Chimica, zanzare ed altre storie

a cura di C. Della Volpe

Su questo blog abbiamo parlato già di insetti, in particolare di api ed altri insetti impollinatori e dei prodotti che possono danneggiarli. Tuttavia fra gli insetti esistono molte specie che sono decisamente nocive per l’uomo, come le mosche e le zanzare; mentre le api sono imenotteri, dotate di quattro ali, le mosche e le zanzare sono ditteri, dotate di due ali, più altre due molto piccole, quasi invisibili spesso. Anche fra i ditteri ci sono insetti impollinatori, come i Sirfidi, che è facile confondere con le api (a me è capitato anni fa [C&I 2010, 7, 134] che potete scaricare liberamente dal sito SCI), ma i più famosi fra di loro sono certamente quelli nocivi, come appunto le mosche e soprattutto le zanzare.
Le zanzare sono in grado di bucare la nostra pelle ed aspirare dai capillari alcune gocce di sangue, sono cioè ematofaghe; nel far ciò ci iniettano un po’ di saliva e dato che sono portatrici di alcune fra le peggiori infezioni disponibili in natura sono quindi vettori di tali infezioni, la principale delle quali, ma non l’unica, è la malaria. E con le zanzare si è scatenata nei decenni una guerra che ha usato anche la Chimica come arma letale.
Prima di entrare nel merito ricordo che non sono un esperto, ma solo un curioso; se trovate errori fatevi avanti; lo stimolo mi è venuto dalla lettura di una recentissima presentazione all’ultimo congresso ACS in corso a New Orleans, nel quale il collega Ulrich Bernier del Dipartimento per la ricerca in agricoltura degli USA ha presentato un prodotto che rende “invisibili” alle zanzare; e da qui parte la nostra storia[http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2013/september/toward-making-people-invisible-to-mosquitoes.html]. Come siamo arrivati a questo tipo di strategia per combattere le zanzare?
Gli antenati delle zanzare esistevano già decine di milioni di anni fa, prima dell’inizio del Cretaceo; si tratta di una famiglia, quella dei Culicidi, che raccoglie migliaia di specie diverse. Le zanzare si nutrono di nettare e di melata e per far ciò sono dotate di un apparato boccale succhiante; tuttavia alcuni tipi di femmine sono dotate di un apparato boccale penetrante-succhiante, quindi possono pungere e lo fanno perchè per poter condurre a termine la formazione delle uova hanno bisogno di alcuni tipi di proteine che trovano nel sangue dell’ospite, che può essere un mammifero, un rettile, un anfibio e perfino un altro organismo ematofago che abbia appena punto.
La risposta spontanea dei mammiferi a questo tipo di problema è stato di evolvere modifiche genetiche che resistono ad alcune delle malattie trasmesse in tal modo; è noto per esempio che le popolazioni che vivevano in zone dove la malaria era endemica hanno sviluppato modifiche degli eritrociti (la talassemia) e degli antigeni di superficie degli eritrociti (l’assenza dell’antigene Duffy, cosiddetto negli uomini dell’Africa occidentale) che erano un modo per resistere all’attacco del parassita Plasmodium pur a costo di pagare un prezzo nella qualità e nella durata della vita.
Quindi le zanzare che ci pungono da centinaia di migliaia di anni, sono femmine e sono in una fase precisa del loro ciclo di riproduzione; i maschi di zanzara sono innocui. In secondo luogo non tutte le zanzare possono trasmetterci malattie pericolose, ma solo alcune di esse, il cui ciclo vitale si incrocia con quello di alcuni protozoi o batteri o virus.
Ci sono essenzialmente tre tipi di zanzare alle nostre latitudini che hanno a che fare con noi: Culex, Anopheles, Aedes.

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La differente postura assunta dalle femmine di Anopheles (a sinistra) e Culex a destra.

La lotta alle zanzare è iniziata dopo che si è capito che erano il vettore delle febbri malariche o malaria o paludismo; la scoperta del meccanismo dellla malattia (il ruolo del plasmodio e poi della zanzara)  si deve a vari medici ad uno solo dei quali, Laveran, fu assegnato il premio Nobel nel 1907, ma il lavoro di ricerca fu lungo e complesso e fra gli altri vi svolse un ruolo importante una delle nostre glorie nazionali, Camillo Golgi.
A quel punto inizò una attività che si basava essenzialmente sull’eliminazione delle zone umide; ma tale azione che è continuata per decenni in molti paesi fra i quali il nostro, nel quale si verificavano ogni anno decine di migliaia di casi di malaria (in Sardegna e nella Pianura Padana, ma anche in Campania e Lazio), non può essere totale ed oggi si scontra con la necessità ecologica di conservare le zone umide come elemento indispensabile della biosfera.
Il successivo livello di attacco è stato l’uso di insetticidi efficaci. Grazie all’azione combinata di questi due metodi soprattutto nel continente europeo la malaria è stata definita come eradicata dall’Europa nel 1975.
Il DDT, 1,1,1-tricloro-2,2-bis(p-clorofenil)etano, fu sintetizzato nel 1874 da Othmar Zeidler; ma le sue proprietà insetticide furono scoperte solo nel 1939 dal chimico Paul Hermann Müller (Olten, 12 gennaio 1899 – Basilea, 12 ottobre 1965), vincitore del Premio Nobel per la medicina nel 1948; il DDT è stato il primo insetticida moderno.

