8/10/2019 Science 1996 Plettner 1851 3

1/3

Iw a

f r a m e

m a g n e t i c f i e l d s

m a y a l s o

p r o v e a d -

v a n t a g e o u s 2 7 ) .

T h e w i n d o w

i s t h u s

o p e n e d

t o

o t h e r p o t e n t i a l

a p p l i c a t i o n s

w h e r e x e n o n m a y

b e

a d s o r b e d

i n

m a t e r i a l s

a n d o n

s u r f a c e s , o r

d i s s o l v e d i n

b l o o d

a n d

o t h e r

b i o l o g i c a l

s y s t e m s .

REFERENCES AND

NOTES

1 . A . K a s t l e r , J .

P h y s .

R a d i u m

1 1 ,

2 5 5

1 9 5 0 ) .

2 .

M . A . B o u c h i a t , T .

R .

C a r v e r ,

C .

M . V a r n u m , P h y s .

R e v . L e t t. 5 ,

3 7 3

1 9 6 0 ) ;

T .

R .

C a r v e r , S c i e n c e 1 4 1 ,

5 9 9

1 9 6 3 ) .

3 .

W .

H a p p e r ,

R e v .

M o d .

P h y s .

4 4 , 1 6 9

1 9 7 2 ) ; W .

H a p p e r e t a l . ,

P h y s . R e v .

A 2 9 ,

3 0 9 2

1 9 8 4 ) ;

B .

D r i e h u y s , G .

D . C a t e s ,

W .

H a p p e r , P h y s .

R e v . L e t t .

7 4 , 4 9 4 3

1 9 9 5 ) .

4 .

M .

A .

S p r i n g u e l h u e t , J .

L .

B o n a r d e t , J .

F r a i s s a r d ,

A p p l . M a g n . R e s o n .

8 , 4 2 7

1 9 9 5 ) ; M . P f e f f e r a n d 0 .

L u t z ,

J . M a g n .

R e s o n .

A l

0 8 , 1 0 6 1 9 9 4 ) .

5 .

D . R a f t e r y

e t a l . , P h y s . R e v . L e t t .

6 6 , 5 8 4

1 9 9 1 ) .

6 .

B . D r i e h u y s

e t a l . , P h y s . L e t t . A l

8 4 , 8 8

1 9 9 3 ) .

7 .

C . R .

B o w e r s , H .

W .

L o n g ,

T .

P i e t r a s s ,

H .

C . G a e d e ,

A .

P i n e s , C h e m .

P h y s . L e t t . 2 0 5 ,

1 6 8

1 9 9 3 ) .

8 .

H .

W .

L o n g

e t a l . ,

J .

A m .

C h e m .

S o c . 1 1 5 ,

8 4 9 1

1 9 9 3 ) .

9 .

K . F .

W o o d m a n ,

P . W .

F r a n k ,

M . D .

R i c h a r d s ,

J .

N a v i g . 4 0 , 3 6 6 1 9 8 7 ) .

1 0 .

M .

M e h r i n g ,

S .

A p p e l t ,

H .

L a n g e n ,

G .

W a e c k e r l e ,

i n

H i g h P r e c i s i o n N a v i g a t i o n

9 1 , K .

L i n k w i t z a n d U .

H a n g l e i t e r , E d s .

( D u e m m i e r V e r l a g ,

B o n n , 1 9 9 2 ) ,

p p .

5 5 9 - 5 6 8 .

1 1 .

M .

S .

A l b e r t e t a l . , N a t u r e

3 7 0 ,

1 9 9

1 9 9 4 ) .

1 2 .

Y . - O .

S o n g

e t a l . , J .

M a g n .

R e s o n . Al1,

1 2 7

1 9 9 5 ) .

1 3 .

A .

W .

O v e r h a u s e r ,

P h y s .

R e v . 9 1 , 4 7 6 1 9 5 3 ) ;

i b i d .

9 2 , 4 1 1

1 9 5 3 ) .

1 4 .

T .

R .

C a r v e r

a n d C .

P .

S l i c h t e r ,

i b i d . 9 2 , 2 1 2

1 9 5 3 ) ;

C .

P .

S l i c h t e r ,

i b i d . 1 0 2 , 9 7 5

1 9 5 6 ) .

1 5 .

R e v i e w e d

b y

K . H .

H a u s s e r

a n d D . S t e h l i k

[ A d v .

M a g n .

R e s o n . 3 ,

7 9

1 9 6 8 ) ] .

1 6 . I S o l o m o n ,

P h y s .

R e v .

9 9 ,

5 5 9

1 9 5 5 ) .

1 7 .

A .

G .

R e d f i e l d ,

IBM

J .

R e s . D e v .

1 , 1 1 9 5 7 ) .

1 8 . A .

K u m a r , R .

R .

E r n s t ,

K .

W u t h r i c h ,

B i o c h e m . B i o -

p h y s . R e s .

C o m m u n .

9 5 , 1 1 9 8 0 ) .

1 9 .

K .

B a r t i k , M .

L u h m e r , J .

R e i s s e , p a p e r p r e s e n t e d

a t

t h e

3 5 t h E x p e r i m e n t a l

N u cl e ar M a g ne t i c

R e s o n a n c e

C o n f e r e n c e ,

P a c i f i c

G r o v e ,

C A ,

1 9 9 4 ;

Y .

X u ,

P .

