Стилистическое сравнение размеров PKZILLA-1 и человеческого тайтина, не в масштабе, где PKZILLA-1 показан примерно на 25% больше, чем тайтин. Сокращения: мегадальтон (MDa), ацилпереносящий белок (ACP), кетосинтаза (KS), кеторедуктаза (KR), дегидратаза (DH), еноилредуктаза (ER), фибронектин (Fn), иммуноглобулин (Ig). Рисунок титина адаптирован с https://pdb101.rcsb.org/motm/185 по лицензии Creative Commons, авторство: Дэвид С. Гудселл, RCSB Protein Data Bank (PDB). Структура ACP смоделирована на основе бактериального ACP (идентификатор PDB: 2FAE). KS, KR, DH, ER смоделированы на основе синтазы жирных кислот млекопитающих (идентификатор PDB: 2VZ8). Кредит: Тим Фэллон, доктор философии.
Ученые из Института океанографии имени Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, пытаясь понять, как морские водоросли создают свои химически сложные токсины, обнаружили самый большой белок, когда-либо идентифицированный в биологии.
Раскрытие биологического механизма, с помощью которого водоросли эволюционировали для создания своего сложного токсина, также выявило ранее неизвестные стратегии сборки химических веществ, которые могут открыть путь к разработке новых лекарств и материалов.
Исследователи обнаружили белок, который они назвали PKZILLA-1, изучая, как тип водорослей Prymnesium parvum вырабатывает свой токсин, который является причиной массовой гибели рыбы.
«Это гора Эверест среди белков», — сказал Брэдли Мур, морской химик, работающий в Scripps Oceanography и Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, а также старший автор нового исследования, подробно описывающего результаты. «Это расширяет наше представление о том, на что способна биология».
PKZILLA-1 на 25% больше титина, предыдущего рекордсмена, который содержится в мышцах человека и может достигать 1 микрона в длину (0,0001 сантиметра или 0,00004 дюйма).
Опубликовано в ScienceИсследование показывает, что этот гигантский белок и другой белок сверхбольшого размера, но не рекордный — PKZILLA-2 — играют ключевую роль в производстве примнезина — большой сложной молекулы, которая является токсином водорослей.
Помимо идентификации массивных белков, лежащих в основе примнезина, исследование также выявило необычно большие гены, которые обеспечивают Prymnesium parvum программой для производства белков.
Обнаружение генов, которые лежат в основе выработки токсина примнезина, может улучшить усилия по мониторингу вредоносного цветения водорослей этого вида, упростив тестирование воды, которое ищет гены, а не сами токсины.
«Мониторинг генов вместо токсинов может позволить нам обнаружить цветение до того, как оно начнется, а не только тогда, когда токсины начнут циркулировать», — сказал Тимоти Фэллон, научный сотрудник в лаборатории Мура в Скриппсе и соавтор статьи.
Обнаружение белков PKZILLA-1 и PKZILLA-2 также раскрывает сложную клеточную сборочную линию водоросли для создания токсинов, которые имеют уникальные и сложные химические структуры. Это улучшенное понимание того, как производятся эти токсины, может оказаться полезным для ученых, пытающихся синтезировать новые соединения для медицинских или промышленных применений.
Золотая водоросль (Prymnesium parvum) убивает рыбу — озеро Грэнбери, март 2007 г. Кредит: Texas Parks and Wildlife Department/TPWD
«Понимание того, как природа развивала свое химическое волшебство, дает нам, ученым-практикам, возможность применять эти идеи для создания полезных продуктов, будь то новый противораковый препарат или новая ткань», — сказал Мур.
Prymnesium parvum, широко известный как золотистая водоросль, — это водный одноклеточный организм, встречающийся по всему миру как в пресной, так и в соленой воде. Цветение золотистых водорослей связано с гибелью рыб из-за их токсина примнезина, который повреждает жабры рыб и других дышащих водой животных.
В 2022 году цветение золотистых водорослей убило 500-1000 тонн рыбы в реке Одер, граничащей с Польшей и Германией. Микроорганизм может вызвать хаос в системах аквакультуры в местах от Техаса до Скандинавии.
