PKZILLA-1 es un 25% más grande que la titina, la poseedora del récord anterior
Mientras intentaban desentrañar cómo crean las algas marinas 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 compleja toxina también reveló estrategias previamente desconocidas para ensamblar sustancias químicas, lo que podría desbloquear el 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, 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 nuestro sentido 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).
El estudio muestra que esta proteína gigante y otra proteína de tamaño supergrande pero no récord, 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 al Prymnesium parvum el modelo para producir 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.
Imagen: Comparación estilística del tamaño de PKZILLA-1 y titina humana, no a escala, en la que PKZILLA-1 se muestra aproximadamente un 25 % más grande que la titina. Abreviaturas: megadalton (MDa), proteína transportadora de acilo (ACP), cetosintasa (KS), cetorreductasa (KR), deshidratasa (DH), enoilreductasa (ER), fibronectina (Fn), inmunoglobulina (Ig).
"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 deja al descubierto la elaborada cadena de ensamblaje celular del alga para construir las 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 parvum, comúnmente 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 están asociadas 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 proliferación de algas doradas mató entre 500 y 1.000 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 que 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 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 producen los microorganismos moléculas tan grandes y complejas.
Imagen derecha: Célula de Prymnesium parvum. Crédito: Greg Southard, Departamento de Parques y Vida Silvestre de Texas
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 involucrados 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 estos 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 en 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 proteína PKZILLA-2 también era extremadamente grande: 3,2 megadaltones. La titina, que poseía el récord anterior, puede llegar a pesar hasta 3,7 megadaltones, aproximadamente 90 veces más que una proteína típica.
Luego de que pruebas adicionales demostraron que las algas doradas realmente producen estas proteínas gigantes en vida, el equipo buscó descubrir 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.
Tras la cascada de reacciones que utilizan las algas doradas para fabricar su toxina, se revelaron estrategias previamente desconocidas para producir sustancias químicas en la naturaleza, dijo Moore. "La esperanza es que podamos utilizar este conocimiento sobre cómo produce la naturaleza estos químicos complejos para abrir nuevas posibilidades químicas en el laboratorio para las medicinas y los materiales del mañana", añadió.
Encontrar los genes detrás de la toxina primnesina podría permitir un monitoreo más rentable de las floraciones de algas doradas. Este seguimiento podría utilizar pruebas para detectar los genes PKZILLA en el medio ambiente, similares a las pruebas de PCR que se hicieron habituales durante la pandemia de COVID-19. Una mejor vigilancia 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 estándar que utilizaron para encontrar los genes PKZILLA a otras especies que producen toxinas de poliéter.
Si pueden encontrar los genes detrás de otras toxinas de poliéter, como la ciguatoxina, que puede afectar hasta 500.000 personas al año [PDF], se abrirían las mismas posibilidades de monitoreo genético para un conjunto de otras floraciones de algas tóxicas con significativos impactos globales.
El estudio se ha publicado en Science: Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins
