Científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego, la Universidad de São Paulo y la UC Santa Cruz colaboraron para descubrir y validar las enzimas responsables de la producción de una de las neurotoxinas más tóxicas y de acción rápida asociadas con la proliferación de algas nocivas en agua dulce. en lagos y estanques.
El equipo combinó estudios genéticos y bioquímicos para mostrar cómo las cianobacterias de agua dulce producen la potente neurotoxina llamada guanitoxina. Este descubrimiento reveló que las cianobacterias productoras de guanitoxina son más frecuentes de lo que se conocía originalmente en los Estados Unidos, lo que abre la posibilidad de nuevas pruebas de diagnóstico molecular para informar mejor y proteger al público de esta toxina natural de agua dulce. Los hallazgos se describieron en un artículo publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 18 de mayo de 2022.
El documento también «muestra que se produce guanitoxina en cuerpos de agua dulce que han sufrido eventos muy tóxicos en el pasado», dijo la autora principal del estudio, Stella Lima, exestudiante de doctorado en la Universidad de São Paulo y profesora visitante en Scripps Oceanography.
La guanitoxina es una de las neurotoxinas más potentes producidas por las cianobacterias que en realidad tiene un mecanismo de acción similar al de los pesticidas y los agentes de guerra química, dijo Timothy Fallon, científico postdoctoral de Scripps en el laboratorio del biólogo químico marino de Scripps, Bradley Moore., donde Lima fue un erudito visitante.
Las floraciones de algas nocivas (HAB, por sus siglas en inglés) se forman en lagos y estanques cuando las cianobacterias, también conocidas como algas verdeazuladas, se vuelven abundantes. Estas HAB de agua dulce producen diferentes cianotoxinas, que pueden dañar a los animales y las personas cercanas. Según la cianotoxina involucrada, las personas expuestas presentan síntomas como dolor de estómago, dolor de cabeza, vómitos, daño hepático o deterioro neurológico, según funcionarios federales de salud. A lo largo de los años, muchas regiones han declarado emergencias y han emitido avisos de «no beber». También se han informado muertes de mascotas y animales después de que los animales entraron en contacto con el agua afectada.
Las HAB de agua dulce pueden causar innumerables problemas sociales y económicos para las comunidades y son un problema de salud pública problemático, dijo Lima. Las pruebas y el seguimiento de ciertas cianotoxinas, como la microcistina, la cilindrospermopsina, la saxitoxina y la anatoxina-a, se realizan porque hay métodos disponibles para hacerlo, pero a pesar de que la guanitoxina es la segunda cianotoxina más tóxica, «nadie la busca» porque la los métodos correctos no están disponibles para la detección y el monitoreo, agregó Lima.
Como estudiante de doctorado en 2016, Lima encontró un conjunto de genes que sospechaba que eran responsables de producir guanitoxina en una cianobacteria aislada de una gran floración de agua dulce en Brasil. La cepa se aisló del embalse Tapacurá en Pernambuco, Brasil, y ha sido mantenida y cultivada por Marli Fiore, ex asesora de doctorado de Lima y coautora del estudio.
Tras este descubrimiento, Lima buscó una sociedad para confirmar su sospecha. Entonces, en 2018 viajó a UC San Diego para trabajar con Moore, quien había establecido los primeros estudios bioquímicos sobre la guanitoxina a principios de la década de 1990. El equipo de científicos trabajó en conjunto para establecer las funciones precisas de las nueve enzimas que convierten un aminoácido común en una neurotoxina, dijo Lima.
Después de descubrir los genes involucrados en la producción de guanitoxina y validar cuidadosamente sus funciones, los investigadores buscaron genes biosintéticos de guanitoxina en miles de muestras de datos ambientales disponibles públicamente.
Los investigadores pudieron detectar genes de toxina para la guanitoxina en puntos críticos ambientales en los Estados Unidos en áreas pobladas, dijo Moore, quien es coautor del estudio.. Las dos áreas de preocupación, donde los genes de la toxina se detectaron regularmente para la guanitoxina, estaban en el lago Erie, cerca de Toledo, Ohio, y en el lago Mendota, Wisconsin. Otras áreas de detección incluyen el río Amazonas en Brasil, tEl río Columbia en Oregón y el río Delaware en Delaware.
«Encontramos estos genes en muchas fuentes diferentes de agua dulce, pero nadie ha buscado o monitoreado ambientalmente esta toxina en particular», dijo Shaun McKinnie, profesor asistente de química y bioquímica en UC Santa Cruz y ex becario postdoctoral en Moore Lab. que contribuyó al estudio.
«Aquí está este potencial neurotóxico en estos lagos que la gente usa de forma recreativa, pero esta toxina ha pasado desapercibida hasta nuestro trabajo», dijo Fallon.
Moore dijo que el trabajo de seguimiento debe incluir trabajo de campo para detectar otras áreas donde se puede producir guanitoxina.
Las floraciones de cianobacterias son cada vez más frecuentes en los Estados Unidos y en todo el mundo, principalmente debido al cambio climático y la introducción de fertilizantes y otros productos químicos relacionados con la agricultura en cuerpos de agua.
Si bien las HAB pueden ser visibles en la superficie de los cuerpos de agua dulce, la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) federal establece que «las cianotoxinas pueden estar presentes antes y después de que las floraciones sean visibles. Por lo tanto, se recomienda que los niveles de cianotoxinas se confirmen mediante pruebas de laboratorio del agua. «
«Ahora que descubrimos la vía de la guanitoxina a nivel genómico, también podemos brindar información adicional para decir: ‘Este es un cuerpo de agua seguro, o este es un cuerpo de agua menos seguro; ¿Tiene esto la capacidad de volverse tóxico y ¿podemos predecir eventos tóxicos?'», dijo McKinnie.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente provisional basada en el concepto de usar las secuencias de genes biosintéticos de guanitoxina que identificaron en el laboratorio y aplicar diagnósticos moleculares usando esas secuencias para encontrar los genes en el medio ambiente.
Además de Lima, Fallon, Moore, Fiore y McKinnie, otros coautores del estudio incluyen a Endrews Delbaje, Ernani Pinto y Felipe Dörr de la Universidad de São Paulo; la ex científica de Moore Lab, Hanna Luhavaya; Steffaney Wood, actual estudiante de doctorado en oceanografía de Scripps; los investigadores de UC Santa Cruz Jennifer Cordoza, Austin Hopiavuori y Jackson Baumgartner; Jonathon Chekan de la Universidad de Carolina del Norte Greensboro; Danillo Alvarenga de la Universidad de Copenhague; y Augusto Etchegaray de la Pontificia Universidad Católica de Campinas en Brasil.
El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, la Fundación de Investigación de Sao Paulo y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico. Otros fondos provinieron de la Beca de la Fundación Simons de la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida; la Agencia Federal Brasileña de Evaluación de Apoyo a la Educación de Posgrado; financiación inicial y una beca de investigación de la facultad de UC Santa Cruz.
