Een team onder leiding van wetenschappers van Scripps Institution of Oceanography aan de University of California San Diego en het J. Craig Venter Institute (JCVI) heeft de genetische basis voor de productie van domoïnezuur blootgelegd, een krachtig neurotoxine geproduceerd door schadelijke algenbloei.

Schadelijke algenbloei veroorzaakt aanzienlijke economische en ecologische schade aan kustgemeenschappen over de hele wereld. Deze bloemen produceren af ​​​​en toe gifstoffen die zeezoogdieren ziek kunnen maken en een bedreiging kunnen vormen voor de menselijke gezondheid wanneer de gifstoffen zich ophopen in zeevruchten. Een hoge dosis blootstelling aan domoïnezuur, geproduceerd door een type fytoplankton dat bekend staat als diatomeeën in het geslacht Pseudo-nitzschia, kan leiden tot amnesische schelpdiervergiftiging, een potentieel fatale aandoening die wordt gekenmerkt door toevallen en geheugenverlies op korte termijn.

In een nieuwe studie die verschijnt in de editie van 28 september van Wetenschap , het team van wetenschappers van UC San Diego en JCVI identificeerde een cluster van genen die verband houden met de productie van het toxine domoïnezuur in het mariene fytoplankton Pseudo-nitzschia.

Dit type microalg is opmerkelijk omdat het in de zomer van 2015 de grootste schadelijke algenbloei ooit veroorzaakte voor de westkust van Noord-Amerika, van Alaska tot Santa Barbara, en resulteerde in de sluiting van visserij- en krabseizoenen om consumenten te beschermen tegen mogelijke vergiftiging door schaaldieren.

Ondanks tientallen jaren van onderzoek naar Pseudo-nitzschia, de moleculaire basis voor de toxiciteit van dit fytoplankton was niet bekend. Wetenschappers ontdekten dat deze nieuw ontdekte genen de biologische instructies bevatten voor het maken van het toxine en vervolgens worden "aangezet" wanneer Pseudo-nitzschia domoïnezuur produceert.

"Door de genen te identificeren die coderen voor de productie van domoïnezuur, we kunnen nu vragen stellen over verschillende oceanische omstandigheden die de genen aan- of uitzetten, " zei Scripps Institution of Oceanography en JCVI Ph.D. student Patrick Brunson, een van de twee hoofdauteurs van het onderzoek. "Met deze kennis kunnen we de ontwikkeling van bloeitoxiciteit op genetisch niveau volgen."

Door te laten zien hoe de genen voor de productie van domoïnezuur in cultuur worden aangezet, de auteurs suggereren een manier om de oceanische omstandigheden die de evolutie van algenbloei stimuleren te verbinden met de ontwikkeling van toxineproductie.

"Begrijpen hoe algenbloei giftig wordt en welke omstandigheden dat veroorzaken, is van cruciaal belang, " zegt Hedy Edmonds, een programmadirecteur in de afdeling Ocean Sciences van de National Science Foundation, die het onderzoek gedeeltelijk financierde. "Deze studie biedt een mogelijk hulpmiddel voor het monitoren van algenbloei en het voorspellen van de productie van toxine voordat het optreedt."

Schadelijke algenbloei moeilijk te voorspellen, en de bloei-veroorzakende organismen bezitten doorgaans zeer complexe, grote genomen. Onderzoeksauteurs zeggen dat de grootste implicatie het vermogen zal zijn om naar een bloei op genetisch niveau te kijken. Kennis van de genen die betrokken zijn bij de productie van domoïnezuur zal genetische monitoring van algenbloei mogelijk maken en helpen bij het identificeren van omstandigheden die de toxineproductie veroorzaken.

"Omdat de genomen van de algen zo complex zijn, de biosynthetische routes voor mariene microalgentoxines zijn al geruime tijd ongrijpbaar gebleven, " zei senior auteur Bradley Moore, een chemicus en geneticus bij Scripps en UC San Diego's Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences. "Nu we zowel een genoom hebben voor Pseudo-nitzschia als een genetische route voor de productie van domoïnezuur, we beginnen te begrijpen waarom deze microalgen een toxine maken en hoe dat vermogen wordt geactiveerd. Deze nieuwe kennis kan ons uiteindelijk beter leren hoe we toekomstige giftige gebeurtenissen kunnen voorspellen en voorbereiden."

