Ett team ledd av forskare från Scripps Institution of Oceanography vid University of California San Diego och J. Craig Venter Institute (JCVI) har avslöjat den genetiska grunden för produktionen av domoinsyra, ett potent nervgift som produceras av skadliga algblomningar.

Skadliga algblomningar orsakar betydande ekonomiska och miljömässiga skador på kustsamhällen runt om i världen. Dessa blomningar producerar ibland toxiner som kan göra marina däggdjur sjuka och kan hota människors hälsa när toxiner ackumuleras i skaldjur. En hög dosexponering för domoinsyra, produceras av en typ av växtplankton som kallas kiselalger i släktet Pseudo-nitzschia, kan leda till amnesisk skaldjursförgiftning, ett potentiellt dödligt tillstånd som kännetecknas av anfall och korttidsminnesförlust.

I en ny studie som visas i den 28 september upplagan av Vetenskap , laget av UC San Diego- och JCVI-forskare identifierade ett kluster av gener som är associerade med produktionen av toxinet domoesyra i det marina växtplanktonet Pseudo-nitzschia.

Denna typ av mikroalger är anmärkningsvärd eftersom den sommaren 2015 orsakade den största skadliga algblomningen som någonsin registrerats utanför Nordamerikas västkust, från Alaska till Santa Barbara, och resulterade i att fiske- och krabbasäsonger stängdes för att skydda konsumenterna från potentiell skaldjursförgiftning.

Trots årtionden av forskning om Pseudo-nitzschia, den molekylära grunden för toxiciteten hos dessa växtplankton var inte känd. Forskare fann att dessa nyupptäckta gener innehåller de biologiska instruktionerna för att göra toxinet och sedan "tänds" när Pseudo-nitzschia producerar domoinsyra.

"Genom att identifiera generna som kodar för domoinsyraproduktion, vi kan nu ställa frågor om olika oceaniska förhållanden som slår på eller av generna, " sa Scripps Institution of Oceanography och JCVI doktorand Patrick Brunson, en av två huvudförfattare till studien. "Denna kunskap kommer att tillåta oss att spåra utvecklingen av blomtoxicitet på genetisk nivå."

Genom att visa hur generna för domoinsyraproduktion aktiveras i kultur, författarna föreslår ett sätt att koppla de oceaniska förhållanden som driver algblomningens utveckling till utvecklingen av toxinproduktion.

"Att förstå hur alger blommar blir giftiga och vilka förhållanden som orsakar det är kritiskt viktigt, " säger Hedy Edmonds, en programdirektör vid National Science Foundations avdelning för havsvetenskaper, som delvis finansierade forskningen. "Denna studie erbjuder ett möjligt verktyg för att övervaka algblomning och förutsäga produktionen av toxin innan det inträffar."

Skadliga algblomningar är svåra att förutse, och de blomorsakande organismerna har vanligtvis mycket komplexa, stora genom. Studieförfattare säger att den största implikationen kommer att vara förmågan att titta på en blomning på genetisk nivå. Kunskap om generna som är involverade i produktionen av domoinsyra kommer att möjliggöra genetisk övervakning av algblomningar och hjälpa till att identifiera tillstånd som utlöser toxinproduktion.

"Eftersom algernas genom är så komplexa, de biosyntetiska vägarna för marina mikroalggifter har förblivit svårfångade under ganska lång tid, " sa seniorförfattaren Bradley Moore, en kemist och genetiker vid Scripps och UC San Diegos Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences. "Nu när vi har både ett genom för Pseudo-nitzschia och en genetisk väg för domoinsyraproduktion, vi börjar förstå varför dessa mikroalger gör ett toxin och hur den förmågan aktiveras. Denna nya kunskap kan i slutändan bättre utbilda oss hur man förutsäger och förbereder oss för framtida giftiga händelser."

Detta arbete avancerad forskning slutfördes 2011 av David Hutchins från University of Southern California, också medförfattare till denna studie, som fann att när fosfat är begränsat och mängden koldioxid i havet ökar, kiselalger kan göra en stor mängd domoinsyra och bli skadliga. Fyndet var betydande delvis eftersom forskare har observerat att haven har tagit på sig ytterligare mängder koldioxid utöver naturliga nivåer på grund av samhällelig användning av fossila bränslen. Detta och stigande havstemperaturer gör att domoinsyrahändelser blir allt vanligare, giftigare, och varar längre än tidigare decennier. Scripps-forskare använde resultaten av Hutchins studie för att identifiera generna som är ansvariga för produktionen av detta toxin.

"Vi tyckte att det var mycket intressant att en kombination av fosfatbegränsning och ökad koldioxid kan ha en så stark men ändå nyanserad effekt på produktion av domosyra i kulturen, sade Andrew E. Allen, en ekolog och kiselalgergenomikexpert med dubbel utnämning vid Scripps och JCVI som också är en senior författare på studien. "Vi kunde direkt korrelera genuttryck till toxinproduktion, och denna observation ledde oss direkt till generna som kodar för domoinsyra."

Forskare vid JCVI som arbetar i Allens labb extraherade och sekvenserade RNA-transkript från mikroalger, ett tillvägagångssätt som mäter gener som är aktiva. Efterföljande analys av de genetiska sekvenserna som kodas av RNA-transkripten identifierade generna som antas producera toxiner. In vitro biokemiexperiment utförda i Moores labb på Scripps etablerade sedan en serie enzymer som skapar toxinets kärnstruktur.

"Några av de biosyntetiska enzymerna för domoesyra som bygger detta toxin är unika på genetisk och biokemisk nivå, sa Shaun McKinnie, en postdoktor vid Scripps och Center for Marine Biotechnology and Biomedicine och medförfattare till studien. "Nu när vi kan koppla dessa diagnostiska kemiska transformationer till deras enzymer och gener, Vi är hoppfulla att forskare kan börja förutsäga domoinsyratoxicitetspotential i en skadlig algblomning för att komplettera nuvarande övervakningsmetoder."

Forskare som studerar övervakning och prognoser av skadliga algblomningar säger att detta fynd ger hopp om ökad förståelse för fenomenet och kan hjälpa till att bättre projicera banan för domoinsyrahändelser som svar på framtida klimatförändringar.

"Detta genombrott markerar en tydlig brytpunkt i vår förståelse av dessa händelser med tanke på att så mycket av osäkerheten kring giftiga blomningar av Pseudo-nitzschia är ett resultat av vårt ofullständiga grepp om själva domoinsyrasyntesen, "sa biologisk oceanograf och skadlig algblomningsforskare Clarissa Anderson, chef för Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS) vid Scripps, som inte var inblandad i studien. "Den heliga graal av skadliga algblomningsprognoser på västkusten och på andra håll förutsäger när, var, och slutligen, varför Pseudo-nitzschia sätter på eller stänger av domoinsyraproduktion. Vi kanske aldrig kommer att kunna förhindra denna typ av skadlig algblomning, men vi kan bättre övervaka de tidiga stadierna av domoinsyraproduktion."

Studien, "Biosyntes av neurotoxin domoinsyra i en blombildande kiselalger, "var fem år på väg.