The detoxification of formic acid by 10-formyl tetrahydrofolate dehydrogenase in Apis mellifera: capabilities and mechanism

Abstract

Important ecological und economic functions are performed by different pollinators. Apis mellifera being one of the most important ones, as it is managed by beekeepers worldwide. In recent years, the obligate ectoparasite Varroa destructor grew of importance as the impact on honey bee hives grew more apparent, as research has shown that it not only feeds on haemolymph and fatbody and therefore weakens brood and adults directly, but also transmits different viral, bacterial and fungal diseases. A common treatment against Varroa destructor is formic acid fumigation. The upsides include high efficacy against Varroa destructor and no resistance or cross resistance development, as it is the case in synthetic treatment options such as amides (e.g. Amitraz). Additionally formic acid is certified for organic farms application. The biggest downsides of the treatment include Apis mellifera mortality through all clades, as well as a narrow therapeutic index, as the treatment is reliant on humidity, bee density, temperature and mode of application. Even though the treatment has been used for many years, very little is known about the detoxification mechanism in Apis mellifera and Varroa destructor. Through recombinant expression of the 10-formyl-tetrahydrofolate dehydrogenase (10-FTHFDH), suspected to be involved in the detoxification of formic acid in Apis mellifera, the first study showed, that the enzyme is involved in the detoxification process, with similar activity known in mammalian counterparts. Additionally, as the sequence similarity of the insect 10-FTHFDH to the mammalian 10-FTHFDH is very low the second study focused on verifying the active residues and mode of action of the Apis mellifera enzyme. Through an interdisciplinary approach combining protein prediction, protein modelling and protein mutagenesis, it was verified, that the unsimilar proteins share the same active residues and function.

Wichtige ökologische und wirtschaftliche Funktionen werden von verschiedenen Bestäubern erfüllt. Apis mellifera ist einer der wichtigsten, da sie von Imkern weltweit gehalten wird. In den letzten Jahren hat der obligate Ektoparasit Varroa destructor an Bedeutung gewonnen, da die Auswirkungen auf das Überleben der Bienen immer deutlicher wurden. Die Forschung hat gezeigt, dass sie sich nicht nur von Hämolymphe und Fettkörper ernähren und dadurch die Brut und die erwachsenen Bienen direct schwächt, sondern auch verschiedene virale, bakterielle und pilzliche Krankheiten überträgt. Eine gängige Behandlung gegen Varroa destructor ist die Behandlung durch Ameisensäureverdunstung. Zu den Vorteilen gehören eine hohe Wirksamkeit gegen Varroa destructor und keine Entwicklung von Resistenzen oder Kreuzresistenzen, wie dies bei synthetischen Behandlungsoptionen wie Amiden (z. B. Amitraz) der Fall ist. Außerdem ist Ameisensäure für die Anwendung in Biobetrieben zertifiziert. Zu den größten Nachteilen der Behandlung gehören die Sterblichkeit von Apis mellifera in allen Kasten sowie ein enger therapeutischer Index, da die Behandlung von der Luftfeuchtigkeit, der Bienendichte, der Temperatur und der Art der Anwendung abhängt. Obwohl die Behandlung seit vielen Jahren eingesetzt wird, ist nur sehr wenig über den Entgiftungsmechanismus bei Apis mellifera und Varroa destructor bekannt. Durch rekombinante Expression der 10-Formyl-Tetrahydrofolat-Dehydrogenase (10-FTHFDH), von der vermutet wird, dass sie an der Entgiftung von Ameisensäure in Apis mellifera beteiligt ist, konnte in der ersten Studie bestätigt werden, dass das Enzym am Entgiftungsprozess beteiligt ist, ähnlich wie die bekannten Gegenstücke bei Säugetieren. Da die Ähnlichkeit des 10-FTHFDH der Insekten mit dem 10-FTHFDH der Säugetiere sehr gering ist, konzentrierte sich die zweite Studie auf die Verifizierung des aktiven Zentrums und der Wirkungsweise des Apis mellifera-Enzyms. Durch einen interdisziplinären Ansatz, der Proteinvorhersage, Proteinmodellierung und Proteinmutagenese kombiniert, konnte nachgewiesen werden, dass die unähnlichen Proteine die gleichen aktiven Reste und die gleiche Funktion haben.