Forskere opdager genetisk grundlag for, hvordan skadelige algeblomster bliver giftige

Et team ledet af forskere fra Scripps Institution of Oceanography ved University of California San Diego og J. Craig Venter Institute (JCVI) har afdækket det genetiske grundlag for produktion af domoesyre, et kraftigt neurotoksin produceret af skadelige algeblomster.

Skadelige algeblomster forårsager betydelige økonomiske og miljømæssige skader på kystsamfund rundt om i verden. Disse blomster producerer lejlighedsvis toksiner, der kan syge havpattedyr og kan true menneskers sundhed, når toksinerne ophobes i fisk og skaldyr. En høj dosis eksponering for domoinsyre, produceret af en type planteplankton kendt som kiselalger i slægten Pseudo-nitzschia, kan føre til amnesisk forgiftning af skaldyr, en potentielt dødelig tilstand præget af anfald og tab af korttidshukommelse.

I en ny undersøgelse, der blev vist i udgaven af ​​28. september af Videnskab , teamet af videnskabsmænd fra UC San Diego og JCVI identificerede en klynge gener forbundet med produktion af toksinet domoinsyre i det marine planteplankton Pseudo-nitzschia.

Denne type mikroalger er bemærkelsesværdig, fordi den i sommeren 2015 forårsagede det største skadelige algeblomster, der nogensinde er registreret ud for Nordamerikas vestkyst, fra Alaska til Santa Barbara, og resulterede i lukning af fiskeri og krabbesæsoner for at beskytte forbrugerne mod potentiel skaldyrsforgiftning.

På trods af årtiers forskning om Pseudo-nitzschia, det molekylære grundlag for toksiciteten af ​​dette planteplankton var ikke kendt. Forskere fandt ud af, at disse nyopdagede gener indeholder de biologiske instruktioner til fremstilling af toksinet og efterfølgende "tændes", når Pseudo-nitzschia producerer domoesyre.

"Ved at identificere de gener, der koder for domoinsyreproduktion, vi kan nu stille spørgsmål om forskellige oceaniske forhold, der tænder eller slukker generne, "sagde Scripps Institution of Oceanography og JCVI Ph.D. -studerende Patrick Brunson, en af ​​to hovedforfattere på undersøgelsen. "Denne viden vil give os mulighed for at spore udviklingen af ​​blomstertoksicitet på det genetiske niveau."

Ved at vise, hvordan generne til domoinsyreproduktion tændes i kulturen, forfatterne foreslår en måde at forbinde de oceaniske forhold, der driver evolution af algblomster, til udviklingen af ​​toksinproduktion.

"At forstå, hvordan alger blomstrer bliver giftige, og hvilke forhold der forårsager det, er kritisk vigtigt, "siger Hedy Edmonds, en programdirektør i National Science Foundation's Division of Ocean Sciences, som delvist finansierede forskningen. "Denne undersøgelse tilbyder et muligt værktøj til overvågning af algeopblomstringer og forudsigelse af toksinproduktion, før det sker."

Skadelige algeblomster er svære at forudsige, og de blomstrende forårsagende organismer typisk besidder meget komplekse, store genomer. Undersøgelsesforfattere siger, at den største betydning vil være evnen til at se på en blomstring på det genetiske plan. Kendskab til de gener, der er involveret i produktion af domoinsyre, giver mulighed for genetisk overvågning af algeblomst og hjælper med at identificere forhold, der udløser toksinproduktion.

"Fordi algernes genomer er så komplekse, de biosyntetiske veje for marine mikroalgtoksiner er forblevet undvigende i nogen tid, "sagde seniorforfatter Bradley Moore, en kemiker og genetiker ved Scripps og UC San Diego's Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences. "Nu hvor vi både har et genom for Pseudo-nitzschia og en genetisk vej til produktion af domoesyre, vi begynder at forstå, hvorfor disse mikroalger danner et toksin, og hvordan denne evne aktiveres. Denne nye viden kan i sidste ende bedre uddanne os i at forudsige og forberede fremtidige giftige begivenheder. "

Dette arbejde avancerede forskning afsluttet i 2011 af David Hutchins fra University of Southern California, også medforfatter af denne undersøgelse, der fandt ud af, at når fosfat er begrænset, og mængden af ​​kuldioxid i havet øges, kiselalger kan lave en stor mængde domoinsyre og blive skadelig. Fundet var delvist betydeligt, fordi forskere har observeret, at havene har taget yderligere mængder kuldioxid ud over det naturlige niveau på grund af samfundsmæssig brug af fossile brændstoffer. Dette og stigende havtemperaturer betyder, at domoinsyrehændelser bliver mere udbredte, mere giftig, og varer længere end i de foregående årtier. Scripps -forskere brugte resultaterne af Hutchins 'undersøgelse til at identificere de gener, der er ansvarlige for produktionen af ​​dette toksin.

"Vi fandt det meget interessant, at en kombination af fosfatbegrænsning og øget kuldioxid kunne have en så stærk, men nuanceret effekt på domosyreproduktion i kultur, "sagde Andrew E. Allen, en økolog og diatom genomisk ekspert med dobbelt ansættelse hos Scripps og JCVI, som også er seniorforfatter på undersøgelsen. "Vi var i stand til direkte at korrelere genekspression til toksinproduktion, og denne observation førte os direkte til generne, der koder for domonsyre. "

Forskere ved JCVI, der arbejder i Allens laboratorium, ekstraherede og sekventerede RNA -transkripter fra mikroalgerne, en tilgang, der måler gener, der er aktive. Efterfølgende analyse af de genetiske sekvenser, der kodes af RNA -transkripterne, identificerede generne, der formodes at producere toksinerne. In vitro biokemiforsøg udført i Moores laboratorium på Scripps etablerede derefter en række enzymer, der skaber kernestrukturen af ​​toksinet.

"Nogle af domosyre -biosyntetiske enzymer, der bygger dette toksin, er unikke på det genetiske og biokemiske niveau, "sagde Shaun McKinnie, en postdoktor ved Scripps og Center for Marine Biotechnology and Biomedicine og medleder forfatter til undersøgelsen. "Nu hvor vi kan knytte disse diagnostiske kemiske transformationer til deres enzymer og gener, vi håber, at forskere kan begynde at forudsige domoinsyretoksicitetspotentiale i en skadelig algeblomst for at supplere de nuværende overvågningsmetoder. "

Forskere, der studerer overvågning og forudsigelse af skadelige algblomster, siger, at dette fund giver håb om øget forståelse af fænomenet og kan hjælpe med bedre at projektere banen for domoinsyrehændelser som reaktion på fremtidige klimaændringer.

"Dette gennembrud markerer et klart bøjningspunkt i vores forståelse af disse begivenheder, da så meget af usikkerheden omkring giftige blomster af Pseudo-nitzschia er et resultat af vores ufuldstændige forståelse af domoinsyresyntesen i sig selv, "sagde biologisk oceanograf og skadelig algblomningsforsker Clarissa Anderson, direktør for Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS) hos Scripps, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Den hellige gral af skadelig algeblom, der forudsiger på vestkysten og andre steder, forudsiger, hvornår, hvor, og i sidste ende, hvorfor Pseudo-nitzschia tænder eller slukker produktionen af ​​domoesyre. We may never be able to prevent this type of harmful algal bloom, but we can better monitor the early stages of domoic acid production."

Studiet, "Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom, " was five years in the making.