Примнезин принадлежит к группе токсинов, называемых поликетидными полиэфирами, в которую входит бреветоксин B, основной токсин красного прилива, который регулярно поражает Флориду, и сигуатоксин, который загрязняет рифовых рыб по всей южной части Тихого океана и Карибскому морю. Эти токсины являются одними из самых крупных и сложных химических веществ во всей биологии, и исследователи десятилетиями пытались выяснить, как именно микроорганизмы производят такие большие, сложные молекулы.
Начиная с 2019 года Мур, Фэллон и Викрам Шенде, научный сотрудник-постдокторант в лаборатории Мура в Скриппсе и соавтор статьи, начали пытаться выяснить, как золотистые водоросли производят свой токсин примнезин на биохимическом и генетическом уровне.
Авторы исследования начали с секвенирования генома золотой водоросли и поиска генов, участвующих в выработке примнезина. Традиционные методы поиска в геноме не дали результатов, поэтому команда обратилась к альтернативным методам генетического исследования, которые были более подходящими для поиска сверхдлинных генов.
«Мы смогли обнаружить гены, и это Оказалось, что для создания гигантских токсичных молекул эти водоросли используют гигантские гены», — сказал Шенде.
После обнаружения генов PKZILLA-1 и PKZILLA-2 команде нужно было исследовать, что делают гены, чтобы связать их с производством токсина. Фэллон сказал, что команда смогла прочитать кодирующие области генов, как ноты, и перевести их в последовательность аминокислот, которые образовали белок.
Когда исследователи завершили эту сборку белков PKZILLA, они были поражены их размером. Белок PKZILLA-1 имел рекордную массу в 4,7 мегадальтон, в то время как PKZILLA-2 также был чрезвычайно большим — 3,2 мегадальтон. Титин, предыдущий рекордсмен, может быть до 3,7 мегадальтон — примерно в 90 раз больше, чем типичный белок.
Клетка Prymnesium parvum. Автор: Грег Саутхард, Департамент парков и дикой природы Техаса
После того, как дополнительные тесты показали, что золотистые водоросли на самом деле производят эти гигантские белки в жизни, команда попыталась выяснить, участвуют ли белки в создании токсина примнезина. Белки PKZILLA технически являются ферментами, то есть они запускают химические реакции, и команда воспроизвела длинную последовательность из 239 химических реакций, вызванных двумя ферментами, с помощью ручек и блокнотов.
«Конечный результат идеально совпал со структурой примнезина», — сказал Шенде.
По словам Мура, каскад реакций, которые использует золотистая водоросль для производства своего токсина, выявил ранее неизвестные стратегии создания химических веществ в природе. «Мы надеемся, что сможем использовать эти знания о том, как природа создает эти сложные химические вещества, чтобы открыть новые химические возможности в лаборатории для лекарств и материалов будущего», — добавил он.
Обнаружение генов, лежащих в основе токсина примнезина, может позволить проводить более экономически эффективный мониторинг цветения золотистых водорослей. Такой мониторинг может использовать тесты для обнаружения генов PKZILLA в окружающей среде, подобные тестам ПЦР, которые стали привычными во время пандемии COVID-19. Улучшенный мониторинг может повысить готовность и позволить более подробно изучить условия, которые повышают вероятность цветения.
Фэллон сказал, что гены PKZILLA, которые обнаружила команда, являются первыми генами, когда-либо причинно связанными с выработкой любого морского токсина в группе полиэфиров, частью которой является примнезин.
Далее исследователи надеются применить нестандартные методы скрининга, которые они использовали для обнаружения генов PKZILLA, к другим видам, которые вырабатывают полиэфирные токсины.
Если им удастся найти гены, лежащие в основе других полиэфирных токсинов, таких как сигуатоксин, который может поражать до 500 000 человек ежегодно, это откроет такие же возможности генетического мониторинга для ряда других токсичных цветений водорослей со значительными глобальными последствиями.
Дополнительная информация: Тимоти Р. Фэллон и др. Гигантские ферменты поликетидсинтазы в биосинтезе гигантских морских полиэфирных токсинов, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado3290. www.science.org/doi/10.1126/science.ado3290
Информация о журнале: Science
Предоставлено Калифорнийским университетом в Сан-Диего
