Immagine al microscopio del cianobatterio produttore di guanitossina Sphaerospermopsis torques-reginae. Credito:Vera Regina Werner
Un team internazionale di scienziati ha identificato i geni e il percorso biosintetico che consentono ad alcuni tipi di cianobatteri presenti negli ambienti di acqua dolce di produrre una potente neurotossina chiamata guanitossina.
Le dannose fioriture algali, che spesso coinvolgono cianobatteri produttori di tossine (precedentemente note come alghe blu-verdi), stanno colpendo laghi, fiumi e altri corpi d'acqua dolce in tutto il mondo con crescente frequenza. I programmi di monitoraggio ambientale possono rilevare la maggior parte delle tossine cianobatteriche, ma l'insolita chimica della guanitossina la rende incompatibile con i metodi di rilevamento standard.
Comprendere le basi genetiche della biosintesi della guanitossina significa che le tecnologie diagnostiche molecolari possono ora essere utilizzate per il monitoraggio ambientale per rilevare la presenza di cianobatteri produttori di guanitossina.
Le nuove scoperte, pubblicate il 18 maggio su Journal of the American Chemical Society , includono prove che la guanitossina è probabilmente presente in molti laghi e bacini idrici del Nord e del Sud America. La guanitossina ha lo stesso meccanismo d'azione dell'agente nervino Sarin e del pesticida bandito parathion, causando tossicità neurologica acuta che può portare a una morte rapida. L'esposizione ad esso è stata associata alla morte di animali selvatici e domestici.
"Ora che abbiamo trovato i geni e li abbiamo collegati biochimicamente alla produzione di guanitossina, speriamo di poter utilizzare tecnologie di rilevamento basate sulla PCR per prevedere la tossicità futura e monitorare l'ambiente di questa tossina", ha affermato Shaun McKinnie, assistente professore di chimica e biochimica presso l'UC Santa Cruz e uno dei tre autori corrispondenti dell'articolo.
Gli altri autori corrispondenti sono Marli Fiore dell'Università di São Paolo, Brasile, e Bradley Moore dello Scripps Institution of Oceanography dell'UC San Diego. Il laboratorio di Fiore ha isolato un ceppo di cianobatteri produttore di guanitossina quasi 20 anni fa dal bacino idrico di Tapacurá nel Brasile orientale. Dopo aver sequenziato il genoma del ceppo, i ricercatori brasiliani, guidati da Stella Lima, allora studentessa laureata nel laboratorio di Fiore, hanno scoperto un gruppo di geni che sospettavano fossero coinvolti nella produzione di guanitossina.
Lima, che è il primo autore del nuovo articolo, è andato all'UC San Diego nel 2018 per lavorare con Moore, che aveva condotto i primi studi biochimici sulla guanitossina negli anni '90. McKinnie è stato coinvolto nel progetto come ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Moore. Quando si è trasferito all'UC Santa Cruz nel 2019, il suo laboratorio ha continuato a lavorare sul percorso biosintetico della guanitossina in collaborazione con gli altri due laboratori. La studentessa laureata Jennifer Cordoza ha guidato lo sforzo presso l'UC Santa Cruz.
"L'intero laboratorio ha contribuito a contribuire a questa storia, tuttavia Jenny ha davvero seguito e convalidato più della metà del percorso durante il primo anno del suo dottorato di ricerca", ha detto McKinnie. "Ora abbiamo identificato tutti e nove gli enzimi coinvolti nel modo in cui questo organismo prende l'aminoacido arginina e lo converte in una tossina specializzata".
I ricercatori hanno confermato i loro risultati ricostituendo la via biosintetica della guanitossina "in vitro" (in provetta, senza cianobatteri).
Hanno anche cercato i geni della tossina nei set di dati disponibili di dati di sequenziamento ambientale grezzi. La ricerca ha indicato che i cianobatteri produttori di guanitossina sono presenti in un'ampia gamma di località, tra cui il lago Erie vicino a Toledo, Ohio; Lago Mendota nel Wisconsin; il fiume Columbia nell'Oregon; il fiume Delaware nel Delaware; e diversi siti in Brasile.
"Abbiamo trovato questi geni in una varietà di diverse fonti di acqua dolce, ma nessuno ha cercato o monitorato questa particolare tossina dal punto di vista ambientale", ha detto McKinnie.
Ha spiegato che la rilevazione diretta della guanitossina richiederebbe una procedura analitica diversa dai metodi standard utilizzati nel monitoraggio ambientale delle tossine. Le tecnologie diagnostiche molecolari come la reazione a catena della polimerasi (PCR) offrono un'alternativa efficace per l'identificazione di campioni potenzialmente tossici a causa della guanitossina.
"Trovare i geni in un campione potrebbe quindi giustificare una procedura più complessa per rilevare direttamente la guanitossina", ha affermato McKinnie.
I ricercatori hanno depositato una domanda di brevetto provvisoria basata sul concetto di utilizzare le sequenze del gene biosintetico della guanitossina che hanno identificato in laboratorio e sull'applicazione della diagnostica molecolare utilizzando tali sequenze per trovare i geni nell'ambiente. + Esplora ulteriormente