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Paul Hermann Müller

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DDT

Dato che sono napoletano debbo qui ricordare che la prima applicazione diretta del DDT nel controllo di insetti patogeni si svolse proprio a Napoli durante una epidemia di tifo, nel dicembre 1943. In poche settimane milioni di persone furono trattate con una polvere al 10% di DDT che uccideva i pidocchi responsabili della diffusione della malattia.

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Trattamento antipidocchi col DDT nella Napoli del 1943

Dopo poco tempo, nel 1944, sempre in Campania ci fu la prima applicazione su larga scala del DDT come antimalarico, a CastelVolturno. E’ un processo interessante e ci sarebbe da scrivere molto di più ma forse lo farò in un post dedicato al problema del DDT. Per il momento limitiamoci agli aspetti chimici.

Il DDT (ed anche i derivati di tipo piretroide, derivati dall’acido crisantemico e piretrico presenti in alcune piante) agisce come stimolatore dei canali del sodio dipendenti dal voltaggio, che sono proteine di membrana, nelle cellule nervose. Di tali canali ne esistono sostanzialmente due tipi: nei vertebrati e negli invertebrati; in questi ultimi i canali in questione sono denominati “para”. Questi canali non sono da confondere con le pompe sodio-potassio ATPasiche, che servono a pompare continuamente fuori il sodio e dentro il potassio nelle cellule ripristinando il gradiente che poi viene sfruttato dai canali che vengono influenzati dal DDT;  i canali cui mi riferisco sono quelli che entrano in funzione proprio durante la scarica nervosa. Il DDT ha effetto soprattutto sui nervi periferici e produce una attivazione spontanea dei neuroni con contrazioni spontanee dei muscoli che generano i cosiddetti “tremori” da DDT. I suoi effetti sulla giunzione neuromuscolare sono mediati da una depolarizzazione del canale, la quale ad un certo punto causa il blocco della giunzione a causa della deplezione del neurotrasmettitore coinvolto.
Questa specificità fa sì che gli insetti possano adattarsi al DDT ed ai piretroidi in vario modo: alcuni insetti nocivi hanno evoluto modificazioni della proteina del canale del sodio per prevenire il legame dell’insetticida. La nostra specie ci ha messo migliaia di anni ad evolvere le sue modifiche genetiche di difesa, le zanzare pochi decenni, perchè hanno molte generazioni all’anno, non una ogni 25 anni come noi (in media).
Proprio per questo oggi occorre aspettarsi lo sviluppo di resistenza appena dopo l’uso del DDT e dei piretroidi; questo è uno dei motivi, il principale, che ne consiglia una applicazione mirata e non generica come insetticida; gli altri che sono state scoperti nel tempo e che furono indicati per prima da Rachel Carson sono gli effetti tossici sugli animali e sull’uomo legati al ruolo ed alla stabilità di alcuni dei metaboliti del DDT (DDE e DDD) che tendono a concentrarsi nelle specie al sommo della catena alimentare. Tali sostanze non solo sono direttamente tossiche in molte specie ma sono state classificate come cancerogene potenziali nella specie umana.
Ci tengo a dire che NON è vero che non si possa usare il DDT come antimalarico; l’accordo internazionale sui POP lo consente come antimalarico per applicazioni indoor e in applicazioni limitate esterne, ma lo vieta come insetticida generico e questo ovviamente ne riduce le quantità oggi prodotte, ben inferiori a quelle degli anni 50′ e 60’ del secolo scorso quando il DDT rappresentava un vero cash cow (la mucca da mungere) per i suoi produttori che hanno sempre cercato di ristabilirne l’uso massivo; è una storia che ricorda molto quella attuale dei neonicotinoidi.
A questo punto tuttavia siamo in grado di comprendere come mai la strategia contro le zanzare sia passata da altre strade che sono ormai ben diverse dall’uso di insetticidi che ammazzino gli insetti zanzara dovunque e comunque; si cerca di impedire piuttosto la riproduzione nelle zone più pericolose dove le zanzare sono vettori della malaria e di altre malattie epidemiche pericolose usando strategie e mezzi diversi, in attesa della messa a punto di un vaccino efficace.
Per esempio la profilassi quotidiana con prodotti che a bassa concentrazione impediscano al plasmodio di riprodursi; la clorochina e la meflochina sono due farmaci di elezione, ma dato lo sviluppo di resistenze si usano oggi anche la doxiciclina e il malarone. Non approfondisco questo argomento perchè a noi oggi interessa capire come mai la strategia antizanzare si sia spostata verso altri lidi.
La lotta biologica per esempio, usando un batterio specifico contro le larve di zanzara, Bacillus thuringiensis israelensis, che è in grado di attaccare le larve a livello intestinale attraverso una specifica tossina, la Bt; questo significa ridurre in modo determinante il numero di insetti della generazione successiva. Oppure ripristinando una opportuna quota di animali che le catturano: i pipistreli per esempio. Comunque è da dire che la completa eradicazione delle zanzare è un argomento controverso in quanto ci sono pro e contro sul loro ruolo ecologico, specie in zone come l’artico o la tundra o la Siberia[http://www.nature.com/news/2010/100721/full/466432a.html].