T a n g , p a p e r p r e s e n t e d

a t

t h e s o c i e t y o f M a g n e t i c

R e s o n a n c e

A n n u a l M e e t i n g ,

N i c e , F r a n c e ,

1 9 t o

2 5

A u g u s t 1 9 9 5 .

2 0 .

A . M o s c h o s a n d

J .

R e i s s e , J . M a g n .

R e s o n .

9 5 , 6 0 3

1 9 9 1 ) ;

P .

D i e h l a n d J .

J o k i s a a r i ,

i b i d . 8 8 ,

6 6 0

1 9 9 0 ) .

O u r

v a l u e f o r t h e

s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t i m e

f o r

1 2 9 X e

i n

p a r t i a l l y d e u t e r a t e d

b e n z e n e i s

l o n g e r

t h a n

t h e

v a l u e

g i v e n

i n

t h e s e r e f e r e n c e s f o r

f u l l y d e u t e r a t e d

b e n z e n e ,

p r o b a b l y

b e c a u s e o f

X e

e x c h a n g e

b e -

t w e e n

g a s a n d s o l u t i o n

p h a s e s .

2 1 .

C r o s s - r e l a x a t i o n

b e t w e e n t h e t w o

s p i n s y s t e m s , a n d

S , i s

d e s c r i b e d

b y

t h e

S o l o m o n

e q u a t i o n s 2 8 , 2 9 ) :

d

d

/Z

- P / / 7

/ 0 )

-

U / S S Z S o )

2 )

d

- S z

=

- P s S z

S o )

s , l

/ 0

w h e r e

I

a n d

S ,

a r e

t h e

z

c o m p o n e n t s

o f

t h e

a n d

S

s p i n s

a n d

/ O

a n d

S O

a r e

t h e

e q u i l i b r i u m v a l u e s ; p ,

a n d

P s

a r e t h e

a u t o r e l a x a t i o n r a t e s .

T h e

c r o s s - r e l a x a t i o n

r a t e s ,

U X S

a n d

r S /

a r e

r e l a t e d t o e a c h

o t h e r b y

I l l

1 ) N s

3

U I s

S I S +

1 ) N ,

s

3 )

w h e r e

N ,

a n d

N s

a r e

t h e

c o n c e n t r a t i o n s o f a n d S

s p i n s

i n

t h e

l i q u i d .

A t

t i m e

t o ,

g o e s

t h r o u g h e i t h e r

a

m i n i m u m o r

a

m a x i m u m ,

d e p e n d i n g o n

t h e

s i g n

o f

[ S t o )

S O ] .

A t

t h i s

t i m e ,

0 ,

a n d f r o m

E q .

2

o n e

o b t a i n s

d t

1 t 0 )

/ 0

-.-S

y S S ( S

1 )

[ S Z t 0 )

S o ]

/ o

P /

- , l /

1 )

S o

w h e r e

t h e

h i g h t e m p e r a t u r e

a p p r o x i m a t i o n

f o r

S O

a n d

/ O wa s

u s e d ,

/ O -

I l

1 ) h y , B o / 3 k B T ) , S O -

S ( S

+

1 ) h - y s B , , 3 k B T ) ,

w h e r e h i s

t h e P l a n c k

c o n s t a n t ,

k B

t h e

B o l t z m a n n

c o n s t a n t ,

B o

t h e

e x t e r n a l m a g -

n e t i c

f i e l d

s t r e n g t h ,

a n d

T

t h e

t e m p e r a t u r e

o f

t h e

l i q u i d .

u / s

c a n

b e

e s t i m a t e d

b y

means

o f

E q .

3 a n d

t h e r e l a t i o n b e t w e e n

a s a n d

p g ,

t h e

p a r t

o f

t h e

a u t o r e l a x a t i o n r a t e

o f

s p i n s

S d u e t o t h e i r

d i p o l a r

i n t e r a c t i o n

w i t h

s p i n s

1 .

I n

t h e

f a s t

m o t i o n

l i m i t ,

S ( S

+

1 )

S 2 1 1

+

1 )

P s

5 )

F r o m

E q s .

3

a n d

5 o n e t h e n

o b t a i n s

N 5

s

U / S =

2 N ,

P s

6 )

2 2 .

I n o r d e r

t o

e s t i m a t e

t h e c r o s s - r e l a x a t i o n

r a t e

, l s

E q .

6 ) ,

we u s e

p s

=

( 3 9 0 s ) -

,

d e t er m i ne d f r o m t h e

v a l u e

o f

t h e s p i n - l a t ti c e r e l a x a t i o n

t i m e s T 1 )

o f 2 9 X e

i n

b e n z e n e a n d

f u l l y

d e u t e r a t e d

b e n z e n e s o l u t i o n

2 0 ) .

T h e r a t i o o f

1 2 9 X e ( 8 0

e n r i c h e d ) t o 1 H i n

C e H e

i s

N s / N l

=

0 . 0 0 1 5 , u s i n g t h e s o l u b i l i t y

d a t a o f X e i n

b e n z e n e

0 . 0 1 1

m o l e

f r a c t i o n

a t

1 a t m a n d

2 5 C )

3 0 ) .

One o b t a i n s

a l s

=

1 . 9

X

1 0 - 6 s - 1 ,

i n d e p e n -

d e n t o f

t h e

c o n c e n t r a t i o n

o f

I s p i n s

2 9 )

a n d

a s -

s u m e d

t o b e t h e same i n

t h e p a r t i a l l y

d e u t e r a t e d

b e n z e n e .

