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
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0 . 5
0 . 0 5
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* T h e r e
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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
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a b s e n c e
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2 - f l u o r o s t e a
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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