La più grande proteina scoperta finora costruisce le tossine per le alghe

Roma – Scoperta la più grande proteina mai identificata in biologia. A farlo sono stati gli scienziati dello Scripps Institution of Oceanography della UC San Diego, nel tentativo di capire come le alghe marine creano le loro tossine chimicamente complesse. La scoperta, riportata su Science, potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di nuovi farmaci e materiali. I ricercatori hanno trovato la proteina, che hanno chiamato PKZILLA-1, studiando il modo in cui un tipo di alga, chiamata Prymnesium parvum, produce la sua tossina, responsabile di massicce morie di pesci. “È il Monte Everest delle proteine”, ha dichiarato Bradley Moore, chimico marino con incarichi congiunti presso la Scripps Oceanography e la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences e autore senior di un nuovo studio che illustra i risultati. “Questo amplia la nostra idea di ciò che la biologia è in grado di fare”, ha continuato Moore. PKZILLA-1 è il 25% più grande della titina, il precedente detentore del record, che si trova nei muscoli umani e può raggiungere 1 micron di lunghezza, con 0,0001 centimetri o 0,00004 pollici. Finanziato dal National Institutes of Health e dalla National Science Foundation, lo studio dimostra che questa proteina gigante e un’altra proteina superdimensionata ma non da record, la PKZILLA-2, sono fondamentali per la produzione della primnesina, la grande e complessa molecola che costituisce la tossina dell’alga. Oltre a identificare le massicce proteine alla base della primnesina, lo studio ha anche scoperto geni insolitamente grandi che forniscono a Prymnesium parvum il progetto per la produzione delle proteine. L’individuazione dei geni alla base della produzione della tossina prymnesina potrebbe migliorare le attività di monitoraggio delle fioriture algali dannose di questa specie, facilitando l’esecuzione di analisi dell’acqua alla ricerca dei geni piuttosto che delle tossine stesse. “Il monitoraggio dei geni anziché della tossina potrebbe consentirci di individuare le fioriture prima che inizino, anziché essere in grado di identificarle solo quando le tossine sono in circolazione”, ha affermato Timothy Fallon, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Moore allo Scripps e primo autore del lavoro. La scoperta delle proteine PKZILLA-1 e PKZILLA-2 mette anche a nudo l’elaborata catena di montaggio cellulare dell’alga per la costruzione delle tossine, che hanno strutture chimiche uniche e complesse. La migliore comprensione di come vengono prodotte queste tossine potrebbe rivelarsi utile per gli scienziati che cercano di sintetizzare nuovi composti per applicazioni mediche o industriali. “Capire come la natura ha evoluto la sua magia chimica ci dà la possibilità, come operatori scientifici, di applicare queste intuizioni alla creazione di prodotti utili, che si tratti di un nuovo farmaco antitumorale o di un nuovo tessuto”, ha sottolineato Moore. Il Prymnesium parvum, comunemente noto come alga dorata, è un organismo acquatico unicellulare presente in tutto il mondo, sia in acqua dolce che salata. Le fioriture di alghe dorate sono associate a morie di pesci a causa della sua tossina prymnesina, che danneggia le branchie dei pesci e di altri animali che respirano l’acqua. Nel 2022, una fioritura di alghe dorate ha ucciso circa 500-1.000 tonnellate di pesce nel fiume Oder, confinante con Polonia e Germania. Il microrganismo può causare danni ai sistemi di acquacoltura in luoghi che vanno dal Texas alla Scandinavia. La primnesina appartiene a un gruppo di tossine chiamate polieteri polichetici che comprende la brevetossina B, una delle principali tossine della marea rossa che colpisce regolarmente la Florida, e la ciguatossina, che contamina i pesci di barriera nel Pacifico meridionale e nei Caraibi. Queste tossine sono tra le sostanze chimiche più grandi e complesse di tutta la biologia e i ricercatori hanno lottato per decenni per capire esattamente come i microrganismi producano molecole così grandi e complesse. A partire dal 2019, Moore, Fallon e Vikram Shende, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Moore allo Scripps e primo autore dell’articolo, hanno iniziato a cercare di capire come le alghe dorate producono la loro tossina primnesina a livello biochimico e genetico. Gli autori dello studio hanno iniziato a sequenziare il genoma dell’alga dorata e a cercare i geni coinvolti nella produzione della primnesina. I metodi tradizionali di ricerca del genoma non hanno dato risultati, così il gruppo di ricerca ha optato per metodi alternativi di ricerca genetica, più adatti a trovare geni molto lunghi. “Siamo riusciti a localizzare i geni ed è emerso che per produrre molecole tossiche giganti quest’alga utilizza geni giganti”, ha detto Shende. Una volta individuati i geni PKZILLA-1 e PKZILLA-2, la squadra di scienziati ha dovuto indagare su cosa producessero i geni per collegarli alla produzione della tossina. Fallon ha sostenuto che il gruppo di ricercatori è stato in grado di leggere le regioni di codifica dei geni come uno spartito e di tradurle nella sequenza di aminoacidi che formavano la proteina. Quando i ricercatori hanno completato l’assemblaggio delle proteine PKZILLA, sono rimasti stupiti dalle loro dimensioni. La proteina PKZILLA-1 ha raggiunto una massa record di 4,7 megadaltoni, mentre la PKZILLA-2 era anch’essa estremamente grande, con 3,2 megadaltoni. La titina, il precedente detentore del record, può raggiungere i 3,7 megadaltons, circa 90 volte più grande di una proteina tipica. Dopo che ulteriori test hanno dimostrato che le alghe dorate producono effettivamente queste proteine giganti in vita, il gruppo di scienziati ha cercato di scoprire se le proteine fossero coinvolte nella produzione della tossina prymnesina. Le proteine PKZILLA sono tecnicamente degli enzimi, cioè, innescano delle reazioni chimiche, e i ricercatori hanno riprodotto la lunga sequenza di 239 reazioni chimiche che i due enzimi comportano con penne e blocchi per appunti. “Il risultato finale corrispondeva perfettamente alla struttura della primnesina”, ha commentato Shende. “Seguire la cascata di reazioni che l’alga dorata utilizza per produrre la sua tossina ha rivelato strategie precedentemente sconosciute per la produzione di sostanze chimiche in natura”, ha precisato Moore. “La speranza è di poter utilizzare la conoscenza di come la natura produce queste sostanze chimiche complesse per aprire nuove possibilità chimiche in laboratorio per i farmaci e i materiali di domani”, ha aggiunto Moore. L’individuazione dei geni alla base della tossina prymnesina potrebbe consentire un monitoraggio più economico delle fioriture di alghe dorate. Ciò potrebbe utilizzare test per rilevare i geni PKZILLA nell’ambiente, simili ai test PCR che sono diventati familiari durante la pandemia COVID-19. Un monitoraggio migliore potrebbe aumentare la preparazione e consentire uno studio più dettagliato delle condizioni che rendono più probabile il verificarsi delle fioriture. I ricercatori sperano poi di applicare le tecniche di screening non standard utilizzate per trovare i geni PKZILLA in altre specie che producono tossine polietere. Se riuscissero a trovare i geni alla base di altre tossine polietere, come la ciguatossina, che può colpire fino a 500.000 persone all’anno, si aprirebbero le stesse possibilità di monitoraggio genetico per una serie di altre fioriture algali tossiche con un impatto globale significativo.(30Science.com)