A extensão da floração de Pseudo-nitzschia do noroeste do Pacífico em 2015. A gradação das cores roxo-azul-verde-amarelo-vermelho-rosa em áreas oceânicas mostra um aumento da concentração de clorofila em direção à costa. Dados de satélite cortesia do Grupo de Processamento de Biologia Oceânica da NASA e LAADS-DAAC. Crédito:Mati Kahru, Scripps Institution of Oceanography na UC San Diego.
Uma equipe liderada por cientistas do Scripps Institution of Oceanography da University of California San Diego e do J. Craig Venter Institute (JCVI) descobriu a base genética para a produção de ácido domóico, uma potente neurotoxina produzida por florações de algas prejudiciais.
A proliferação de algas nocivas causa danos econômicos e ambientais significativos às comunidades costeiras em todo o mundo. Essas flores ocasionalmente produzem toxinas que podem adoecer mamíferos marinhos e ameaçar a saúde humana quando as toxinas se acumulam nos frutos do mar. Uma exposição de alta dose ao ácido domóico, produzido por um tipo de fitoplâncton conhecido como diatomácea no gênero Pseudo-nitzschia, pode levar ao envenenamento por marisco amnésico, uma condição potencialmente fatal caracterizada por convulsões e perda de memória de curto prazo.
Em um novo estudo publicado na edição de 28 de setembro de Ciência , a equipe de cientistas da UC San Diego e JCVI identificou um grupo de genes associados à produção da toxina ácido domóico no fitoplâncton marinho Pseudo-nitzschia.
Este tipo de microalga é digno de nota porque, no verão de 2015, causou a maior proliferação de algas nocivas já registrada na costa oeste da América do Norte, do Alasca a Santa Bárbara, e resultou no encerramento das temporadas de pesca e caranguejo para proteger os consumidores de envenenamento potencial de moluscos.
Visão microscópica do ácido domóico produzindo diatomácea Pseudo-nitzschia em uma amostra de água do mar da Baía de Monterey, Califórnia. Esta espécie de diatomácea, quando em crescimento ativo, normalmente forma longas cadeias de células individuais. Crédito:G. Jason Smith em Moss Landing Marine Labs.
Apesar de décadas de pesquisa sobre Pseudo-nitzschia, a base molecular para a toxicidade desse fitoplâncton não era conhecida. Os cientistas descobriram que esses genes recém-descobertos contêm as instruções biológicas para a produção da toxina e são subsequentemente "ativados" quando a Pseudo-nitzschia está produzindo o ácido domóico.
"Ao identificar os genes que codificam a produção de ácido domóico, agora podemos fazer perguntas sobre várias condições oceânicas que ligam ou desligam os genes, "disse o Scripps Institution of Oceanography e o aluno de Ph.D. da JCVI, Patrick Brunson, um dos dois autores principais do estudo. "Este conhecimento nos permitirá rastrear o desenvolvimento da toxicidade da floração no nível genético."
Ao mostrar como os genes para a produção de ácido domóico são ativados na cultura, os autores sugerem uma maneira de conectar as condições oceânicas que impulsionam a evolução da proliferação de algas ao desenvolvimento da produção de toxinas.
"Entender como a proliferação de algas se torna tóxica e quais condições causam isso é extremamente importante, "diz Hedy Edmonds, um diretor de programa na Divisão de Ciências Oceânicas da National Science Foundation, que financiou parcialmente a pesquisa. "Este estudo oferece uma ferramenta possível para monitorar a proliferação de algas e prever a produção de toxina antes que ela ocorra."
A proliferação de algas nocivas é difícil de prever, e os organismos que causam o florescimento normalmente possuem muito complexos, grandes genomas. Os autores do estudo dizem que a maior implicação será a capacidade de observar uma floração no nível genético. O conhecimento dos genes envolvidos na produção de ácido domóico permitirá o monitoramento genético da proliferação de algas e ajudará na identificação das condições que desencadeiam a produção de toxinas.
