Größtes bisher entdecktes Protein bildet Algentoxine

Beim Versuch, herauszufinden, wie Meeresalgen ihre chemisch komplexen Toxine produzieren, haben Wissenschaftler der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego das größte Protein entdeckt, das jemals in der Biologie identifiziert wurde.

Durch die Aufklärung des biologischen Mechanismus, den die Algen zur Produktion ihres komplexen Toxins entwickelt haben, wurden auch bislang unbekannte Strategien zur Herstellung von Chemikalien aufgedeckt, die möglicherweise den Weg für die Entwicklung neuer Medikamente und Materialien ebnen könnten.

Forscher entdeckten das Protein, das sie PKZILLA-1 nannten, als sie untersuchten, wie eine Algenart namens Prymnesium parvum ihr Gift produziert, das für ein Massensterben von Fischen verantwortlich ist.

„Das ist der Mount Everest der Proteine“, sagte Bradley Moore, ein Meereschemiker mit gemeinsamen Anstellungen am Scripps Oceanography und der Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences und leitender Autor einer neuen Studie, in der die Ergebnisse detailliert beschrieben werden. „Das erweitert unser Verständnis davon, wozu die Biologie fähig ist.“

PKZILLA-1 ist 25 % größer als Titin, der bisherige Rekordhalter, der in menschlichen Muskeln vorkommt und eine Länge von 1 Mikrometer (0,0001 Zentimeter oder 0,00004 Zoll) erreichen kann.

Veröffentlicht in Wissenschaft Die Studie zeigt, dass dieses riesige Protein und ein weiteres, übergroßes, aber nicht rekordverdächtiges Protein – PKZILLA-2 – der Schlüssel zur Produktion von Prymnesin sind – dem großen, komplexen Molekül, das das Gift der Alge darstellt.

Neben der Identifizierung der massiven Proteine, die hinter Prymnesin stehen, wurden im Rahmen der Studie auch ungewöhnlich große Gene entdeckt, die Prymnesium parvum die Blaupause für die Herstellung der Proteine ​​liefern.

Die Entdeckung der Gene, die für die Produktion des Prymnesintoxins verantwortlich sind, könnte die Überwachung schädlicher Algenblüten dieser Art verbessern, indem sie Wassertests ermöglicht, bei denen nach den Genen und nicht nach den Toxinen selbst gesucht wird.

„Wenn wir die Gene überwachen und nicht das Toxin, könnten wir die Blütenbildung vielleicht schon im Vorfeld erkennen, statt sie erst zu identifizieren, wenn die Toxine im Umlauf sind“, sagt Timothy Fallon, Postdoktorand in Moores Labor am Scripps-Institut und einer der Erstautoren der Studie.

Die Entdeckung der Proteine ​​PKZILLA-1 und PKZILLA-2 legt auch die aufwendige zelluläre Fertigungsstraße der Alge zur Herstellung der Toxine offen, die einzigartige und komplexe chemische Strukturen aufweisen. Dieses verbesserte Verständnis der Herstellung dieser Toxine könnte sich für Wissenschaftler als nützlich erweisen, die versuchen, neue Verbindungen für medizinische oder industrielle Anwendungen zu synthetisieren.

„Wenn wir verstehen, wie die Natur ihre chemische Zauberei entwickelt hat, können wir als Wissenschaftler diese Erkenntnisse für die Schaffung nützlicher Produkte anwenden, ob es sich nun um ein neues Krebsmedikament oder einen neuen Stoff handelt“, sagte Moore.

Prymnesium parvum, allgemein bekannt als Goldalge, ist ein einzelliger Wasserorganismus, der weltweit in Süß- und Salzwasser vorkommt. Goldalgenblüten werden mit Fischsterben in Verbindung gebracht, da sie das Gift Prymnesin enthalten, das schädigt die Kiemen von Fischen und anderen Wasserlebewesen.

Im Jahr 2022 tötete eine Goldalgenblüte 500–1.000 Tonnen Fisch in der Oder grenzt an Polen und Deutschland. Der Mikroorganismus kann in Aquakultursystemen von Texas bis Skandinavien verheerende Schäden anrichten.

Prymnesin gehört zu einer Gruppe von Toxinen, die als Polyketidpolyether bezeichnet werden. Zu ihnen gehört auch Brevetoxin B, ein wichtiges Rote-Tide-Toxin, das regelmäßig Floridaund Ciguatoxin, das Rifffische im Südpazifik und in der Karibik verseucht. Diese Toxine gehören zu den größten und komplexesten Chemikalien in der gesamten Biologie, und Forscher versuchen seit Jahrzehnten herauszufinden, wie Mikroorganismen so große, komplexe Moleküle produzieren.