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larve di zanzare

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Cristalli di tossina Bt da Bacillus thuringiensis israelensis

Ma la Chimica non è rimasta a guardare ed ha sviluppato anch’essa nuove strategie che non sono stati solo nuovi insetticidi, ma nuove strade.
Per capire queste nuove strade occorre sapere che esistono delle sostanze chimiche che di fatto svolgono il ruolo di messageri sia intraspecifici che interspecifici, ossia che servono a trasmettere informazioni sia tra membri della medesima specie che fra specie diverse, anche molto diverse.
Si tratta dei composti semiochimici. Mentre gli ormoni svolgono il ruolo di messaggeri all’interno di un certo organismo, i semiochimici svolgono questo ruolo fra organismi diversi o della stessa specie (feromoni) o di specie diverse (allelochimici). A loro volta gli allelochimici si dividono in tre gruppi: allomoni, cairomoni e sinomoni.
Gli allomoni sono sostanze chimiche che comunicano segnali favorevoli a chi li emette, permettono di allontanare altre specie a favore dell’emittente. Esempi di allomoni sono l’acido formico delle formiche, le sostanze repellenti secrete dalle cimici a scopo di difesa.
I cairomoni sono sostanze chimiche che comunicano segnali favorevoli a chi li riceve. Ad esempio gli odori presenti sulle uova che richiamano i parassitoidi oofagi.
I sinomoni sono sostanze chimiche che comunicano segnali favorevoli sia all’organismo che li riceve sia a quello che li emana, come ad esempio l’odore emesso dai fiori che attira gli insetti pronubi.

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Sebeok

T. Sebeok

Nota di approfondimento:
T. Sebeok, la semiotica
Tutti gli esseri viventi, sia gli organismi interi sia le parti che li compongono, sono interrelati in un modo altamente organizzato. Quest’ordine, o organizzazione, è garantito dalla comunicazione. La comunicazione o semiosi, pertanto, può essere considerata quella proprietà essenziale della vita che ritarda gli effetti di disorganizzazione legati alla seconda legge della termodinamica.
Nel senso più generale, la semiosi può essere considerata come la trasmissione di una qualsiasi influenza da una determinata parte di un sistema vivente a un’altra, tale da produrre una modificazione.
Ciò che viene trasmesso è un messaggio o un insieme di messaggi.
La formazione dei messaggi costituisce l’oggetto della semiotica, che studia i processi attraverso i quali essi vengono codificati, trasmessi, decodificati e interpretati.

Il discorso potrebbe allargarsi; un chimico famoso, James Lovelock, che inventò uno dei più comuni sensori il rivelatore a cattura di elettroni usato in gascromatografia, inventò anche l’ipotesi Gaia, ossia l’idea che la biosfera sia un sistema integrato, tenuto insieme da innumerevoli meccanismi di retroazione che ne conservano e garantiscono la omeostasi; i messaggi chimici sono parte integrante del sistema.
Vedi anche la conferenza Molecole e parole
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Ma torniamo alle zanzare; quello che ci serve contro le zanzare è solo un opportuno allomone, qualcosa insomma che tenga lontane le zanzare; si tratta dei repellenti.
Ce ne sono sia naturali che sintetici. Vediamone alcuni.

