Entschlüsselung des biosynthetischen Genclusters für potentes Süßwassertoxin

Wissenschaftler der Scripps Institution of Oceanography an der University of California San Diego, der University of Sverfügt übero Paulo und UC Santa Cruz arbeiteten zusammen, um die Enzyme zu entdecken und zu validieren, die für die Produktion von verantwortlich sind eines der giftigsten und am schnellsten wirkenden Neurotoxine, das mit Süßwasser-schädlichen Algenblüten in Seen und Teichen in Verbindung gebracht wird.

Das Team kombinierte genetische und biochemische Studien, um zu zeigen, wie Süßwasser-Cyanobakterien das starke Neurotoxin namens Guanitoxin produzieren. Diese Entdeckung zeigte, dass Guanitoxin-produzierende Cyanobakterien in den Vereinigten Staaten weiter verbreitet sind als ursprünglich bekannt, was die Möglichkeit für neue molekulardiagnostische Tests eröffnet, um die Öffentlichkeit besser vor diesem natürlichen Süßwassertoxin zu informieren und zu schützen. Die Ergebnisse wurden in a beschrieben Veröffentlichung im Journal of the American Chemical Society am 18. Mai 2022.

Das Papier „zeigt auch, dass Guanitoxin in Süßwasserkörpern produziert wird, die in der Vergangenheit sehr toxische Ereignisse erlebt haben“, sagte die Hauptautorin der Studie, Stella Lima, eine ehemalige Doktorandin an der Universität von São Paulo und Gastwissenschaftlerin bei Scripps Oceanography.

Guanitoxin ist eines der wirksamsten Neurotoxine, das von Cyanobakterien hergestellt wird und tatsächlich einen ähnlichen Wirkungsmechanismus wie Pestizide und chemische Kampfstoffe hat, sagte Timothy Fallon, Postdoktorand bei Scripps im Labor des Meeresbiologen Bradley Moore, wo Lima Gastwissenschaftler war.






Die Cyanobakterienprobe wird unter einem Mikroskop betrachtet. (Bildnachweis: Vera Regina Werner)

Schädliche Algenblüten (HABs) bilden sich in Seen und Teichen, wenn Cyanobakterien, auch bekannt als Blaualgen, reichlich vorhanden sind. Diese Süßwasser-HABs produzieren verschiedene Cyanotoxine, die Tieren und Menschen in der Nähe schaden können. Je nach Cyanotoxin zeigen exponierte Personen laut Bundesgesundheitsamt Symptome wie Bauchschmerzen, Kopfschmerzen, Erbrechen, Leberschäden oder neurologische Beeinträchtigungen. Im Laufe der Jahre haben viele Regionen Notfälle ausgerufen und „nicht trinken“-Hinweise herausgegeben. Es wurden auch Todesfälle bei Haustieren und Tieren gemeldet, nachdem die Tiere mit betroffenem Wasser in Kontakt gekommen waren.

Süßwasser-HABs können unzählige soziale und wirtschaftliche Probleme für Gemeinden verursachen und sind ein problematisches Problem für die öffentliche Gesundheit, sagte Lima. Das Testen und Überwachen bestimmter Cyanotoxine wie Microcystin, Cylindrospermopsin, Saxitoxin und Anatoxin-a erfolgt, weil Methoden dafür verfügbar sind, aber trotz der Tatsache, dass Guanitoxin das zweitgiftigste Cyanotoxin ist, „sucht niemand danach“. Die richtigen Methoden zur Erkennung und Überwachung seien nicht verfügbar, fügte Lima hinzu.

Als Doktorandin im Jahr 2016 fand Lima eine Reihe von Genen, von denen sie vermutete, dass sie für die Herstellung von Guanitoxin durch ein Cyanobakterium verantwortlich sind, das aus einer großen Süßwasserblüte in Brasilien isoliert wurde. Der Stamm wurde aus dem Tapacur isoliertverfügt über Reservoir in Pernambuco, Brasilien, und wurde von Marli Fiore, Limas ehemaliger Doktorandenberaterin und Co-Autorin der Studie, gepflegt und kultiviert

Nach dieser Entdeckung suchte Lima nach einer Partnerschaft, um ihren Verdacht zu bestätigen. Deshalb reiste sie 2018 an die UC San Diego, um mit Moore zusammenzuarbeiten, der bereits Anfang der 1990er Jahre die ersten biochemischen Studien zu Guanitoxin durchgeführt hatte. Das Wissenschaftlerteam arbeitete zusammen, um die genauen Funktionen aller neun Enzyme zu ermitteln, die eine gewöhnliche Aminosäure in ein Neurotoxin umwandeln, sagte Lima.

