Een internationaal team van wetenschappers heeft de genen en de biosynthetische route geïdentificeerd die het mogelijk maken dat bepaalde soorten cyanobacteriën die in zoetwateromgevingen worden aangetroffen, een krachtig neurotoxine produceren dat guanitoxine wordt genoemd.

Schadelijke algenbloei, vaak met toxineproducerende cyanobacteriën (voorheen bekend als blauwgroene algen), treft in toenemende mate meren, rivieren en andere zoetwaterlichamen over de hele wereld. Programma's voor milieumonitoring kunnen de meeste cyanobacteriële toxines detecteren, maar de ongebruikelijke chemie van guanitoxine maakt het onverenigbaar met standaard detectiemethoden.

Het begrijpen van de genetische basis voor de biosynthese van guanitoxine betekent dat moleculaire diagnostische technologieën nu kunnen worden gebruikt voor milieumonitoring om de aanwezigheid van guanitoxine-producerende cyanobacteriën te detecteren.

De nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 18 mei in Journal of the American Chemical Society , bevatten bewijs dat guanitoxine waarschijnlijk aanwezig is in veel meren en reservoirs in Noord- en Zuid-Amerika. Guanitoxine heeft hetzelfde werkingsmechanisme als het zenuwgas sarin en het verboden pesticide parathion, en veroorzaakt acute neurologische toxiciteit die tot een snelle dood kan leiden. Blootstelling eraan is in verband gebracht met de dood van wilde dieren en huisdieren.

"Nu we de genen hebben gevonden en ze biochemisch hebben gekoppeld aan de productie van guanitoxine, hopen we dat we PCR-gebaseerde detectietechnologieën kunnen gebruiken om toekomstige toxiciteit te voorspellen en dit toxine voor het milieu te monitoren", zegt Shaun McKinnie, assistent-professor scheikunde en biochemie aan de UC Santa Cruz en een van de drie corresponderende auteurs van het artikel.

De andere corresponderende auteurs zijn Marli Fiore van de Universiteit van São Paolo, Brazilië, en Bradley Moore van Scripps Institution of Oceanography aan UC San Diego. Het laboratorium van Fiore isoleerde bijna 20 jaar geleden een guanitoxine-producerende stam van cyanobacteriën uit het Tapacurá-reservoir in het oosten van Brazilië. Na de sequentie van het genoom van de stam, vonden de Braziliaanse onderzoekers - onder leiding van Stella Lima, toen een afgestudeerde student in het laboratorium van Fiore - een cluster van genen waarvan ze vermoedden dat ze betrokken waren bij de productie van guanitoxine.

Lima, de eerste auteur van het nieuwe artikel, ging in 2018 naar UC San Diego om te werken met Moore, die in de jaren negentig de eerste biochemische studies van guanitoxine had gedaan. McKinnie raakte als postdoctoraal onderzoeker in het lab van Moore bij het project betrokken. Toen hij in 2019 naar UC Santa Cruz verhuisde, bleef zijn laboratorium in samenwerking met de andere twee laboratoria werken aan de biosynthetische route van guanitoxine. Afgestudeerde student Jennifer Cordoza leidde de inspanning bij UC Santa Cruz.

"Het hele lab heeft bijgedragen aan dit verhaal, maar Jenny liep er echt mee en valideerde meer dan de helft van het traject zelf tijdens het eerste jaar van haar doctoraat," zei McKinnie. "We hebben nu alle negen enzymen geïdentificeerd die betrokken zijn bij hoe dit organisme het aminozuur arginine opneemt en omzet in een gespecialiseerd toxine."

De onderzoekers bevestigden hun bevindingen door de biosynthetische route van guanitoxine "in vitro" (in de reageerbuis, zonder cyanobacteriën) te reconstrueren.

Ze zochten ook naar de toxinegenen in beschikbare datasets van onbewerkte omgevingssequencinggegevens. De zoektocht gaf aan dat guanitoxine-producerende cyanobacteriën aanwezig zijn op een groot aantal locaties, waaronder Lake Erie bij Toledo, Ohio; Meer Mendota in Wisconsin; de Columbia-rivier in Oregon; de Delaware-rivier in Delaware; en verschillende locaties in Brazilië.

"We hebben deze genen gevonden in verschillende zoetwaterbronnen, maar niemand heeft naar dit specifieke toxine gezocht of gecontroleerd", zei McKinnie.

Hij legde uit dat het direct detecteren van guanitoxine een andere analytische procedure zou vereisen dan de standaardmethoden die worden gebruikt bij milieumonitoring voor toxines. Moleculaire diagnostische technologieën zoals polymerasekettingreactie (PCR) bieden een effectief alternatief voor het identificeren van monsters die mogelijk toxisch zijn vanwege guanitoxine.

"Het vinden van de genen in een monster zou dan een complexere procedure kunnen rechtvaardigen om guanitoxine direct te detecteren," zei McKinnie.

De onderzoekers hebben een voorlopige octrooiaanvraag ingediend op basis van het concept van het gebruik van de biosynthetische gensequenties van guanitoxine die ze in het laboratorium hebben geïdentificeerd en het toepassen van moleculaire diagnostiek met behulp van die sequenties om de genen in de omgeving te vinden. + Verder verkennen

Met betere algenvoorspellingen komt veiliger water