Fra i prodotti naturali due spiccano per la loro efficacia e sono entrambi presenti negli oli essenziali estratti da piante: la citronellale e il p-Mentano-3,8-diolo, anche conosciuto come para-mentano-3,8-diol, PMD, o Mentoglicolo.

citronella

citronella, Cymbopogon

200px-Citronellal-2D-skeletal

Citronellale

Il Citronellale o rhodinale o 3,7-dimetiloct-6-en-1-ale (C10H18O) è un monoterpenoide, (ricordate i terpeni che abbiamo incontrato nell’articolo sulle Astaxantine?) il più importante componente dell’olio di  citronella, un distillato della pianta che ha proprietà repellenti. Esso è anche il principale prodotto di distillazione  oltre che delle piante di (Citronella) Cymbopogon, delle foglie di Corymbia Citrodora e del Leptospermum petersonii.  E’ una molecola chirale. Il suo (–)-(S)-enantiomero costituisce fino all’ 80% dell’olio del  Citrus hystrix ed è il composto responsabile del suo aroma caratteristico. L’olio essenziale dell’eucalipto dall’odore di limone (Corymbia Citrodora) non invecchiato è costituito essenzialmente di citronellale (80%) e viene usato in profumeria. Con l’invecchiamento delle foglie della pianta tale sostanza si trasforma in un’altra che è il p-mentano-3,8-diolo (PMD), precedentemente presente solo all’1-2%. Ma tale processo puo’ essere accelerato in modo artificiale in ambiente leggermente acido e il nuovo prodotto prende il nome di  olio essenziale di eucalipto (OLE) o Citrodiol e contiene non meno del 64% di PMD. Questo secondo olio di eucalipto è un potente repellente di insetti.

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Eucalipto dall’odore di limone

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Para-Menthane-3,8-diol

Il p-Mentano-3,8-diolo, chiamato anche  para-mentano-3,8-diolo, PMD, o Mentoglicolo,  contiene 8 possibili isomeri come potete facilmente verificare dalla sua struttura. Tuttavia il PMD puro, sintetico è molto meno efficace dell’olio naturale come repellente degli insetti.
I meccanismi di azione esatti di questi due repellenti non sono conosciuti ed anche la situazione legale del loro uso in USA ed Europa è diversa, tuttavia in letteratura sono presenti vari lavori che ne attestano l’efficacia.
Per quanto riguarda invece i prodotti sintetici abbiamo due principali attori del mercato che sono DEET ed icaridina.
DEET

Diethyltoluamide.svg

N,N-Diethyl-3-methylbenzamide
Il DEET è stato sviluppato dall’esercito americano a seguito delle esperienze di guerra nella giungla durante la 2 guerra mondiale; originariamente testato come insetticida è entrato nell’uso militare nel 1946 e in quello civile nel 1957 ed è stato usato in Vietnam e nel Sud Est asiatico. Esso funziona sulla base del diretto effetto repellente esercitato sulle zanzare. In particolare esso agisce su uno speciale recettore neuronale olfattivo nelle antenne delle zanzare che viene attivato dal DEET e anche da altre molecole come eucaliptolo, linaloolo, e tujone.  Inoltre è stato provato che esso è attivo in assenza di sostanze di tipo cairomonico (che attirano le zanzare) come 1-octen-3-olo, acido lattico, o biossido di carbonio.
(Tsitsanou, K.E. et al. (2011). “Anopheles gambiae odorant binding protein crystal complex with the synthetic repellent DEET: implications for structure-based design of novel mosquito repellents”. Cell Mol Life Sci 69 (2): 283–97. doi:10.1007/s00018-011-0745-z. PMID 21671117.)
Il DEET è anche un solvente e può sciogliere alcuni tipi di plastica e di stoffa sintetica attaccando superfici trattate con vernici sintetiche, come quelle usate per la finitura di strumenti musicali di legno. Disperso nell’ambiente non si bioaccumula ma viene trovato in acqua ed è tossico per alcuni tipi di animali.
L’altra molecola con attività repellente è l’ icaridina.

