L'estensione della fioritura di Pseudo-nitzschia del Pacifico nord-occidentale nel 2015. La gradazione dei colori viola-blu-verde-giallo-rosso-rosa nelle aree oceaniche mostra un aumento della concentrazione di clorofilla verso la costa. Dati satellitari per gentile concessione del NASA Ocean Biology Processing Group e LAADS-DAAC. Credito:Mati Kahru, Scripps Institution of Oceanography presso l'UC San Diego.
Un team guidato da scienziati della Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California a San Diego e del J. Craig Venter Institute (JCVI) ha scoperto le basi genetiche per la produzione di acido domoico, una potente neurotossina prodotta da fioriture algali dannose.
Le fioriture algali dannose causano danni economici e ambientali significativi alle comunità costiere di tutto il mondo. Queste fioriture producono occasionalmente tossine che possono ammalare i mammiferi marini e possono minacciare la salute umana quando le tossine si accumulano nei frutti di mare. Un'esposizione ad alte dosi di acido domoico, prodotto da un tipo di fitoplancton noto come diatomee nel genere Pseudo-nitzschia, può portare ad avvelenamento da molluschi amnesici, una condizione potenzialmente fatale caratterizzata da convulsioni e perdita di memoria a breve termine.
In un nuovo studio apparso nell'edizione del 28 settembre di Scienza , il team di scienziati dell'UC San Diego e del JCVI ha identificato un gruppo di geni associati alla produzione della tossina acido domoico nel fitoplancton marino Pseudo-nitzschia.
Questo tipo di microalga è degno di nota perché nell'estate del 2015 ha causato la più grande fioritura algale dannosa mai registrata al largo della costa occidentale del Nord America, dall'Alaska a Santa Barbara, e ha portato alla chiusura della pesca e delle stagioni della pesca dei granchi per proteggere i consumatori da potenziali avvelenamenti da molluschi.
Vista microscopica di acido domoico che produce diatomee Pseudo-nitzschia in un campione di acqua di mare dalla baia di Monterey, California Questa specie di diatomee, quando in crescita attiva tipicamente forma lunghe catene di singole cellule. Credito:G. Jason Smith presso Moss Landing Marine Labs.
Nonostante decenni di ricerche sulla Pseudo-nitzschia, la base molecolare per la tossicità di questi fitoplancton non era nota. Gli scienziati hanno scoperto che questi geni appena scoperti contengono le istruzioni biologiche per produrre la tossina e vengono successivamente "accesi" quando la Pseudo-nitzschia produce acido domoico.
"Identificando i geni che codificano per la produzione di acido domoico, ora possiamo porre domande su varie condizioni oceaniche che attivano o disattivano i geni, ", ha affermato Patrick Brunson della Scripps Institution of Oceanography e studente di dottorato JCVI, uno dei due autori principali dello studio. "Questa conoscenza ci consentirà di monitorare lo sviluppo della tossicità della fioritura a livello genetico".
Mostrando come vengono attivati in coltura i geni per la produzione di acido domoico, gli autori suggeriscono un modo per collegare le condizioni oceaniche che guidano l'evoluzione della fioritura algale allo sviluppo della produzione di tossine.
"Capire come le fioriture delle alghe diventano tossiche e quali condizioni causano questo è di fondamentale importanza, "dice Hedy Edmonds, un direttore di programma nella Divisione di scienze oceaniche della National Science Foundation, che ha parzialmente finanziato la ricerca. "Questo studio offre un possibile strumento per monitorare la fioritura delle alghe e prevedere la produzione di tossine prima che si verifichi".
Le fioriture algali dannose sono difficili da prevedere, e gli organismi che causano la fioritura in genere possiedono strutture molto complesse, grandi genomi. Gli autori dello studio affermano che la più grande implicazione sarà la capacità di osservare una fioritura a livello genetico. La conoscenza dei geni coinvolti nella produzione di acido domoico consentirà il monitoraggio genetico delle fioriture algali e aiuterà a identificare le condizioni che innescano la produzione di tossine.
