coffee Berry Borer, Hypothenemus hampei. Front. Microbiol. 12:639868. doi: 10.3389/fmicb.2021.639868
• Vega FE, Infante F, Johnson AJ (2015) The genus Hypothenemus, with emphasis on H. hampei, the coffee berry borer. In: Bark Beetles: Biology and Ecology of Native and Invasive Species (F. E. Vega and R. W. Hofstetter, Eds.), pp. 427-494. Academic Press, San Diego
• Nathanson, J. A. (1984). “Caffeine and related methylxanthines: Possible naturally occurring pesticides.” Science, 226(4671), 184–187.
• R. Huang, A.J. O’Donnell, J.J. Barboline, & T.J. Barkman, (2016) Convergent evolution of caffeine in plants by co-option of exapted ancestral enzymes, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113 (38) 10613-10618, https://doi.org/10.1073/pnas.1602575113