As descobertas podem melhorar os esforços de monitoramento de proliferações de algas nocivas e desbloquear o potencial para novos medicamentos ou materiais
Por Universidade da Califórnia – San Diego, com informações de Science Daily.
Enquanto buscam desvendar como as algas marinhas criam suas toxinas quimicamente complexas, cientistas da Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego descobriram a maior proteína já identificada na biologia. Descobrir a maquinaria biológica que as algas evoluíram para fazer sua toxina intrincada também revelou estratégias previamente desconhecidas para montar produtos químicos, o que pode desbloquear o desenvolvimento de novos medicamentos e materiais.
Pesquisadores encontraram a proteína, que chamaram de PKZILLA-1, enquanto estudavam como um tipo de alga chamada Prymnesium parvum produz sua toxina, responsável pela mortandade em massa de peixes.
“Este é o Monte Everest das proteínas”, disse Bradley Moore, um químico marinho com nomeações conjuntas na Scripps Oceanography e na Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences e autor sênior de um novo estudo detalhando as descobertas. “Isso expande nossa noção do que a biologia é capaz.”
O PKZILLA-1 é 25% maior que a titina, a detentora do recorde anterior, que é encontrada nos músculos humanos e pode atingir 1 mícron de comprimento (0,0001 centímetro ou 0,00004 polegada).
Publicado na Science e financiado pelo National Institutes of Health e pela National Science Foundation, o estudo mostra que essa proteína gigante e outra proteína superdimensionada, mas não recordista — PKZILLA-2 — são essenciais para produzir prymnesin — a molécula grande e complexa que é a toxina das algas. Além de identificar as proteínas massivas por trás da prymnesin, o estudo também descobriu genes anormalmente grandes que fornecem ao Prymnesium parvum o projeto para fazer as proteínas.
Encontrar os genes que sustentam a produção da toxina primnesina pode melhorar os esforços de monitoramento de proliferações de algas nocivas dessa espécie, facilitando os testes de água que procuram os genes em vez das toxinas em si.
“Monitorar os genes em vez da toxina pode nos permitir detectar as proliferações antes que elas comecem, em vez de identificá-las somente quando as toxinas estiverem circulando”, disse Timothy Fallon, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Moore em Scripps e coautor do artigo.
A descoberta das proteínas PKZILLA-1 e PKZILLA-2 também expõe a elaborada linha de montagem celular da alga para construir as toxinas, que têm estruturas químicas únicas e complexas. Essa melhor compreensão de como essas toxinas são feitas pode ser útil para cientistas que tentam sintetizar novos compostos para aplicações médicas ou industriais.
“Entender como a natureza desenvolveu sua magia química nos dá, como cientistas, a capacidade de aplicar esses insights para criar produtos úteis, seja um novo medicamento contra o câncer ou um novo tecido”, disse Moore.
Prymnesium parvum, comumente conhecido como alga dourada, é um organismo aquático unicelular encontrado em todo o mundo, tanto em água doce quanto salgada. Florações de algas douradas estão associadas à morte de peixes devido à sua toxina prymnesin, que danifica as guelras de peixes e outros animais que respiram na água. Em 2022, uma floração de algas douradas matou de 500 a 1.000 toneladas de peixes no Rio Oder, adjacente à Polônia e à Alemanha. O microrganismo pode causar estragos em sistemas de aquicultura em lugares que vão do Texas à Escandinávia.
A primnesina pertence a um grupo de toxinas chamadas poliéteres de policetídeos que inclui a brevetoxina B, uma importante toxina da maré vermelha que afeta regularmente a Flórida, e a ciguatoxina, que contamina peixes de recife no Pacífico Sul e no Caribe. Essas toxinas estão entre os maiores e mais intrincados produtos químicos de toda a biologia, e os pesquisadores têm lutado por décadas para descobrir exatamente como os microrganismos produzem moléculas tão grandes e complexas.
A partir de 2019, Moore, Fallon e Vikram Shende, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Moore em Scripps e coautor do artigo, começaram a tentar descobrir como as algas douradas produzem sua toxina primnesina em nível bioquímico e genético.