Nach der Entdeckung der Gene, die an der Produktion von Guanitoxin beteiligt sind, und der sorgfältigen Validierung ihrer Funktionen durchsuchten die Forscher Tausende von Proben aus öffentlich zugänglichen Umweltdaten nach den Genen für die Guanitoxin-Biosynthese.






Cyanobakterienprobe, die sich im Laufe der Zeit in verschiedenen Kolben teilt und wächst. Die Wissenschaftler verwendeten die Lösung im Kolben, um RNA und DNA zu extrahieren und das Guanitoxin-Molekül zu analysieren, sagt Fallon. (Quelle: Brittany Edelmann)

Die Forscher konnten Toxin-Gene für Guanitoxin in Umwelt-Hotspots in den Vereinigten Staaten in besiedelten Gebieten nachweisen, sagte Moore, der Mitautor der Studie ist. Die beiden besorgniserregenden Gebiete, in denen die Toxingene regelmäßig für Guanitoxin nachgewiesen wurden, befanden sich im Lake Erie in der Nähe von Toledo, Ohio, und im Lake Mendota, Wisconsin. Weitere Erkennungsgebiete sind der Amazonas in Brasilien, Sieder Columbia River in Oregon und der Delaware River in Delaware.

„Wir haben diese Gene in vielen verschiedenen Süßwasserquellen gefunden, aber niemand hat nach diesem speziellen Toxin in der Umwelt gesucht oder es überwacht“, sagte Shaun McKinnie, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der UC Santa Cruz und ehemaliger Postdoktorand am Moore Lab. die an der Studie mitgewirkt haben.

„Hier ist dieses neurotoxische Potenzial in diesen Seen, das Menschen in der Freizeit nutzen, aber dieses Toxin ist bis zu unserer Arbeit unter dem Radar geblieben“, sagte Fallon.

Moore sagte, dass die Folgearbeit Feldarbeit beinhalten sollte, um andere Bereiche zu entdecken, in denen Guanitoxin produziert werden könnte.

Cyanobakterienblüten werden in den Vereinigten Staaten und weltweit immer häufiger, hauptsächlich aufgrund des Klimawandels und der Einführung von Düngemitteln und anderen Chemikalien im Zusammenhang mit der Landwirtschaft in Gewässer.

Während HABs auf der Oberfläche von Süßwasserkörpern sichtbar sein können, stellt die Federal Environmental Protection Agency (EPA) fest, dass „Cyanotoxine vorhanden sein können, bevor und nachdem Blüten sichtbar sind. Daher wird empfohlen, den Cyanotoxingehalt durch Laboruntersuchungen des Wassers zu bestätigen.“

„Jetzt, da wir den Guanitoxin-Weg auf genomischer Ebene herausgefunden haben, können wir auch zusätzliche Informationen liefern, um zu sagen: ‚Dies ist ein sicheres Gewässer, oder dies ist ein weniger sicheres Gewässer; Hat dies die Fähigkeit, toxisch zu werden, und können wir toxische Ereignisse vorhersagen?’“, sagte McKinnie.

Die Forscher haben eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht, die auf dem Konzept basiert, die biosynthetischen Guanitoxin-Gensequenzen zu verwenden, die sie im Labor identifiziert haben, und die Molekulardiagnostik unter Verwendung dieser Sequenzen anzuwenden, um die Gene in der Umwelt zu finden.

Neben Lima, Fallon, Moore, Fiore und McKinnie sind weitere Co-Autoren der Studie Endrews Delbaje, Ernani Pinto und Felipe Dörr von der Universität São Paulo; die Moore Lab-Wissenschaftlerin Hanna Luhavaya ausbilden; Steffaney Wood, derzeitige Scripps-Ozeanographie-Doktorandin; Die Forscher der UC Santa Cruz, Jennifer Cordoza, Austin Hopiavuori und Jackson Baumgartner; Jonathon Chekan von der University of North Carolina Greensboro; Danillo Alvarenga von der Universität Kopenhagen; und Augusto Etchegaray von der Päpstlichen Katholischen Universität Campinas in Brasilien.

Die Studie „Biosynthese von Guanitoxin ermöglicht die Umwelterkennung in Süßwasser-Cyanobakterien“ wurde vom National Institute of Environmental Health Sciences, der Sao Paulo Research Foundation und dem National Council for Scientific and Technological Development finanziert. Weitere Mittel stammten aus dem Simons Foundation Fellowship der Life Sciences Research Foundation; die Brasilianische Bundesagentur für die Unterstützung der Evaluation der Graduiertenausbildung; Anschubfinanzierung und ein Faculty Research Grant der UC Santa Cruz.

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