加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋研究所的科學(xué)家們?cè)谠噲D解開海藻如何產(chǎn)生化學(xué)復(fù)雜毒素的過程中，發(fā)現(xiàn)了迄今為止在生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的最大蛋白質(zhì)。這揭示了藻類進(jìn)化出的制造復(fù)雜毒素的生物機(jī)制，也揭示了以前未知的化學(xué)物質(zhì)組裝策略，可能開啟新藥物和新材料的開發(fā)。
研究人員在研究一種名為Prymnesium parvum的藻類如何產(chǎn)生毒素時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)，他們將其命名為PKZILLA-1，這種毒素是導(dǎo)致大量魚類死亡的原因。
“這是蛋白質(zhì)界的珠穆朗瑪峰，這擴(kuò)大了我們對(duì)生物學(xué)能力的認(rèn)識(shí)。”文章通訊作者Bradley Moore說。
PKZILLA-1比之前的記錄保持者titin大25%，titin存在于人體肌肉中，長度可達(dá)1微米(0.0001厘米或0.00004英寸)。
這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的《科學(xué)》雜志上，研究表明，這種巨大的蛋白質(zhì)和另一種超大尺寸但沒有破紀(jì)錄的蛋白質(zhì)PKZILLA-2是產(chǎn)生prymnesin的關(guān)鍵——prymnesin是一種大而復(fù)雜的分子，是藻類的毒素。除了確定prymnesin背后的大量蛋白質(zhì)外，該研究還發(fā)現(xiàn)了異常大的基因，這些基因?yàn)樾rymnesium提供了制造蛋白質(zhì)的藍(lán)圖。
通過促進(jìn)尋找基因而不是毒素本身的水測(cè)試，發(fā)現(xiàn)prymnesin毒素產(chǎn)生的基因可以改善對(duì)該物種有害藻華的監(jiān)測(cè)工作。
“監(jiān)測(cè)基因而不是毒素可以讓我們?cè)谒鼈冮_始之前就發(fā)現(xiàn)它們，而不是只有在毒素循環(huán)時(shí)才能識(shí)別它們，”Timothy Fallon說。
發(fā)現(xiàn)PKZILLA-1和PKZILLA-2蛋白也揭示了藻類制造毒素的精細(xì)細(xì)胞裝配線，毒素具有獨(dú)特而復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。對(duì)這些毒素如何產(chǎn)生的進(jìn)一步了解可能會(huì)對(duì)科學(xué)家合成用于醫(yī)療或工業(yè)用途的新化合物有用。
Moore說:“了解大自然是如何進(jìn)化出它的化學(xué)魔法的，使我們作為科學(xué)實(shí)踐者有能力將這些見解應(yīng)用到創(chuàng)造有用的產(chǎn)品上，無論是一種新的抗癌藥物還是一種新的織物。”
金藻，俗稱金藻，是一種水生單細(xì)胞生物，在世界各地的淡水和咸水中都有發(fā)現(xiàn)。金藻的大量繁殖與魚類死亡有關(guān)，因?yàn)樗亩舅豴rymnesin會(huì)損害魚類和其他水呼吸動(dòng)物的鰓。2022年，與波蘭和德國接壤的奧得河爆發(fā)了一場(chǎng)金色藻類爆發(fā)，導(dǎo)致500- 1000噸魚死亡。這種微生物會(huì)對(duì)從德克薩斯州到斯堪的納維亞半島的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。
Prymnesin屬于一種叫做聚酮聚醚的毒素，其中包括brevetoxin B(一種經(jīng)常影響佛羅里達(dá)州的主要紅潮毒素)和雪卡毒素(一種污染南太平洋和加勒比海珊瑚礁魚類的毒素)。這些毒素是所有生物學(xué)中最大、最復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)之一，研究人員幾十年來一直在努力弄清楚微生物是如何產(chǎn)生如此龐大、復(fù)雜的分子的。
從2019年開始，Moore、Fallon和這篇論文的第一作者之一、斯克里普斯摩爾實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Vikram Shende開始試圖弄清楚金藻是如何在生化和遺傳水平上制造毒素prymnesin的。
該研究的作者首先對(duì)金藻的基因組進(jìn)行測(cè)序，尋找與產(chǎn)生賴氨酸有關(guān)的基因。傳統(tǒng)的基因組搜索方法沒有結(jié)果，因此研究小組轉(zhuǎn)向了更擅長尋找超長基因的基因探測(cè)替代方法。
Shende說:“我們能夠找到這些基因，結(jié)果證明，這種藻類利用巨大的基因來制造巨大的有毒分子。”
定位了PKZILLA-1和PKZILLA-2基因后，研究小組需要研究這些基因與毒素產(chǎn)生的聯(lián)系。Fallon說，研究小組能夠像讀取樂譜一樣讀取基因的編碼區(qū)域，并將其翻譯成形成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。
當(dāng)研究人員完成PKZILLA蛋白的組裝時(shí)，他們對(duì)它們的大小感到驚訝。PKZILLA-1蛋白的質(zhì)量達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的4.7兆道爾頓，而PKZILLA-2也非常大，達(dá)到了3.2兆道爾頓。之前的紀(jì)錄保持者Titin的重量可以達(dá)到3.7兆道爾頓，大約是普通蛋白質(zhì)的90倍。
在進(jìn)一步的測(cè)試表明金藻實(shí)際上在生命中產(chǎn)生這些巨大的蛋白質(zhì)后，研究小組試圖找出這些蛋白質(zhì)是否參與了毒素prymnesin的產(chǎn)生。從技術(shù)上講，PKZILLA蛋白是酶，這意味著它們會(huì)啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，研究小組用筆和筆記本記錄了這兩種酶所涉及的239個(gè)化學(xué)反應(yīng)的漫長序列。
“最終的結(jié)果與prymnesin的結(jié)構(gòu)完美匹配，”Shende說。
Moore說，根據(jù)金藻制造毒素的一連串反應(yīng)，揭示了自然界中以前未知的制造化學(xué)物質(zhì)的策略。他補(bǔ)充說:“希望我們可以利用大自然如何制造這些復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中為未來的藥物和材料開辟新的化學(xué)可能性。”
找到prymnesin毒素背后的基因可以更經(jīng)濟(jì)有效地監(jiān)測(cè)金藻繁殖。這種監(jiān)測(cè)可以使用測(cè)試來檢測(cè)環(huán)境中的PKZILLA基因，類似于在COVID-19大流行期間熟悉的PCR測(cè)試。改善監(jiān)測(cè)可以加強(qiáng)準(zhǔn)備，并允許更詳細(xì)地研究使水華更有可能發(fā)生的條件。
Fallon說，研究小組發(fā)現(xiàn)的PKZILLA基因是第一個(gè)與聚醚類海洋毒素產(chǎn)生有因果關(guān)系的基因，聚醚類是prymnesin的一部分。
接下來，研究人員希望將他們用來尋找PKZILLA基因的非標(biāo)準(zhǔn)篩選技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)生聚醚毒素的其他物種。如果他們能找到其他聚醚毒素背后的基因，比如每年可能影響多達(dá)50萬人的雪卡毒素，這將為一系列其他具有重大全球影響的有毒藻華提供同樣的基因監(jiān)測(cè)可能性。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-8/20240809025115794.htm） | 