Dit werk gevorderd onderzoek voltooid in 2011 door David Hutchins van de Universiteit van Zuid-Californië, ook een co-auteur van deze studie, die ontdekte dat wanneer fosfaat wordt beperkt en de hoeveelheid koolstofdioxide in de oceaan wordt verhoogd, diatomeeën kunnen een grote hoeveelheid domoïnezuur aanmaken en schadelijk worden. De bevinding was deels significant omdat wetenschappers hebben waargenomen dat de oceanen extra hoeveelheden koolstofdioxide hebben opgenomen boven het natuurlijke niveau als gevolg van het maatschappelijk gebruik van fossiele brandstoffen. Dit en de stijgende oceaantemperaturen betekenen dat domoïnezuurgebeurtenissen steeds vaker voorkomen, giftiger, en langer meegaan dan in voorgaande decennia. De onderzoekers van Scripps gebruikten de resultaten van het onderzoek van Hutchins om de genen te identificeren die verantwoordelijk zijn voor de productie van dit toxine.

"We vonden het erg interessant dat een combinatie van fosfaatbeperking en verhoogde kooldioxide zo'n sterk maar genuanceerd effect kon hebben op de productie van domoïnezuur in cultuur, " zei Andrew E. Allen, een ecoloog en diatomeeëngenomics-expert met dubbele aanstelling bij Scripps en JCVI, die ook een senior auteur is van het onderzoek. "We waren in staat om genexpressie direct te correleren met toxineproductie, en deze observatie leidde ons rechtstreeks naar de genen die coderen voor domoïnezuur."

Onderzoekers van JCVI die in het laboratorium van Allen werken, hebben RNA-transcripten uit de microalgen geëxtraheerd en gesequenced, een benadering die genen meet die actief zijn. Daaropvolgende analyse van de genetische sequenties die worden gecodeerd door de RNA-transcripten identificeerde de genen waarvan wordt aangenomen dat ze de toxines produceren. In vitro biochemische experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Moore in Scripps hebben vervolgens een reeks enzymen tot stand gebracht die de kernstructuur van het toxine creëren.

"Sommige van de biosynthetische enzymen van domoïnezuur die dit toxine bouwen, zijn uniek op genetisch en biochemisch niveau, " zei Shaun McKinnie, een postdoctoraal onderzoeker bij Scripps en het Center for Marine Biotechnology and Biomedicine en co-hoofdauteur van de studie. "Nu we deze diagnostische chemische transformaties kunnen koppelen aan hun enzymen en genen, we hebben goede hoop dat onderzoekers het toxiciteitspotentieel van domoïnezuur in een schadelijke algenbloei kunnen voorspellen als aanvulling op de huidige monitoringbenaderingen."

Onderzoekers die de monitoring en voorspelling van schadelijke algenbloei bestuderen, zeggen dat deze bevinding hoop biedt voor een beter begrip van het fenomeen en kan helpen om het traject van domoïnezuurgebeurtenissen als reactie op toekomstige klimaatverandering beter te projecteren.

"Deze doorbraak markeert een duidelijk keerpunt in ons begrip van deze gebeurtenissen, aangezien zoveel van de onzekerheid rond de giftige bloei van Pseudo-nitzschia het resultaat is van ons onvolledige begrip van de domoïnezuursynthese zelf, " zei de biologische oceanograaf en onderzoeker naar schadelijke algenbloei Clarissa Anderson, directeur van het Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS) bij Scripps, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De heilige graal van het voorspellen van schadelijke algenbloei aan de westkust en elders, voorspelt wanneer, waar, en uiteindelijk, waarom Pseudo-nitzschia de productie van domoïnezuur in- of uitschakelt. We zullen dit soort schadelijke algenbloei misschien nooit kunnen voorkomen, maar we kunnen de vroege stadia van de domoïnezuurproductie beter volgen."

De studie, "Biosynthese van het neurotoxine domoïnezuur in een bloemvormende diatomee, " was vijf jaar in de maak.