Mikroskopbild av den guanitoxinproducerande cyanobakterien Sphaerospermopsis torques-reginae. Kredit:Vera Regina Werner
Ett internationellt team av forskare har identifierat generna och den biosyntetiska vägen som gör det möjligt för vissa typer av cyanobakterier som finns i sötvattensmiljöer att producera ett potent neurotoxin som kallas guanitoxin.
Skadliga algblomningar, som ofta involverar toxinproducerande cyanobakterier (tidigare kallade blågröna alger), påverkar sjöar, floder och andra sötvattenförekomster runt om i världen med ökande frekvens. Miljöövervakningsprogram kan upptäcka de flesta cyanobakteriella toxiner, men den ovanliga kemin hos guanitoxin gör det oförenligt med standarddetekteringsmetoder.
Att förstå den genetiska grunden för guanitoxinbiosyntes innebär att molekylär diagnostisk teknik nu kan användas för miljöövervakning för att upptäcka närvaron av guanitoxinproducerande cyanobakterier.
De nya resultaten, publicerade 18 maj i Journal of the American Chemical Society , inkluderar bevis för att guanitoxin sannolikt finns i många sjöar och reservoarer i Nord- och Sydamerika. Guanitoxin har samma verkningsmekanism som nervgiftet sarin och det förbjudna bekämpningsmedlet parathion, vilket orsakar akut neurologisk toxicitet som kan leda till snabb död. Exponering för det har associerats med döden av vilda djur och husdjur.
"Nu när vi har hittat generna och biokemiskt har kopplat dem till produktionen av guanitoxin, hoppas vi att vi kan använda PCR-baserad detektionsteknik för att förutsäga framtida toxicitet och miljöövervaka detta toxin", säger Shaun McKinnie, biträdande professor i kemi och biokemi vid UC Santa Cruz och en av tre motsvarande författare till uppsatsen.
De andra motsvarande författare är Marli Fiore vid University of São Paolo, Brasilien, och Bradley Moore vid Scripps Institution of Oceanography vid UC San Diego. Fiores labb isolerade en guanitoxinproducerande stam av cyanobakterier för nästan 20 år sedan från Tapacurá-reservoaren i östra Brasilien. Efter att ha sekvenserat stammens genom hittade de brasilianska forskarna – ledda av Stella Lima, då doktorand i Fiores labb – ett kluster av gener som de misstänkte var inblandade i produktionen av guanitoxin.
Lima, som är första författare till den nya artikeln, åkte till UC San Diego 2018 för att arbeta med Moore, som hade gjort de första biokemiska studierna av guanitoxin på 1990-talet. McKinnie engagerade sig i projektet som postdoktor i Moores labb. När han flyttade till UC Santa Cruz 2019, fortsatte hans labb att arbeta med guanitoxin biosyntetisk väg i samarbete med de andra två labben. Doktorand Jennifer Cordoza ledde arbetet vid UC Santa Cruz.
"Hela labbet bidrog till den här historien, men Jenny körde verkligen med den och validerade över hälften av vägen själv under det första året av sin doktorsexamen," sa McKinnie. "Vi har nu identifierat alla nio enzymerna som är involverade i hur denna organism tar aminosyran arginin och omvandlar den till ett specialiserat toxin."
Forskarna bekräftade sina fynd genom att rekonstituera den biosyntetiska vägen för guanitoxin "in vitro" (i provröret, utan cyanobakterier).
De sökte också efter toxingenerna i tillgängliga datauppsättningar av rå miljösekvenseringsdata. Sökningen visade att guanitoxin-producerande cyanobakterier finns på ett brett spektrum av platser, inklusive Lake Erie nära Toledo, Ohio; Lake Mendota i Wisconsin; Columbia River i Oregon; Delawarefloden i Delaware; och flera platser i Brasilien.
"Vi hittade dessa gener i en mängd olika sötvattenkällor, men ingen har letat efter eller övervakat det här giftet miljömässigt," sa McKinnie.
Han förklarade att detektering av guanitoxin direkt skulle kräva en annan analytisk procedur än de standardmetoder som används vid miljöövervakning för toxiner. Molekylära diagnostiska teknologier som polymeraskedjereaktion (PCR) erbjuder ett effektivt alternativ för att identifiera prover som har potential att vara toxiska på grund av guanitoxin.
"Att hitta generna i ett prov kan sedan motivera en mer komplicerad procedur för att detektera guanitoxin direkt," sa McKinnie.
Forskarna har lämnat in en provisorisk patentansökan baserad på konceptet att använda de biosyntetiska guanitoxin-gensekvenserna de identifierade i labbet och tillämpa molekylär diagnostik med hjälp av dessa sekvenser för att hitta generna i miljön. + Utforska vidare