2 3 . E a r l y

g a s

M NR

i m a g e s

o f

a l u n g w e r e o b t a i n e d

b y

H e i d e l b e r g e r

a n d

L a u t e r b u r , S o c i e t y

o f

M a g n e t i c

R e s o n a n c e

i n

M e d i c i n e , 1 s t

a n n u a l

g e n e r a l m e e t i n g ,

1 9 8 2 ) .

2 4 .

H . M i d d l e t o n ,

R . D .

B l a c k ,

B .

S a a m ,

G .

D .

C a t e s , W .

H a p p e r ,

M a g n .

R e s o n . M e d . 3 3 ,

2 7 1

1 9 9 5 ) .

2 5 . J . B .

M i l l e r , J .

H .

W a l t o n ,

C .

M .

R o l a n d ,

M a c r o m o l -

e c u l e s

2 6 ,

5 6 0 2

1 9 9 3 ) .

2 6 . R . F . T i l t o n a n d J .

I .

D .

K u n t z ,

B i o c h e m i s t r y

2 1 ,

6 8 5

1 9 8 2 ) .

2 7 .

A .

G .

R e d f i e l d , P h y s .

R e v .

9 8 ,

1 7 8 7

1 9 5 5 ) ;

S . R

A r e p a l l i ,

C . P .

J .

G l a u d e m a n s ,

J .

G .

D o y l e D a v e s ,

P

K o v a c ,

A .

B a x ,

J .

M a g n .

R e s o n .

B

1 0 6 , 1 9 5

1 9 9 5 )

2 8 .

A .

A b r a g a m ,

P r i n c i p l e s

o f

N u c l e a r

M a g n e t i s m

C l a

e n d o n , O x f o r d ,

1 9 6 1 ) .

2 9 .

J .

H .

N o g g l e

a n d R .

E .

S c h i r m e r ,

T h e

N u c l e a r

O v e r

h a u s e r

E f f e c t : C h e m i c a l

A p p l i c a t i o n s

A c a d e m i

P r e s s ,

New

Y o r k , 1 9 7 1 ) .

3 0 . W . F .

L i n k e a n d A .

S e i d e l l ,

S o l u b i l i t i e s

V a n

N o s t r a n d

P r i n c e t o n ,

N J ,

e d .

4 ,

1 9 5 8 ) .

3 1 . H .

C .

G a e d e , t h e s i s , U n i v e r s i t y

o f

C a l i f o r n i a

a t

B e r k e

l e y 1 9 9 5 ) ;

H . C .

G a e d e e t

a l . , A p p l . M a g n .

R e s o n .

8

3 7 3

1 9 9 5 ) .

3 2 .

A .

H a a s e ,

J .

F r a h m ,

D .

M a t t h a e i ,

W .

H a n i c k e ,

K . D

M e r b o l d t ,

J .

M a g n .

R e s o n .

6 7 ,

2 5 8

1 9 8 6 ) .

3 3 . P .

M a n s f i e l d ,

J .

P h y s .

C

1 0 ,

L 5 5

1 9 7 7 ) .

3 4 .

S u p p o r t e d

b y

t h e

D i r e c t o r ,

O f f i c e

o f

E n e r g y

R e s e a r c h

O f f i c e o f

B a s i c

E n e r g y S c i e n c e s ,

M a t e r i a l s S c i e n c e

D i v i s i o n ,

o f

t h e

U . S .

D e p a r t m e n t

o f

E n e r g y

u n d e r

c o n

t r a c t

D E - A C 0 3 - 7 6 S F 0 0 0 9 8 . Y . - O . S .

wa s a M i l l e r

R e

s e a r c h

F e l l o w ,

p a r t i a l l y

s u p p o r t e d

b y

t h e M i l l e r

I n s t i

t u t e f o r B a s i c

R e s e a r c h i n

S c i e n c e ;

S . A .

wa s

p a r t i a l l

s u p p o r t e d

b y

t h e D e u t s c h e

F o r s c h u n g s g e m e i n

s c h a f t ;

a n d T .

R . wa s

p a r t i a l l y s u p p o r t e d

b y

t h e N a

t i o n a l

S c i e n c e

F o u n d a t i o n

t h r o u g h g r a n t

F D 9 3 - 1

1 9 1

a d m i n i s t e r e d

b y

t h e

D e p a r t m e n t o f

P h y s i c s .

7

N o v e m b e r

1 9 9 5 ;

a c c e p t e d 2 4 J a n u a r y 1 9 9 6

C a s t e - S e l e c t i v e

P h e r o m o n e

B i o s y n t h e s i s

i n

H o n e y b e e s

E r i k a P l e t t n e r , K e i t h

N .

S l e s s o r , *

M a r k

L .

W i n s t o n ,

J a m e s E .

O l i v e r

Q u e e n

a n d

w o r k e r h o n e y b e e s

A p i s m e l l i f e r a

L . )

p r o d u c e

a c a s t e - r e l a t e d

b l e n d

o f

f u n c -

t i o n a l i z e d 8 -

a n d 1

0 - c a r b o n

f a t t y

a c i d s

i n

t h e i r m a n d i b u l a r

g l a n d s .

T h e

b i o l o g i c a l

f u n c t i o n s

o f t h e s e

compounds

m a t c h

t h e

q u e e n s r e p r o d u c t i v e

a n d

t h e

w o r k e r s

n o n r e p r o d u c t i v e

r o l e s i n t h e

c o l o n y .

