Perfilagem proteômica entre os méis de Apis mellifera, Scaptotrigona postica e Tetragonisca angustula

Abstract

This study investigated the proteomic profile of honey produced by Africanized Apis mellifera, Scaptotrigona postica, and Tetragonisca angustula bees, revealing these as complex biological products resulting from the interaction of plant nectar with bee glandular secretions and microorganisms associated with the colony. Additionally, the "shotgun" proteomic analysis approach was used to detect microorganisms (bacteria, fungi, and viruses) and arthropod parasites of the bees and/or their colonies, suggesting that this analytical strategy could be applied to monitor the health of honey, bees, and their colonies. In A. mellifera honey, eight functional protein groups were identified, with roles in honey formation and preservation, as well as in the immunity of the colony "superorganism." Honey production involves the transformation of nectar through the action of enzymes such as invertase, amylase, glucose oxidase, alpha-glucosidase, and glucose dehydrogenase, among others, which modify the nectar's composition, resulting in a final product with a low protein concentration, but presenting essential roles for honey's defense and quality preservation. This study also identified dozens of proteoforms of Major Royal Jelly Proteins (MRJPs), which play a crucial role in regulating the immunity of A. mellifera. The proteomic analysis of S. postica and T. angustula honeys detailed the biological processes involved in nectar transformation into honey, highlighting the complexity of associated ecological interactions. The research showed that these stingless bees play a central role in converting nectar into simple sugars through enzymes like amylase, α-glucosidase, maltase, and glucosylceramidase. These enzymes are responsible for breaking down complex carbohydrates present in the nectar of the plants foraged by the bees. Notably, S. postica and T. angustula do not contain proteins similar to MRJPs, which are typical in Apis bees, suggesting the presence of other proteins responsible for the immune processes in stingless bees. In addition to the enzymes that convert complex sugars into simple carbohydrates, stingless bees also demonstrated significant contributions from bacteria of the Lactobacillus and Bacillus genera due to their roles in sugar fermentation and modification. The detection of pathogenic proteins in the honeys of all three bee species, such as Melissococcus plutonius, Paenibacillus larvae, and fungi from the genus Nosema, highlighted the importance of proteomic analysis for monitoring colony health quality, enabling early detection of risks before symptom onset. The functional analysis of A. mellifera proteins, performed using the STRING algorithm to simulate protein-protein interactions, revealed a predominance of pathogen defense processes among the proteins present in the honey composition. For S. postica honey, this algorithm's analysis revealed the importance of carbohydrate and lipid metabolism for honey composition and its role in protecting honey from oxidative environmental stress. In T. angustula, in addition to carbohydrate and lipid metabolic processes, the analysis showed honey proteins' protective actions against thermal stress, control of protein synthesis, and DNA replication. Functional analysis of the Bacillus proteome found in S. postica honey highlighted functions such as antibiotic compound synthesis and DNA repair. This study further demonstrated the efficacy of the proteomic approach in identifying plant-origin proteins present in the honeys, enabling the taxonomic identification of the organisms producing these proteins. In this way, the use of shotgun proteomic analysis of honey in general could also be employed to trace the flora used by bees for nectar collection, thereby certifying the botanical origin of the honey.

Este estudo investigou o perfil proteômico dos méis das abelhas Apis mellifera africanizada, Scaptotrigona postica e Tetragonisca angustula, revelando-os como produtos biológicos complexos, resultante da interação entre o néctar das plantas, com secreções glandulares das abelhas, e com microrganismos associados à colmeia. Além disso, a abordagem de análise proteômica shotgun também foi utilizada para detecção de microrganismos (bactérias, fungos e vírus) e de artrópodes parasitas das abelhas e / ou de suas colmeias, sugerindo que o uso desta estratégia analítica, pode ser aplicada ao controle sanitário dos méis, das abelhas e de suas colmeias. No mel de A. mellifera africanizada foram identificados oito grupos funcionais de proteínas, desempenhando papéis na formação e conservação do mel, bem como na imunidade do “supraorganismo” que é a colmeia. A produção do mel envolve a transformação do néctar por ação de um conjunto de enzimas, tais como invertase, amilase, glicose oxidase, alfa glicosidase, e glicose desidrogenase, entre outras proteínas, que modificam sua composição, resultando no produto final com baixa concentração proteica, porém com proteínas essenciais para a defesa e preservação da qualidade do mel. O presente trabalho também identificou algumas dezenas de proteoformas de MRJPs, desempenhando um importante papel na regulação da imunidade de A. melllifera. A análise proteômica dos méis de S. postica e T. angustula detalhou os processos biológicos envolvidos na transformação do néctar em mel, evidenciando a complexidade das interações ecológicas associadas. A pesquisa revelou que essas abelhas sem ferrão desempenham um papel central na conversão do néctar em açúcares simples por meio de enzimas como amilase, α-glicosidase, maltase e glucosilceramidase. Essas enzimas são responsáveis pela quebra de carboidratos complexos presentes nos néctares das plantas forrageadas pelas abelhas. Notavelmente, S. postica e T. angustula não apresentam proteínas semelhantes às MRJPs, típicas em abelhas do gênero Apis, indicando que deve haver outras proteínas responsáveis pelos processos imunológicos das abelhas sem ferrão. Nas abelhas sem ferrão, além das enzimas que atuam na conversão dos açucares complexos em carboidratos simples, também foi evidenciada a contribuição significativa, de bactérias dos gêneros Lactobacillus e Bacillus, por seus papeis na fermentação e modificação de açúcares. A detecção de proteínas de patógenos nos méis das três espécies de abelhas, como Melissococcus plutonius e Paenibacillus larvae, e de fungos do gênero Nosema, ressaltou a importância da análise proteômica para monitorar a qualidade sanitária das colmeias, permitindo a identificação precoce de riscos antes do surgimento de sintomas. A análise funcional das proteínas de A. mellifera africanizada realizada pelo uso do algoritmo STRING, através da simulação da interação proteína-proteína revelou uma predominância de processos de defesa contra patógenos, apresentado por algumas das proteínas presente na composição do mel. Para o mel de S. postica, a análise feita com este algoritmo revelou a importância do metabolismo de carboidratos e lipídios para composição de mel, para a proteção que o mel oferece contra estresse oxidativo de meio. Em T. angustula além dos processos metabólicos de carboidratos e lipídios, também revelou-se ação protetoras das proteínas do mel contra o estresse térmico, no controle da síntese proteica e na replicação de DNA. A análise do funcional do proteoma de Bacillus encontrado no mel de S. postica evidenciou funções como síntese de compostos antibióticos e reparo de DNA. Este estudo demonstrou ainda a eficácia da abordagem proteômica na identificação de proteínas de origem vegetal presentes nos méis, e permitindo a identificação taxonômica dos organismos produtores destas proteínas. Desta maneira, o uso de análise proteômica shotgun dos méis em geral, também pode ser utilizada para rastrear a flora utilizada pelas abelhas para realizar a coleta de néctar, e assim certificar a origem botânica dos méis.