Nye resultater muliggør overvågning for skadelige toksiner i ferskvandsmiljøer

Et internationalt hold af forskere har identificeret de gener og den biosyntetiske vej, der gør det muligt for visse typer cyanobakterier, der findes i ferskvandsmiljøer, at producere et potent neurotoksin kaldet guanitoxin.

Skadelige algeopblomstringer, der ofte involverer toksinproducerende cyanobakterier (tidligere kendt som blågrønalger), påvirker søer, floder og andre ferskvandsområder rundt om i verden med stigende hyppighed. Miljøovervågningsprogrammer kan detektere de fleste af de cyanobakterielle toksiner, men den usædvanlige kemi af guanitoxin gør det uforeneligt med standarddetektionsmetoder.

Forståelse af det genetiske grundlag for guanitoksinbiosyntese betyder, at molekylære diagnostiske teknologier nu kan bruges til miljøovervågning for at påvise tilstedeværelsen af ​​guanitoksin-producerende cyanobakterier.

De nye resultater, offentliggjort 18. maj i Journal of the American Chemical Society , inkludere beviser for, at guanitoksin sandsynligvis er til stede i mange søer og reservoirer i Nord- og Sydamerika. Guanitoksin har samme virkningsmekanisme som nervegiften sarin og det forbudte pesticid parathion, hvilket forårsager akut neurologisk toksicitet, der kan føre til hurtig død. Eksponering for det har været forbundet med vilde dyr og husdyrs død.

"Nu, hvor vi har fundet generne og biokemisk har forbundet dem med produktionen af ​​guanitoksin, håber vi, at vi kan bruge PCR-baserede detektionsteknologier til at forudsige fremtidig toksicitet og miljømæssigt overvåge dette toksin," siger Shaun McKinnie, assisterende professor i kemi. og biokemi ved UC Santa Cruz og en af ​​tre tilsvarende forfattere af papiret.

De andre tilsvarende forfattere er Marli Fiore ved University of São Paolo, Brasilien, og Bradley Moore ved Scripps Institution of Oceanography ved UC San Diego. Fiores laboratorium isolerede en guanitoksin-producerende stamme af cyanobakterier for næsten 20 år siden fra Tapacurá-reservoiret i det østlige Brasilien. Efter at have sekventeret stammens genom fandt de brasilianske forskere – ledet af Stella Lima, dengang en kandidatstuderende i Fiores laboratorium – en klynge gener, som de mistænkte var involveret i produktionen af ​​guanitoksin.

Lima, som er førsteforfatter til det nye papir, tog til UC San Diego i 2018 for at arbejde sammen med Moore, som havde lavet de første biokemiske undersøgelser af guanitoksin i 1990'erne. McKinnie blev involveret i projektet som postdoktor i Moores laboratorium. Da han flyttede til UC Santa Cruz i 2019, fortsatte hans laboratorium med at arbejde på guanitoksin-biosyntesevejen i samarbejde med de to andre laboratorier. Kandidatstuderende Jennifer Cordoza ledede indsatsen på UC Santa Cruz.

"Hele laboratoriet hjalp med at bidrage til denne historie, men Jenny løb virkelig med den og validerede over halvdelen af ​​vejen selv i løbet af det første år af sin ph.d.," sagde McKinnie. "Vi har nu identificeret alle de ni enzymer, der er involveret i, hvordan denne organisme tager aminosyren arginin og omdanner den til et specialiseret toksin."

Forskerne bekræftede deres resultater ved at rekonstituere den biosyntetiske guanitoksin-vej "in vitro" (i reagensglasset, uden cyanobakterier).

De søgte også efter toksin-generne i tilgængelige datasæt af rå miljø-sekventeringsdata. Søgningen viste, at guanitoksin-producerende cyanobakterier er til stede på en lang række steder, herunder Lake Erie nær Toledo, Ohio; Lake Mendota i Wisconsin; Columbia-floden i Oregon; Delaware-floden i Delaware; og flere steder i Brasilien.

"Vi fandt disse gener i en række forskellige ferskvandskilder, men ingen har ledt efter eller overvåget for dette særlige toksin miljømæssigt," sagde McKinnie.

Han forklarede, at påvisning af guanitoksin direkte ville kræve en anden analytisk procedure end de standardmetoder, der anvendes til miljøovervågning for toksiner. Molekylær diagnostiske teknologier såsom polymerasekædereaktion (PCR) tilbyder et effektivt alternativ til at identificere prøver, der har potentiale til at være giftige på grund af guanitoksin.

"At finde generne i en prøve kunne derefter retfærdiggøre en mere kompleks procedure til direkte påvisning af guanitoksin," sagde McKinnie.

Forskerne har indgivet en foreløbig patentansøgning baseret på konceptet om at bruge de guanitoxin biosyntetiske gensekvenser, de identificerede i laboratoriet, og anvende molekylær diagnostik ved hjælp af disse sekvenser til at finde generne i miljøet. + Udforsk yderligere

Med bedre algeprognoser kommer sikrere vand