S t u d i e s w i t h

d e u t e r a t e d

s u b s t r a t e s r e v e a l e d

t h a t

t h e

b i o s y n t h e s i s

o f

t h e s e

a c i d s

b e g i n s

w i t h

s t e a r i c a c i d ,

w h i c h

i s

h y d r o x y l a t e d

a t

t h e 1 7 t h

or

1 8 t h

p o s i t i o n .

T h e

1 8 - c a r b o n

h y d r o x y

a c i d

c h a i n s ar e

s h o r t e n e d ,

a n d t h e

r e s u l t i n g 1 0 - c a r b o n

h y d r o x y

a c i d s

ar e

o x i d i z e d

i n

a c a s t e - s e l e c t i v e

manner, t h e r e b y

d e t e r m i n i n g

m a n y

o f t h e

f u n c t i o n a l

d i f f e r e n c e s b e t w e e n

queens

a n d

w o r k e r s .

One

o f

t h e

m o s t

r e m a r k a b l e

a s p e c t s

o f

s o c i a l i n s e c t

b i o l o g y

i s t h e

s e p a r a t i o n

o f

f e m a l e

c o l o n y

m e m b e r s i n t o

r e p r o d u c t i v e

a n d

n o n r e p r o d u c t i v e

c a s t e s :

q u e e n s

a n d

w o r k e r s 1 ) .

A

m a j o r

d i f f e r e n c e b e t w e e n

t h e

f e m a l e

h o n e y b e e

c a s t e s i s

t h e

b l e n d o f

8 -

a n d

1 0 - c a r b o n

f u n c t i o n a l i z e d

f a t t y

a c i d s

f o u n d

i n

t h e

m a n d i b u l a r

g l a n d s .

Q u e e n s

h a v e

p r e d o m i n a n t l y

9 - h y d r o x y - E ) 2 - d e c e -

n o i c

a c i d

( 9 - H D A )

a n d o t h e r a c i d s f u n c -

t i o n a l i z e d

a t

t h e

p e n u l t i m a t e

w

-

1 )

p o s i -

t i o n , a m o n g

t h e m

9 - k e t o - E ) 2 - d e c e n o i c

a c i d

( O D A )

2 ) .

W o r k e r s h av e a c i d s

f u n c -

E .

P l e t t n e r

a n d

K . N .

S l e s s o r ,

D e p a r t m e n t

o f

C h e m i s t r y ,

S i m o n

F r a s e r

U n i v e r s i t y ,

B u r n a b y ,

B r i t i s h

C o l u m b i a

V5A

1

S 6 ,

C a n a d a .

M . L .

W i n s t o n , D e p a r t m e n t

o f

B i o l o g i c a l

S c i e n c e s ,

S i m o n

F r a s e r

U n i v e r s i t y ,

B u r n a b y ,

B r i t i s h C o l u m b i a

V5A 1

S 6 ,

C a n a d a .

J . E .

O l i v e r ,

U . S .

D e p a r t m e n t

o f

A g r i c u l t u r e ,

A g r i c u l t u r a l

R e s e a r c h

S e r v i c e ,

B e l t s v i l l e

A g r i c u l t u r e

R e s e a r c h

C e n t e r ,

B e l t s v i l l e ,

M D

2 0 7 0 5 - 2 3 5 0 ,

U S A .

* T o whom

c o r r e s p o n d e n c e

s h o u l d b e

a d d r e s s e d .

SCIENCE

*

VOL.

2 7 1

*

2 9 MARCH

1 9 9 6

t i o n a l i z e d a t t h e

l a s t

X ) p o s i t i o n s u c h a s

1 0 - h y d r o x y - E ) 2 - d e c e n o i c

a c i d

( 1 0 - H D A ) ,

i t s

s a t u r a t e d

c o u n t e r p a r t , a n d t h e

c o r r e -

s p o n d i n g

d i a c i d s 3 ) .

T h e q u e e n s

a c i d s ,

9-HDA a n d

ODA, a r e

c o m p o n e n t s o f t h e

q u e e n

m a n d i b u l a r

p h e r o m o n e

( Q M P ) , a

p o w e r f u l

a t t r a c t a n t

o f w o r k e r s

a n d

o n e c u e

r e s p o n s i b l e

f o r t h e r e t i n u e o f

w o r k e r s

a r o u n d

t h e

q u e e n .

T h e

q u e e n

a s s e r t s

h e r

r e p r o d u c t i v e

d o m i n a n c e

b y

m e d i a t i n g s o m e

w o r k e r

a c t i v i t i e s

a s s o c i a t e d w i t h

c o l o n y

g r o w t h

a n d

r e p r o d u c t i o n

t h r o u g h

h e r

QM P

s i g n a l

2 ,

4 ,

5 ) .

T h e

w o r k e r - p r o d u c e d

a c i d s

a r e

s e c r e t e d i n b r o o d f o o d

6 ) w h e r e

t h e y

m a y f u n c t i o n a s

p r e s e r v a t i v e s 7 )

a n d

l a r v a l

n u t r i e n t s

8 ) .

T h u s ,

q u e e n s

a n d

w o r k e r s

p r o d u c e c o m p o u n d s

t h a t f i t

t h e i r

r e s p e c t i v e

r e p r o d u c t i v e

a n d

n o n r e p r o d u c t i v e

r o l e s

a n d

d i f f e r o n l y

i n

t h e

p o s i t i o n

o f t h e

f u n c t i o n a l

g r o u p .