"Poiché i genomi delle alghe sono così complessi, le vie biosintetiche per le tossine microalgali marine sono rimaste inafferrabili per parecchio tempo, ", ha affermato l'autore senior Bradley Moore, un chimico e genetista presso Scripps e la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences dell'UC San Diego. "Ora che abbiamo sia un genoma per Pseudo-nitzschia che un percorso genetico per la produzione di acido domoico, stiamo cominciando a capire perché queste microalghe producono una tossina e come si attiva tale capacità. Questa nuova conoscenza potrebbe in definitiva istruirci meglio su come prevedere e prepararci per futuri eventi tossici".
Questo lavoro di ricerca avanzata completata nel 2011 da David Hutchins della University of Southern California, anche co-autore di questo studio, che ha scoperto che quando il fosfato è limitato e la quantità di anidride carbonica nell'oceano è aumentata, le diatomee possono produrre una grande quantità di acido domoico e diventare dannose. La scoperta è stata significativa in parte perché gli scienziati hanno osservato che gli oceani hanno assunto quantità aggiuntive di anidride carbonica oltre i livelli naturali a causa dell'uso sociale dei combustibili fossili. Questo e l'aumento delle temperature oceaniche significano che gli eventi di acido domoico stanno diventando più frequenti, più tossico, e durare più a lungo rispetto ai decenni precedenti. I ricercatori di Scripps hanno utilizzato i risultati dello studio di Hutchins per identificare i geni responsabili della produzione di questa tossina.
"Abbiamo trovato molto interessante che una combinazione di limitazione del fosfato e aumento dell'anidride carbonica potrebbe avere un effetto così forte ma sfumato sulla produzione di acido domoico in coltura, " ha detto Andrew E. Allen, un ecologista ed esperto di genomica di diatomee con doppio incarico presso Scripps e JCVI che è anche autore senior dello studio. "Siamo stati in grado di correlare direttamente l'espressione genica alla produzione di tossine, e questa osservazione ci ha portato direttamente ai geni che codificano per l'acido domoico".
Scripps e lo studente laureato JCVI Patrick Brunson pipetta le diatomee pseudo-nitzschia nell'Andrew Allen Lab presso il J. Craig Venter Institute. Credito:J. Craig Venter Institute
I ricercatori del JCVI che lavorano nel laboratorio di Allen hanno estratto e sequenziato trascrizioni di RNA dalle microalghe, un approccio che misura i geni che sono attivi. L'analisi successiva delle sequenze genetiche codificate dai trascritti di RNA ha identificato i geni che si presume producessero le tossine. Gli esperimenti di biochimica in vitro condotti nel laboratorio di Moore a Scripps hanno quindi stabilito una serie di enzimi che creano la struttura centrale della tossina.
"Alcuni degli enzimi biosintetici dell'acido domoico che costruiscono questa tossina sono unici a livello genetico e biochimico, "ha detto Shaun McKinnie, un ricercatore post-dottorato presso Scripps e il Center for Marine Biotechnology and Biomedicine e co-autore dello studio. "Ora che possiamo collegare queste trasformazioni chimiche diagnostiche ai loro enzimi e geni, speriamo che i ricercatori possano iniziare a prevedere il potenziale di tossicità dell'acido domoico in una fioritura algale dannosa per integrare gli attuali approcci di monitoraggio".
I ricercatori che studiano il monitoraggio e la previsione delle fioriture algali dannose affermano che questa scoperta offre speranza per una maggiore comprensione del fenomeno e può aiutare a proiettare meglio la traiettoria degli eventi di acido domoico in risposta ai futuri cambiamenti climatici.
"Questa svolta segna un chiaro punto di svolta nella nostra comprensione di questi eventi, dato che gran parte dell'incertezza che circonda le fioriture tossiche di Pseudo-nitzschia è il risultato della nostra comprensione incompleta della stessa sintesi dell'acido domoico, ", ha affermato l'oceanografa biologica e ricercatrice sulla fioritura algale nociva Clarissa Anderson, direttore del Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS) presso Scripps, che non è stato coinvolto nello studio. "Il Santo Graal delle previsioni sulla fioritura algale dannosa sulla costa occidentale e altrove prevede quando, dove, e alla fine, perché Pseudo-nitzschia attiva o disattiva la produzione di acido domoico. Potremmo non essere mai in grado di prevenire questo tipo di proliferazione algale dannosa, ma possiamo monitorare meglio le prime fasi della produzione di acido domoico".
Lo studio, "Biosintesi della neurotossina acido domoico in una diatomea che forma la fioritura, "Ci sono voluti cinque anni di lavoro.
