Mientras intentaban desentrañar cómo las algas marinas crean sus toxinas químicamente complejas, los científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego descubrieron la proteína más grande identificada hasta ahora en biología. El descubrimiento de la maquinaria biológica que desarrollaron las algas para producir su intrincada toxina también reveló estrategias previamente desconocidas para ensamblar sustancias químicas, lo que podría abrir el camino al desarrollo de nuevos medicamentos y materiales.
Los investigadores encontraron la proteína, a la que llamaron PKZILLA-1, mientras estudiaban cómo un tipo de alga llamada Prymnesium parvum produce su toxina, que es responsable de la muerte masiva de peces.
«Este es el Monte Everest de las proteínas», dijo Bradley Moore, químico marino con nombramientos conjuntos en Scripps Oceanography y Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences y autor principal de un nuevo estudio que detalla los hallazgos. «Esto amplía nuestra noción de lo que la biología es capaz de hacer».
PKZILLA-1 es un 25% más grande que la titina, la poseedora del récord anterior, que se encuentra en los músculos humanos y puede alcanzar 1 micrón de longitud (0,0001 centímetro o 0,00004 pulgadas).
Publicado hoy en Ciencia El estudio, financiado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias, muestra que esta proteína gigante y otra proteína de gran tamaño pero que no rompe récords, la PKZILLA-2, son clave para producir primnesina, la molécula grande y compleja que es la toxina de las algas. Además de identificar las proteínas masivas detrás de la primnesina, el estudio también descubrió genes inusualmente grandes que proporcionan Prymnesium parvum con el plano para fabricar las proteínas.
Encontrar los genes que sustentan la producción de la toxina primnesina podría mejorar los esfuerzos de monitoreo de las floraciones de algas nocivas de esta especie al facilitar pruebas de agua que busquen los genes en lugar de las toxinas en sí.
«Si monitoreamos los genes en lugar de las toxinas, podremos detectar las floraciones antes de que comiencen, en lugar de solo poder identificarlas cuando las toxinas están circulando», dijo Timothy Fallon, investigador postdoctoral en el laboratorio de Moore en Scripps y coautor principal del artículo.
El descubrimiento de las proteínas PKZILLA-1 y PKZILLA-2 también revela la compleja cadena de ensamblaje celular de las algas para la producción de toxinas, que tienen estructuras químicas únicas y complejas. Esta mejor comprensión de cómo se producen estas toxinas podría resultar útil para los científicos que intentan sintetizar nuevos compuestos para aplicaciones médicas o industriales.
«Entender cómo la naturaleza ha desarrollado su magia química nos da, como profesionales científicos, la capacidad de aplicar esos conocimientos para crear productos útiles, ya sea un nuevo fármaco contra el cáncer o un nuevo tejido», dijo Moore.
Prymnesium parvumcomúnmente conocida como alga dorada, es un organismo acuático unicelular que se encuentra en todo el mundo tanto en agua dulce como salada. Las floraciones de algas doradas se asocian con la muerte de peces debido a su toxina primnesina, que daña las branquias de los peces y otros animales que respiran en el agua. En 2022, una floración de algas doradas mató entre 500 y 1000 toneladas de peces en el río Oder, que linda con Polonia y Alemania. El microorganismo puede causar estragos en los sistemas de acuicultura en lugares que van desde Texas hasta Escandinavia.
La primnesina pertenece a un grupo de toxinas llamadas poliéteres policétidos, entre las que se incluyen la brevetoxina B, una importante toxina de la marea roja que afecta regularmente a Florida, y la ciguatoxina, que contamina a los peces de arrecife en todo el Pacífico Sur y el Caribe. Estas toxinas se encuentran entre las sustancias químicas más grandes y complejas de toda la biología, y los investigadores han luchado durante décadas para descubrir exactamente cómo los microorganismos producen moléculas tan grandes y complejas.
A partir de 2019, Moore, Fallon y Vikram Shende, investigador postdoctoral en el laboratorio de Moore en Scripps y coautor principal del artículo, comenzaron a tratar de descubrir cómo las algas doradas producen su toxina primnesina a nivel bioquímico y genético.
Los autores del estudio comenzaron secuenciando el genoma del alga dorada y buscando los genes implicados en la producción de primnesina. Los métodos tradicionales de búsqueda del genoma no dieron resultados, por lo que el equipo recurrió a métodos alternativos de investigación genética que eran más adecuados para encontrar genes superlargos.
«Pudimos localizar los genes y resultó que para fabricar moléculas tóxicas gigantes esta alga utiliza genes gigantes», dijo Shende.
Una vez localizados los genes PKZILLA-1 y PKZILLA-2, el equipo necesitaba investigar qué producían esos genes para vincularlos a la producción de la toxina. Fallon dijo que el equipo pudo leer las regiones codificantes de los genes como si fueran partituras y traducirlas a la secuencia de aminoácidos que formaban la proteína.
Cuando los investigadores completaron el ensamblaje de las proteínas PKZILLA, se quedaron atónitos ante su tamaño. La proteína PKZILLA-1 alcanzó una masa récord de 4,7 megadaltones, mientras que la PKZILLA-2 también fue extremadamente grande, con 3,2 megadaltones. La titina, que poseía el récord anterior, puede alcanzar los 3,7 megadaltones, aproximadamente 90 veces más grande que una proteína típica.
Después de que pruebas adicionales demostraran que las algas doradas realmente producen estas proteínas gigantes en vida, el equipo intentó averiguar si las proteínas estaban involucradas en la producción de la toxina primnesina. Las proteínas PKZILLA son técnicamente enzimas, lo que significa que inician reacciones químicas, y el equipo representó la larga secuencia de 239 reacciones químicas implicadas por las dos enzimas con bolígrafos y cuadernos.
«El resultado final coincidió perfectamente con la estructura de la primnesina», afirmó Shende.
Moore afirmó que el estudio de la cascada de reacciones que utilizan las algas doradas para fabricar su toxina reveló estrategias hasta ahora desconocidas para la fabricación de sustancias químicas en la naturaleza. «La esperanza es que podamos utilizar este conocimiento sobre cómo la naturaleza fabrica estas sustancias químicas complejas para abrir nuevas posibilidades químicas en el laboratorio para los medicamentos y materiales del futuro», añadió.
El descubrimiento de los genes que provocan la toxina primnesina podría permitir un seguimiento más rentable de las floraciones de algas doradas. Este seguimiento podría utilizar pruebas para detectar los genes PKZILLA en el entorno, similares a las pruebas de PCR que se hicieron habituales durante la pandemia de COVID-19. Un mejor seguimiento podría aumentar la preparación y permitir un estudio más detallado de las condiciones que aumentan la probabilidad de que se produzcan floraciones.
Fallon dijo que los genes PKZILLA que descubrió el equipo son los primeros genes vinculados causalmente con la producción de cualquier toxina marina en el grupo de poliéter del que forma parte la primnesina.
A continuación, los investigadores esperan aplicar las técnicas de detección no convencionales que utilizaron para encontrar los genes PKZILLA a otras especies que producen toxinas de poliéter. Si pueden encontrar los genes responsables de otras toxinas de poliéter, como la ciguatoxina, que puede afectar a hasta 500.000 personas al año, se abrirían las mismas posibilidades de seguimiento genético para una serie de otras floraciones de algas tóxicas con importantes repercusiones globales.
Además de Fallon, Moore y Shende de Scripps, David González e Igor Wierzbikci de la UC San Diego junto con Amanda Pendleton, Nathan Watervoort, Robert Auber y Jennifer Wisecaver de la Universidad de Purdue fueron coautores del estudio.