H e r e , w e

r e p o r t

t h e e l u c i d a t i o n

o f

t h e b i o c h e m i c a l

p a t h w a y

t h a t

d e t e r m i n e s

w h e t h e r a

h o n e y b e e

f e m a l e

w i l l

p r o d u c e

1 8 5 1

8/10/2019 Science 1996 Plettner 1851 3

2/3

q u e e n

o r w o r k e r

s u b s t a n c e s

i n

h e r m a n d i b -

u l a r

g l a n d s .

T h e f u n c t i o n a l i z a t i o n

p a t t e r n o f

t h e

m a n d i b u l a r a c i d s i n q u e e n s

a n d

w o r k e r s

w a s

t h o u g h t t o

b e

m u t u a l l y e x c l u s i v e

u n t i l

ODA w a s

f o u n d

i n

t h e g l a n d s

o f s o m e

q u e e n l e s s

w o r k e r s 9 ) a n d

t r a c e s

o f

9-HDA

i n

q u e e n r i g h t w o r k e r s

1 0 ) . C o n v e r s e l y ,

m a t e d q u e e n s

c o n t a i n

s m a l l a m o u n t s

o f

1 0 -

HDA

1 1 ) .

T h u s ,

b o t h

c a s t e s

h a v e

t h e

c a -

p a b i l i t y

o f

p r o d u c i n g

1 0 - c a r b o n

w -

a n d ( w

-

1 ) - f u n c t i o n a l i z e d

a c i d s , b u t d i f f e r

i n t h e

s e l e c t i v i t y

o f t h e i r

b i o s y n t h e s i s .

I n t h i s

s t u d y

w e

i n v e s t i g a t e d

t h e

b i o s y n t h e s i s

o f

w -

a n d

( w

-

1 ) - f u n c t i o n a l i z e d

m a n d i b u l a r a c -

i d s i n b o t h

c a s t e s t o

u n d e r s t a n d h o w

t h e

c a s t e - s e l e c t i v e p a t t e r n a r i s e s .

We

p r o p o s e t h a t

c a s t e - d e t e r m i n e d

b i o -

s y n t h e s i s

o f m a n d i b u l a r

a c i d s

c a n b e

v i e w e d

a s

a

b i f u r c a t e d

t h r e e - s t e p

p a t h w a y F i g . 1 ) .

T h e

w

a n d

w

-

1 b r a n c h e s

a r e e s t a b l i s h e d

a t

t h e f i r s t

s t e p : h y d r o x y l a t i o n

o f s t e a r i c

a c i d

a t

t h e

1 8 t h

w )

o r

1 7 t h ( w

-

1 )

p o s i t i o n .

T h e r e s u l t i n g

1 8 - c a r b o n

h y d r o x y

a c i d

c h a i n s

a r e

s h o r t e n e d

t o

t h e

m a j o r

c o m p o -

n e n t s o f

t h e

b l e n d ,

1 0 - H D A a n d 9 - H D A .

O x i d a t i o n

o f

t h e

w -

a n d

( w

-

1 - h y d r o x y

g r o u p

t o g i v e

d i a c i d s

a n d k e t o a c i d s , r e s p e c -

t i v e l y ,

c o m p l e t e s

t h e

p r o c e s s .

To

s t u d y

t h e

b i o s y n t h e s i s

o f

m a n d i b u -

l a r a c i d s , w e a p p l i e d

s p e c i f i c a l l y

d e u t e r -

a t e d

t e s t

c o m p o u n d s

1 2 )

t o

e x c i s e d

m a n -

d i b u l a r g l a n d s

a n d

f o l l o w e d t h e

c o n v e r -

s i o n

o f t h e a c i d s

b y

g a s c h r o m a t o g r a p h y -

m a s s

s p e c t r o m e t r y

( G C - M S )

1 3 ) .

A

c o m p a r i s o n

o f

t h e

i n c o r p o r a t i o n

o f

f a t t y

a c i d s o f d i f f e r e n t

c h a i n

l e n g t h

r e v e a l e d

t h a t

s t e a r i c

a c i d

w a s

i n c o r p o r a t e d

i n t o

t h e

h y d r o x y

a c i d s

m o r e

e f f i c i e n t l y

t h a n

p a l m i t i c

o r d e c a n o i c a c i d 1 4 ) . F u r t h e r

e x p e r i m e n t s

c o n f i r m e d

t h a t

s t e a r i c

a c i d i s

0

OH

F u n c t i o n a l i z a t i o n

1 3 - O x i d a t i o

0

1

0-HDA

/

H y d r o x y g r c

o x i d a t i o n

0

H I O

Y

~

H

0 C 1 0 : 1

DA

W o r k e r s

OH

) n |

OH

O

9 - H D A

0

0

ODA

Q u e e n s

F i g .

1 .

B i o s y n t h e s i s

o f

t o -

a n d

t o

1 ) - f u n c t i o n a l -

i z e d

1

0 - c a r b o n a c i d s f r o m

s t e a r i c a c i d

i n

w o r k e r

a n d

q u e e n

h o n e y b e e s .