"Como os genomas das algas são tão complexos, as vias biossintéticas para toxinas microalgais marinhas permaneceram indefinidas por algum tempo, "disse o autor sênior Bradley Moore, um químico e geneticista da Scripps e da Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences da UC San Diego. "Agora que temos um genoma para a Pseudo-nitzschia e uma via genética para a produção de ácido domóico, estamos começando a entender por que essas microalgas produzem uma toxina e como essa capacidade é ativada. Este novo conhecimento pode, em última análise, nos educar melhor como prever e nos preparar para eventos tóxicos futuros. "
Este trabalho avançou a pesquisa concluída em 2011 por David Hutchins, da University of Southern California, também co-autor deste estudo, que descobriu que quando o fosfato é limitado e a quantidade de dióxido de carbono no oceano é aumentada, as diatomáceas podem produzir uma grande quantidade de ácido domóico e tornar-se prejudiciais. A descoberta foi significativa em parte porque os cientistas observaram que os oceanos estão absorvendo quantidades adicionais de dióxido de carbono além dos níveis naturais devido ao uso social de combustíveis fósseis. Isso e o aumento da temperatura do oceano significam que os eventos de ácido domóico estão se tornando mais prevalentes, mais tóxico, e durando mais do que nas décadas anteriores. Os pesquisadores da Scripps usaram os resultados do estudo de Hutchins para identificar os genes responsáveis pela produção dessa toxina.
"Achamos muito interessante que uma combinação de limitação de fosfato e aumento de dióxido de carbono possa ter um efeito tão forte, mas matizado, na produção de ácido domóico em cultura, "disse Andrew E. Allen, um ecologista e especialista em genômica de diatomáceas com dupla nomeação na Scripps e JCVI, que também é um autor sênior do estudo. "Fomos capazes de correlacionar diretamente a expressão do gene à produção de toxinas, e essa observação nos levou direto aos genes que codificam o ácido domóico. "
Patrick Brunson, aluno de pós-graduação da Scripps e JCVI, pipeta diatomáceas Pseudo-nitzschia no Laboratório Andrew Allen do Instituto J. Craig Venter. Crédito:J. Craig Venter Institute
Pesquisadores da JCVI trabalhando no laboratório de Allen extraíram e sequenciaram transcrições de RNA das microalgas, uma abordagem que mede genes que estão ativos. A análise subsequente das sequências genéticas codificadas pelos transcritos de RNA identificou os genes que supostamente produzem as toxinas. Experimentos de bioquímica in vitro conduzidos no laboratório de Moore em Scripps estabeleceram uma série de enzimas que criam a estrutura central da toxina.
"Algumas das enzimas biossintéticas do ácido domóico que constroem essa toxina são únicas no nível genético e bioquímico, "disse Shaun McKinnie, pesquisador de pós-doutorado na Scripps e no Centro de Biotecnologia e Biomedicina Marinha e co-autor principal do estudo. "Agora que podemos ligar essas transformações químicas diagnósticas às suas enzimas e genes, temos esperança de que os pesquisadores possam começar a prever o potencial de toxicidade do ácido domóico em uma proliferação de algas nocivas para complementar as abordagens de monitoramento atuais. "
Os pesquisadores que estudam o monitoramento e a previsão da proliferação de algas nocivas dizem que esta descoberta oferece esperança para uma maior compreensão do fenômeno e pode ajudar a projetar melhor a trajetória dos eventos do ácido domóico em resposta às futuras mudanças climáticas.
"Este avanço marca um ponto de inflexão claro em nossa compreensão desses eventos, uma vez que grande parte da incerteza em torno das proliferações tóxicas de Pseudo-nitzschia é resultado de nossa compreensão incompleta da síntese do ácido domóico em si, "disse a oceanógrafa biológica e pesquisadora da proliferação de algas prejudiciais, Clarissa Anderson, diretor do Sistema de Observação do Oceano Costeiro do Sul da Califórnia (SCCOOS) na Scripps, que não estava envolvido no estudo. "O Santo Graal da previsão da proliferação de algas nocivas na Costa Oeste e em outros lugares é prever quando, Onde, e finalmente, por que a Pseudo-nitzschia ativa ou desativa a produção de ácido domóico. Podemos nunca ser capazes de evitar este tipo de proliferação de algas nocivas, mas podemos monitorar melhor os estágios iniciais da produção de ácido domóico. "
O estudo, "Biossíntese do ácido domóico da neurotoxina em uma diatomácea formadora de flor, "levou cinco anos para ser feito.
