Uma equipe internacional de cientistas identificou os genes e a via biossintética que permitem que certos tipos de cianobactérias encontradas em ambientes de água doce produzam uma potente neurotoxina chamada guanitoxina.
Florações de algas nocivas, muitas vezes envolvendo cianobactérias produtoras de toxinas (anteriormente conhecidas como algas verde-azuladas), estão afetando lagos, rios e outros corpos de água doce em todo o mundo com frequência crescente. Programas de monitoramento ambiental podem detectar a maioria das toxinas de cianobactérias, mas a química incomum da guanitoxina a torna incompatível com os métodos de detecção padrão.

Compreender a base genética para a biossíntese de guanitoxina significa que as tecnologias de diagnóstico molecular podem agora ser usadas para monitoramento ambiental para detectar a presença de cianobactérias produtoras de guanitoxina.

As novas descobertas, publicadas em 18 de maio no Journal of the American Chemical Society , incluem evidências de que a guanitoxina provavelmente está presente em muitos lagos e reservatórios nas Américas do Norte e do Sul. A guanitoxina tem o mesmo mecanismo de ação que o agente nervoso sarin e o paration pesticida proibido, causando toxicidade neurológica aguda que pode levar à morte rápida. A exposição a ele tem sido associada à morte de animais selvagens e domésticos.

“Agora que encontramos os genes e os ligamos bioquimicamente à produção de guanitoxina, esperamos poder usar tecnologias de detecção baseadas em PCR para prever a toxicidade futura e monitorar ambientalmente essa toxina”, disse Shaun McKinnie, professor assistente de química. e bioquímica na UC Santa Cruz e um dos três autores correspondentes do artigo.

Os outros autores correspondentes são Marli Fiore da Universidade de São Paulo, Brasil, e Bradley Moore da Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego. O laboratório de Fiore isolou uma cepa de cianobactéria produtora de guanitoxina há quase 20 anos do reservatório Tapacurá, no leste do Brasil. Depois de sequenciar o genoma da cepa, os pesquisadores brasileiros – liderados por Stella Lima, então estudante de pós-graduação no laboratório de Fiore – encontraram um conjunto de genes que suspeitavam estar envolvidos na produção de guanitoxina.

Lima, que é o primeiro autor do novo artigo, foi à UC San Diego em 2018 para trabalhar com Moore, que havia feito os primeiros estudos bioquímicos de guanitoxina na década de 1990. McKinnie se envolveu no projeto como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Moore. Quando ele se mudou para a UC Santa Cruz em 2019, seu laboratório continuou trabalhando na via biossintética da guanitoxina em colaboração com os outros dois laboratórios. A estudante de pós-graduação Jennifer Cordoza liderou o esforço na UC Santa Cruz.

"Todo o laboratório ajudou a contribuir para esta história, no entanto Jenny realmente correu com ela e validou mais da metade do caminho durante o primeiro ano de seu doutorado", disse McKinnie. "Já identificamos todas as nove enzimas envolvidas em como esse organismo pega o aminoácido arginina e o converte em uma toxina especializada".

Os pesquisadores confirmaram suas descobertas reconstituindo a via biossintética da guanitoxina "in vitro" (no tubo de ensaio, sem cianobactérias).

Eles também procuraram os genes da toxina em conjuntos de dados disponíveis de dados brutos de sequenciamento ambiental. A pesquisa indicou que as cianobactérias produtoras de guanitoxina estão presentes em uma ampla variedade de locais, incluindo o Lago Erie perto de Toledo, Ohio; Lago Mendota em Wisconsin; o Rio Columbia em Oregon; o Rio Delaware em Delaware; e vários sites no Brasil.

"Encontramos esses genes em uma variedade de diferentes fontes de água doce, mas ninguém procurou ou monitorou essa toxina em particular ambientalmente", disse McKinnie.

Ele explicou que a detecção direta de guanitoxina exigiria um procedimento analítico diferente dos métodos padrão usados ​​no monitoramento ambiental de toxinas. Tecnologias de diagnóstico molecular, como a reação em cadeia da polimerase (PCR), oferecem uma alternativa eficaz para identificar amostras com potencial de serem tóxicas devido à guanitoxina.

"Encontrar os genes em uma amostra poderia justificar um procedimento mais complexo para detectar a guanitoxina diretamente", disse McKinnie.

Os pesquisadores apresentaram um pedido de patente provisória baseado no conceito de usar as sequências de genes biossintéticos de guanitoxina que identificaram em laboratório e aplicar diagnósticos moleculares usando essas sequências para encontrar os genes no ambiente. + Explorar mais

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