C 1 0 : 1

D A , E ) 2 - d e c e n e -

d i o i c

a c i d .

t h e e n t r y

p o i n t t o

t h e b i o s y n t h e t i c

p a t h -

w a y o f t h e m a n d i b u l a r

a c i d s . A s s a y s

w i t h

l a b e l e d

w-

a n d o

-

1

) - h y d r o x y

a c i d s

r e v e a l e d t h a t t h e E ) 2 - u n s a t u r a t e d

h y -

d r o x y a c i d s

a r e d e r i v e d

f r o m

t h e i r

s a t u r a t -

e d c o u n t e r p a r t s ,

a n d t h a t

d i a c i d s a n d k e t o

a c i d s a r e d e r i v e d f r o m

t h e

c o r r e s p o n d i n g

h y d r o x y

a c i d s . No

i s o m e r i z a t i o n

b e t w e e n

10-HDA a n d 9-HDA w a s d e t e c t e d ,

s o t h e

p o o l s

o f

w-

a n d

w

-

1 ) - h y d r o x y

a c i d s

a p p e a r

t o b e

i n d e p e n d e n t

1 5 ) .

B e c a u s e

t h e p r e c u r s o r

t o

t h e

m a n d i b u -

l a r a c i d s i s l o n g e r t h a n t h e

p r o d u c t s , t h e

b i o s y n t h e t i c

p a t h w a y m u s t i n c l u d e

a t l e a s t

t w o p r o c e s s e s

t h a t

c o u l d

o c c u r i n

e i t h e r

o r d e r :

t h e i n t r o d u c t i o n

o f

t h e

h y d r o x y

g r o u p

f u n c t i o n a l i z a t i o n )

a n d c h a i n

s h o r t -

e n i n g . E x t r a c t s

o f m a n d i b u l a r g l a n d s

c o n -

t a i n

s m a l l

b u t d e t e c t a b l e

a m o u n t s o f

t h e

1 2 -

a n d

1 4 - c a r b o n

h o m o l o g s o f

t h e

m a n -

d i b u l a r a c i d s .

T h i s

f a c t , a n d t h e o b s e r v a -

t i o n t h a t s t e a r i c

a c i d

i s t h e p r e c u r s o r ,

p r o m p t e d

u s t o d e m o n s t r a t e t h a t

t h e

g l a n d s c a n

s h o r t e n l a b e l e d

1 8 - a n d

1 7 -

h y d r o x y s t e a r i c

a c i d

c h a i n s

t o

t h e

1 2 -

a n d

1 0 - c a r b o n l e n g t h

F i g . 2 ) . No c h a i n e l o n -

g a t i o n

o c c u r r e d

w h e n

l a b e l e d

1 0 - c a r b o n

h y d r o x y

a c i d s

w e r e

a p p l i e d t o t h e g l a n d s ,

s o

t h e l o n g e r

c h a i n h o m o l o g s

a r i s e

t h r o u g h

s h o r t e n i n g

o f

t h e

1 8 - c a r b o n

h y -

d r o x y

a c i d s .

We u s e d a 1 3 - o x i d a t i o n

i n h i b -

i t o r 1 6 )

[ 2 - f l u o r o s t e a r i c a c i d

1 7 ) ]

t o c o n -

f i r m t h a t

f u n c t i o n a l i z a t i o n p r e c e d e s

c h a i n

s h o r t e n i n g b y

1 3 - o x i d a t i o n .

B o t h

w-

a n d

( w

-

1 ) - h y d r o x y a c i d s

w i t h

m o r e

t h a n

1 0

c a r b o n s

a c c u m u l a t e d w h e n

w o r k e r s a n d

0 )

1 0

. 0

0

E

4 :

4 0 0 -

A

3 0 0 -

l

W o r k e r s

U

Q u e e n s

2 0 0 -

1 0 0 -

ol d

a d s

w - H y d r o x y

a c i d s

1 2 : 0 1 2 : 1

1 0 : 0

1 0 : 1

( X

-

1 ) - H y d r o x y

a c i d s

F i g .

2 .

, 8 - O x i d a t i o n

o f

A )

1 8 - D 1

1

8 - h y d r o x y -

a n d

B ) 1 8 , 1 8 , 1 7 - D 3

1 7 - h y d r o x y s t e a r i c

a c i d s t o

s h o r t -

e r

s a t u r a t e d

: 0 )

a n d

E ) 2 - u n s a t u r a t e d : 1 )

t -

a n d

t

-

1 ) - h y d r o x y

a c i d s , r e s p e c t i v e l y ,

i n w o r k e r s

a n d

q u e e n s .

T h e b a r s

r e p r e s e n t

t h e

mean

a m o u n t

i n

n a n o g r a m s

o f

l a b e l e d

c h a in - sh o r t en e d p r o d -

u c t .

E r r o r

b a r s

s h o w

t h e s t a n d a r d

e r r o r

n

=

1 0

f o r

w o r k e r s a n d

8

f o r

q u e e n s ) .

q u e e n s w e r e t r e a t e d w i t h l a b e l e d

s t e a r

a c i d a n d

t h e i n h i b i t o r T a b l e

1 ) , c o n f i r

i n g

t h e

o r d e r

o f t h e

t w o

p r o c e s s e s .

I n

t h e

t r e a t m e n t s

w i t h a 1 3 - o x i d a t i

i n h i b i t o r ,

l a b e l e d 1 2 - h y d r o x y d o d e c a n o i

a c i d

w a s

d e t e c t e d ,

b u t 1 2 - h y d r o x y - E ) 2 - d

d e c e n o i c a c i d

a n d

t h e

1 0 -

a n d 8 - c a r b

a c i d s w e r e n ot

F i g .