Os autores do estudo começaram sequenciando o genoma da alga dourada e procurando pelos genes envolvidos na produção de prymnesin. Os métodos tradicionais de busca do genoma não produziram resultados, então a equipe mudou para métodos alternativos de investigação genética que eram mais adeptos a encontrar genes superlongos.
“Conseguimos localizar os genes e descobrimos que, para produzir moléculas tóxicas gigantes, essa alga usa genes gigantes”, disse Shende.
Com os genes PKZILLA-1 e PKZILLA-2 localizados, a equipe precisava investigar o que os genes faziam para ligá-los à produção da toxina. Fallon disse que a equipe conseguiu ler as regiões codificadoras dos genes como partituras e traduzi-las para a sequência de aminoácidos que formavam a proteína.
Quando os pesquisadores concluíram esta montagem das proteínas PKZILLA, eles ficaram surpresos com seu tamanho. A proteína PKZILLA-1 registrou uma massa recorde de 4,7 megadaltons, enquanto a PKZILLA-2 também era extremamente grande, com 3,2 megadaltons. A titina, a detentora do recorde anterior, pode ter até 3,7 megadaltons — cerca de 90 vezes maior do que uma proteína típica.
Após testes adicionais mostrarem que algas douradas realmente produzem essas proteínas gigantes em vida, a equipe procurou descobrir se as proteínas estavam envolvidas na produção da toxina prymnesin. As proteínas PKZILLA são tecnicamente enzimas, o que significa que elas iniciam reações químicas, e a equipe executou a longa sequência de 239 reações químicas implicadas pelas duas enzimas com canetas e blocos de notas.
“O resultado final combinou perfeitamente com a estrutura da prymnesin”, disse Shende.
Seguindo a cascata de reações que as algas douradas usam para fazer sua toxina, estratégias previamente desconhecidas para fazer produtos químicos na natureza foram reveladas, disse Moore. “A esperança é que possamos usar esse conhecimento de como a natureza faz esses produtos químicos complexos para abrir novas possibilidades químicas no laboratório para os medicamentos e materiais do amanhã”, ele acrescentou.
Encontrar os genes por trás da toxina prymnesin poderia permitir um monitoramento mais econômico para florações de algas douradas. Esse monitoramento poderia usar testes para detectar os genes PKZILLA no ambiente, semelhantes aos testes de PCR que se tornaram familiares durante a pandemia de COVID-19. O monitoramento aprimorado poderia aumentar a preparação e permitir um estudo mais detalhado das condições que tornam as florações mais propensas a ocorrer.
Fallon disse que os genes PKZILLA descobertos pela equipe são os primeiros genes causalmente ligados à produção de qualquer toxina marinha no grupo poliéter do qual a primnesina faz parte.
Em seguida, os pesquisadores esperam aplicar as técnicas de triagem não padronizadas que usaram para encontrar os genes PKZILLA a outras espécies que produzem toxinas de poliéter. Se eles puderem encontrar os genes por trás de outras toxinas de poliéter, como a ciguatoxina, que pode afetar até 500.000 pessoas anualmente, isso abriria as mesmas possibilidades de monitoramento genético para um conjunto de outras florações de algas tóxicas com impactos globais significativos.
Além de Fallon, Moore e Shende da Scripps, David Gonzalez e Igor Wierzbikci da UC San Diego, juntamente com Amanda Pendleton, Nathan Watervoort, Robert Auber e Jennifer Wisecaver da Universidade Purdue foram coautores do estudo.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela University of California – San Diego . Original escrito por Alex Fox. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
Timothy R. Fallon, Vikram V. Shende, Igor H. Wierzbicki, Amanda L. Pendleton, Nathan F. Watervoot, Robert P. Auber, David J. Gonzalez, Jennifer H. Wisecaver, Bradley S. Moore. Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins. Science, 2024; 385 (6709): 671 DOI: 10.1126/science.ado3290