310px-Icaridin_Stereoisomers_Structural_Formulae

Esistono quattro isomeri della icaridina, 1-piperidinecarboxylic acid 2-(2-hydroxyethyl)-1-¬methylpropylester, che ha i nomi commerciali di Bayrepel e Saltidin, con una azione di repellenza su vari insetti. La sua azione di repellenza appare simile a quella del DEET, nel senso che agisce su uno specifico recettore nelle antenne della zanzara con effetti diversi sui vari tipi di zanzara. Il composto è stato sviluppato dalla Bayer e a differenza della DEET, l’icaridina non scioglie la plastica.
Questi quattro prodotti sono lo stato dell’arte nei repellenti per insetti e per zanzare, e si disputano il mercato attuale; è molto probabile che abbiate usato almeno uno di questi prodotti almeno una volta nella vostra vita. Ma la storia non finisce qui e ci fa capire anche l’interesse della nuova scoperta riportata all’ACS.
La nuova molecola, che in realtà è solo una delle migliaia studiate a questo scopo avrebbe un effetto di mascheramento del corpo, renderebbe cioè inutile l’effetto che le sostanze rilasciate dal nostro organismo e che funzionano come cairomoni ossia come attrattori nei confronti delle zanzare possono svolgere e questo sarebbe un bel passo avanti.

metilpiperazina

1-metil piperazina

Si tratta della 1-metilpiperazina. Nel suo intervento all’ACS Bernier ha raccontato altri aspetti interessanti della storia che ci lega alle zanzare.
Il ministero dell’Agricoltura USA ha uno speciale centro di ricerca dedicato alla lotta contro  mosche e zanzare a Gainesville (in Florida) ed in tale centro l’attività delle zanzare femmmina viene studiata con grande attenzione. Le femmine di zanzara che sono in cerca delle proteine necessarie a produrre uova fertili sono in grado di odorare le persone fino a decine di metri di distanza e per fare ciò sono in grado di sentire alcune almeno delle sostanze che la pelle umana e i batteri ivi residenti rilasciano, alcune delle quali sono molto attraenti per loro.
L’odore di una persona è fatto di centinaia di composti, alcuni prodotti atraverso il sudore ed altri prodotti dai batteri. Per identificare quali di questi sono attraenti per le zanzare, Bernier e collaboratori usano una speciale gabbia, divisa in due parti da uno schermo; essi spruzzano varie sostanze in una delle due sezioni e documentano quali attraggano le zanzare verso lo schermo.

mani

Con alcuni composti come l’acido lattico

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acido lattico

che è un comune componente del sudore umano il 90% delle zanzare viene attratta verso lo schermo, mentre con altri le zanzare non si muovono affatto o sembrano confuse. “Se si mette la mano in una di queste gabbie dove abbiamo messo l’inibitore praticamente tutte le zanzare rimangono sul lato lontano e non si rendono nemmeno conto che abbiamo messo una mano dentro la gabbia.” dice Bernier.” Noi chiamiamo anosmia o iposmia la incapacità o la ridotta capacità  di avvertire gli odori”
Un gruppo di composti chimici, inclusa la 1-metil-piperazina, blocca l’odorato delle zanzare. Questo può aiutare a spiegare perché le zanzare attacchino certe persone e non altre. Molte di queste sostanze hanno una struttura e delle proprietà tali da poter essere  già trovate in decine di prodotti e da poter essere aggiunte a cosmetici, lozioni, tessuti come repellenti delle zanzare.
Sembra proprio che la lotta contro le femmine di zanzara in cerca di proteine per le loro uova non sia affatto finita; ne sentiremo ancora delle belle! Che differenza col DDT! Ma soprattutto questa storia dei semiochimici è veramente affascinante, e spero ne riparleremo.

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Per saperne di più:
IUBMB Life, 59(3): 151 – 162, March 2007 Critical Review
DDT, Pyrethrins, Pyrethroids and Insect Sodium Channels
T. G. E. Davies1, L. M. Field1, P. N. R. Usherwood2 and M. S. Williamson1

http://www.in.pi.cnr.it/materiale_didattico.htm del collega del CNR Tommaso Pizzorusso contiene una bellissima descrizione del funzionamento elettrochimico del sistema nervoso.

http://media.accademiaxl.it/pubblicazioni/malaria/pagine/cap4_1.htm sulla storia dell’uso del DDT in Italia.

POP Stockholm Convention Annex B sul fatto che il DDT si possa ancora usare come antimalarico ma NON come insetticida generico.

Consigli pratici su: http://medicinadeiviaggi.blogspot.it/2011/07/i-repellenti-cutanei-per-la-prevenzione.html

Materiale da wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/DDT#Mechanism_of_insecticide_action
http://it.wikipedia.org/wiki/Malaria#Storia_della_malaria
http://it.wikipedia.org/wiki/Dietiltoluamide
http://it.wikipedia.org/wiki/Icaridina
http://medicinadeiviaggi.blogspot.it/2011/07/i-repellenti-cutanei-per-la-prevenzione.html
http://en.wikipedia.org/wiki/P-Menthane-3,8-diol#cite_note-2
http://en.wikipedia.org/wiki/Citronellal
http://it.wikipedia.org/wiki/Eucalyptus_citriodora
http://it.wikipedia.org/wiki/Cymbopogon

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