3 ) . F u r t h e r , t h e 1 4 -

a

1 6 - c a r b o n

h y d r o x y

a c i d s w e r e

p r e s e n t

t r a c e

a m o u n t s

( < 5

n g )

a n d

s h o w e d

n o

s

n i f i c a n t i n c o r p o r a t i o n o f

l a b e l i n t h e p r e

e n c e

o r

a b s e n c e

o f

2 - f l u o r o s t e a r i c

a c i

T h e s e

o b s e r v a t i o n s

s u g g e s t t h a t

1 3 - o x i d

t i o n m a y

b e

t i g h t l y

c o u p l e d

w i t h

l i t t l e r

l e a s e o f i n t e r m e d i a t e a c y l c o e n z y m e

( C o A )

e s t e r s

b e t w e e n

t h e 1 8 - a n d

1 2 - c a

b o n

h y d r o x y

a c i d s .

A

d i f f e r e n t

s e t o f

, B - o

i d a t i o n e n z y m e s

m a y

c o n t i n u e

t h e

c h a i

s h o r t e n i n g p r o c e s s

f r o m

t h e 1 2 - c a r b

l e n g t h

o n w a r d .

A t

t h a t p o i n t ,

2 - f l u o r

s t e a r o y l

Co A

c o u l d

c o m p e t e

w i t h t h e

i n t e

m e d i a t e

1 2 - c a r b o n h y d r o x y a c y l

Co A e s t e

t h e r e b y

i n h i b i t i n g

f u r t h e r

1 3 - o x i d a t i o n .

F o r m a t i o n

a n d c h a i n s h o r t e n i n g

o f

a n d

( w

-

1 ) - h y d r o x y

a c i d s

w a s

d e t e c t e d

b o t h

c a s t e s

w i t h l a b e l e d

s t e a r i c a c i d

F

4 ) . H o w e v e r ,

b o t h c a s t e s

b i a s

b i o s y n t h e s

t o w a r d

t h e i r

p r e d o m i n a n t

e n d

p r o d u c t

a c h i e v e

t h e i r

c h a r a c t e r i s t i c

b l e n d .

We u s

d a t a

f r o m

s e v e r a l

e x p e r i m e n t s

t o

e x a m i

e a c h

s t e p

i n

t h e

p a t h w a y .

We

s t u d i e d f u n c t i o n a l i z a t i o n

b y

a p p l

i n g

l a b e l e d s t e a r i c

a c i d

a n d 2 - f l u o r o s t e a r

a c i d t o

g l a n d s

a n d

c o m p a r i n g

t h e

a m o u n

o f l a b e l e d

1 8 -

t o

1 2 - c a r b o n

w-

a n d

w

1

) - h y d r o x y

a c i d s t h a t

a c c u m u l a t e d

e a c h c a s t e

T a b l e

1 ) . B e c a u s e a l l t h e

h

d r o x y

a c i d s f o u n d

i n t h e

m a n d i b u l

g l a n d s

a r e

d e r i v e d

f r o m

1 7 -

a n d

1 8 - h

d r o x y s t e a r i c a c i d s ,

a n d

t h e l a t t e r

a r e t

p r o d u c t

o f

t h e f u n c t i o n a l i z a t i o n r e a c t i o

t h e t o t a l l a b e l e d h y d r o x y

a c i d a c c u m u l a

e d

g i v e s

a n i n d i c a t i o n

o f

t h e

e q u i v a l e n

T a b l e

1 .

H y d r o x y l a t i o n

i s

n o t b i a s e d

i n w o r k e r s

q u e e n s .

A m o u n t s o f l a b e l e d

h y d r o x y

a c i d s

H A s

1 2

a n d

1 8 c a r b o n s l o n g ,

a c c u m u l a t e d d u r i n g

1

m i n p e r f u s i o n s w i t h

D 1

s t e a r i c a c i d

a s t h e

s u

s t r a t e ,

i n

t h e

p r e s e n c e + )

a n d

a b s e n c e

- )

2 - f l u o r o s t e a r i c a c i d ,

a

, 8 - o x i d a t i o n

i n h i b i t o r

I n h . )

=

8

f o r

b o t h c a s t e s ) .

F o r w o r k e r s

t w o

g l a n d s

w e

p e r f u s e d

p e r

r e p l i c a t e ,

a n d

f o r

q u e e n s

o n e

g l a

was

p e r f u s e d

p e r

r e p l i c a t e .

w - H A

w

-

1 ) - H

C a s t e I n h .

a c c u m u l a t i o n a c c u m u l a t i o

n m o l ) n m o l )

W o r k e r s

+ 0 . 1 3

0 . 0 3 *

0 . 0 9

0 . 0

0 . 0 6

0 . 0 2

0 . 0 4

0 . 0

Q u e e n s

+

0 . 7 3

0 . 5 2 *

0 . 7 7

0 . 5

0 . 0 5

0 . 0 2

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* T h e r e

wa s

a

s i g n i f i c a n t

d i f f e r e n c e

b e t w e e n

t h e t r e

m e n t s

i n t h e

p r e s e n c e

a n d

a b s e n c e

o f

2 - f l u o r o s t e a

a c i d

p a i r w i s e c o m p a r i s o n ,

K r u s k a l - W a l l i s

P

s

0 . 0

T h e r e wa s n o

s i g n i f i c a n t

d i f f e r e n c e b e t w e e n

w-

a n d

1

) - h y d r o x y

a c i d s f o r

a n y

o n e t r e a t m e n t

K r u s k a l - W a l l i s

>

0 . 0 5 ) .