Ab 2019 versuchten Moore, Fallon und Vikram Shende, ein Postdoktorand in Moores Labor am Scripps und Co-Erstautor der Arbeit, herauszufinden, wie Goldalgen ihr Gift Prymnesin auf biochemischer und genetischer Ebene produzieren.

Die Autoren der Studie begannen mit der Sequenzierung des Genoms der Goldalge und suchten nach den Genen, die an der Produktion von Prymnesin beteiligt sind. Traditionelle Methoden zur Suche im Genom brachten keine Ergebnisse, also griff das Team auf alternative Methoden der genetischen Detektivarbeit zurück, die sich besser zum Auffinden superlanger Gene eigneten.

„Wir konnten die Gene lokalisieren und es stellte sich heraus, dass diese Alge riesige Gene verwendet, um riesige giftige Moleküle herzustellen“, sagte Shende.

Nachdem die Gene PKZILLA-1 und PKZILLA-2 lokalisiert waren, musste das Team untersuchen, was die Gene bewirkten, um sie mit der Produktion des Toxins in Verbindung zu bringen. Fallon sagte, das Team sei in der Lage gewesen, die codierenden Bereiche der Gene wie Notenblätter zu lesen und sie in die Aminosäuresequenz zu übersetzen, die das Protein bildete.

Als die Forscher die PKZILLA-Proteine ​​zusammengesetzt hatten, staunten sie über deren Größe. Das Protein PKZILLA-1 wies eine Rekordmasse von 4,7 Megadalton auf, während PKZILLA-2 mit 3,2 Megadalton ebenfalls extrem groß war. Titin, der bisherige Rekordhalter, kann bis zu 3,7 Megadalton groß sein – also etwa 90-mal größer als ein typisches Protein.

Nachdem weitere Tests gezeigt hatten, dass Goldalgen diese riesigen Proteine ​​tatsächlich im Leben produzieren, wollte das Team herausfinden, ob die Proteine ​​an der Herstellung des Toxins Prymnesin beteiligt sind. Die PKZILLA-Proteine ​​sind technisch gesehen Enzyme, was bedeutet, dass sie chemische Reaktionen auslösen, und das Team spielte die lange Abfolge von 239 chemischen Reaktionen, die die beiden Enzyme auslösen, mit Stiften und Notizblöcken durch.

„Das Endergebnis passte perfekt zur Struktur von Prymnesin“, sagte Shende.

Die Beobachtung der Reaktionskaskade, die die Goldalge zur Herstellung ihres Toxins nutzt, enthüllte bisher unbekannte Strategien zur Herstellung von Chemikalien in der Natur, sagte Moore. „Die Hoffnung ist, dass wir dieses Wissen darüber, wie die Natur diese komplexen Chemikalien herstellt, nutzen können, um im Labor neue chemische Möglichkeiten für die Medikamente und Materialien von morgen zu erschließen“, fügte er hinzu.

Die Entdeckung der Gene, die dem Prymnesintoxin zugrunde liegen, könnte eine kostengünstigere Überwachung von Goldalgenblüten ermöglichen. Bei einer solchen Überwachung könnten Tests zum Nachweis der PKZILLA-Gene in der Umwelt zum Einsatz kommen, ähnlich den PCR-Tests, die während der COVID-19-Pandemie bekannt wurden. Eine verbesserte Überwachung könnte die Vorbereitung verbessern und eine detailliertere Untersuchung der Bedingungen ermöglichen, die das Auftreten von Blüten wahrscheinlicher machen.

Fallon sagte, die von dem Team entdeckten PKZILLA-Gene seien die ersten Gene, die jemals ursächlich mit der Produktion irgendeines Meeresgiftes aus der Polyethergruppe, zu der Prymnesin gehört, in Zusammenhang gebracht wurden.

Als nächstes hoffen die Forscher, die nicht standardmäßigen Screening-Techniken, die sie zum Auffinden der PKZILLA-Gene verwendet haben, auf andere Arten anwenden zu können, die Polyethertoxine produzieren.

Wenn sie die Gene hinter anderen Polyethertoxinen wie Ciguatoxin finden können, die bis zu 500.000 Menschen jährlichwürde es die gleichen Möglichkeiten der genetischen Überwachung für eine Reihe anderer toxischer Algenblüten mit erheblichen globalen Auswirkungen eröffnen.