SCIENCE

* V O L .

2 7 1

*

2 9

MARCH

1 9 9 6

8 5 2

8/10/2019 Science 1996 Plettner 1851 3

3/3

o f s t e a r i c a c i d h y d r o x y l a t e d

d u r i n g t r e a t -

m e n t . I n

b o t h

c a s t e s , t h e r e

w a s

n o

s i g n i f -

i c a n t d i f f e r e n c e

b e t w e e n t h e a c c u m u l a t e d

w-

a n d W

-

1 ) - h y d r o x y

a c i d s ,

s u p p o r t i n g

t h e

h y p o t h e s i s

t h a t

h y d r o x y l a t i o n

i s n o t

b i a s e d .

We s t u d i e d

c h a i n s h o r t e n i n g b y

f o l l o w -

i n g t h e

i n c o r p o r a t i o n o f

l a b e l

i n t o

s h o r t e r

h y d r o x y

a c i d s

f r o m

l a b e l e d

1 8 -

a n d

1 7 -

h y d r o x y s t e a r i c

a c i d s

F i g .

2 ) .

I n

q u e e n s

1 8 -

h y d r o x y s t e a r i c

a c i d

w a s s h o r t e n e d

t o t h e

8 - c a r b o n

h o m o l o g , a n d 1 7 - h y d r o x y s t e a r i c

a c i d t o 9 - H D A .

I n

w o r k e r s 1 8 - h y d r o x y -

s t e a r i c a c i d

w a s s h o r t e n e d

t o t h e

p r i n c i p a l

1 0 - c a r b o n a c i d s ,

b u t 1 7 - h y d r o x y s t e a r i c

a c i d

w a s s h o r t e n e d o n l y

t o a

s m a l l e x t e n t .

I t w a s

n o t

p o s s i b l e

t o a s s e s s w h e t h e r w o r k e r s

h a v e

a

l o w ( w

-

1 ) - h y d r o x y

a c i d

c h a i n - s h o r t e n -

i n g a c t i v i t y

o r w h e t h e r t h e y

c h a n n e l

1 7 -

h y d r o x y s t e a r i c a c i d

i n t o

p r o d u c t s

t h a t w e r e

n o t

d e t e r m i n e d .

H o w e v e r ,

t h e d a t a

r e -

v e a l e d t h a t q u e e n s

a n d

w o r k e r s h a v e d i f f e r -

e n t s e l e c t i v i t i e s

o f

1 3 - o x i d a t i o n

c o n s i s t e n t

w i t h t h e i r

r e s p e c t i v e

b l e n d s o f

f u n c t i o n a l -

i z e d

a c i d s .

To

s t u d y

t h e

t h i r d

s t e p ,

w e f o l l o w e d t h e

o x i d a t i o n

o f l a b e l e d 10-HDA a n d

9-HDA

t o t h e d i a c i d ( C 1 0 : 1 D A )

a n d

t h e k e t o

a c i d

( O D A ) ,

r e s p e c t i v e l y ,

i n

b o t h c a s t e s .

W o r k e r s

a n d

n e w l y

e m e r g e d

v i r g i n q u e e n s

o x i d i z e d 10-HDA

t o

t h e

d i a c i d

1 5 ) ,

b u t

t h e y

d i d

n o t d e t e c t a b l y

o x i d i z e

9-HDA t o

ODA. S t u d i e s w i t h

w o r k e r

g l a n d h o m o g e -

n a t e s i n d i c a t e d

t h a t

h y d r o x y g r o u p

o x i d a -

3 0 -

A *

O

1 8 : 0

1 2 : 0 1 2 : 1

1 0 : 0 1 0 : 1

8 : 0

0

B

X O 4 0 -

. j 3 0 -

T r e a t m e n t

D -

C o n t r o l

2 0 -

1 0 -

1 8 : 0 1 2 : 0

1 2 : 1

1 0 : 0

1 0 : 1

8 : 0

P r o c l u c t

F i g .

3 . I n c o r p o r a t i o n

o f

1 2 - D 1 s t e a r i c

a c i d i n t o

w - h y d r o x y

a c i d s i n w o r k e r s

i n

A ) t h e a b s e n c e

a n d

B ) p r e s e n c e

o f 2 - f l u o r o s t e a r i c

a c i d .

I n

A )

t h e c o n -

t r o l s

w e r e

g l a n d s

t r e a t e d

w i t h

d i m e t h y l

s u l f o x i d e

( D M S O ) ,

i n

B ) t h e y

w e r e

g l a n d s

t r e a t e d

w i t h

2 - f l u -

o r o s t e a r i c

a c i d

i n

DMSO.

V a l u e s

r e p r e s e n t

t h e

p e r c e n t a g e

o f

l a b e l e d m a t e r i a l

a s d e t e r m i n e d

b y

G C - M S ;

e r r o r b a r s

i n d i c a t e

t h e s t a n d a r d e r r o r o f

t h e mean

n

=

8 ) .

C o l u m n s m a r k e d

w i t h a n

a s t e r -

i s k d i f f e r

s i g n i f i c a n t l y

f r o m

t h e

c o r r e s p o n d i n g

b l a n k

P