Un equipo dirigido por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego y el Instituto J. Craig Venter (JCVI) ha descubierto la base genética para la producción de ácido domoico, una potente neurotoxina producida por la proliferación de algas nocivas.

Las proliferaciones de algas nocivas causan importantes daños económicos y ambientales a las comunidades costeras de todo el mundo. Estas floraciones ocasionalmente producen toxinas que pueden enfermar a los mamíferos marinos y pueden amenazar la salud humana cuando las toxinas se acumulan en los mariscos. Una exposición a altas dosis de ácido domoico, producido por un tipo de fitoplancton conocido como diatomeas en el género Pseudo-nitzschia, puede provocar intoxicación amnésica por mariscos, una condición potencialmente fatal caracterizada por convulsiones y pérdida de memoria a corto plazo.

En un nuevo estudio que aparece en la edición del 28 de septiembre de Ciencias , El equipo de científicos de UC San Diego y JCVI identificó un grupo de genes asociados con la producción de la toxina ácido domoico en el fitoplancton marino Pseudo-nitzschia.

Este tipo de microalga es digno de mención porque en el verano de 2015 causó la mayor floración de algas nocivas jamás registrada en la costa oeste de América del Norte. desde Alaska hasta Santa Bárbara, y resultó en el cierre de las temporadas de pesca y pesca de cangrejos para proteger a los consumidores de una posible intoxicación por mariscos.

A pesar de décadas de investigación sobre Pseudo-nitzschia, se desconocía la base molecular de la toxicidad de este fitoplancton. Los científicos encontraron que estos genes recién descubiertos contienen las instrucciones biológicas para producir la toxina y posteriormente se "encienden" cuando Pseudo-nitzschia está produciendo ácido domoico.

"Al identificar los genes que codifican la producción de ácido domoico, ahora podemos hacer preguntas sobre diversas condiciones oceánicas que activan o desactivan los genes, ", dijo el estudiante de doctorado de Scripps Institution of Oceanography y JCVI Patrick Brunson, uno de los dos autores principales del estudio. "Este conocimiento nos permitirá rastrear el desarrollo de la toxicidad de la floración a nivel genético".

Al mostrar cómo los genes para la producción de ácido domoico se activan en cultivo, los autores sugieren una forma de conectar las condiciones oceánicas que impulsan la evolución de la floración de algas con el desarrollo de la producción de toxinas.

"Comprender cómo las floraciones de algas se vuelven tóxicas y qué condiciones las causan es de vital importancia, "dice Hedy Edmonds, un director de programa en la División de Ciencias Oceánicas de la Fundación Nacional de Ciencias, que financió parcialmente la investigación. "Este estudio ofrece una posible herramienta para monitorear la proliferación de algas y predecir la producción de toxina antes de que ocurra".

Las floraciones de algas nocivas son difíciles de predecir, y los organismos que causan la floración típicamente poseen muy complejos, grandes genomas. Los autores del estudio dicen que la mayor implicación será la capacidad de observar una floración a nivel genético. El conocimiento de los genes implicados en la producción de ácido domoico permitirá el seguimiento genético de la proliferación de algas y ayudará a identificar las condiciones que desencadenan la producción de toxinas.

"Debido a que los genomas de las algas son tan complejos, las vías biosintéticas de las toxinas de microalgas marinas han permanecido esquivas durante bastante tiempo, "dijo el autor principal Bradley Moore, químico y genetista en Scripps y en la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs de UC San Diego. "Ahora que tenemos un genoma para Pseudo-nitzschia y una vía genética para la producción de ácido domoico, estamos empezando a comprender por qué estas microalgas producen una toxina y cómo se activa esa capacidad. Este nuevo conocimiento puede, en última instancia, educarnos mejor sobre cómo predecir y prepararnos para futuros eventos tóxicos ".

Este trabajo avanzó la investigación completada en 2011 por David Hutchins de la Universidad del Sur de California, también coautor de este estudio, que encontró que cuando el fosfato es limitado y la cantidad de dióxido de carbono en el océano aumenta, las diatomeas pueden producir una gran cantidad de ácido domoico y volverse dañinas. El hallazgo fue significativo en parte porque los científicos han observado que los océanos han estado absorbiendo cantidades adicionales de dióxido de carbono más allá de los niveles naturales debido al uso social de combustibles fósiles. Esto y el aumento de las temperaturas del océano significan que los eventos de ácido domoico son cada vez más frecuentes, más tóxico, y dura más que en décadas anteriores. Los investigadores de Scripps utilizaron los resultados del estudio de Hutchins para identificar los genes responsables de la producción de esta toxina.

“Nos pareció muy interesante que una combinación de limitación de fosfato y aumento de dióxido de carbono pudiera tener un efecto tan fuerte pero matizado en la producción de ácido domoico en cultivo, "dijo Andrew E. Allen, un ecologista y experto en genómica de diatomeas con doble cargo en Scripps y JCVI que también es un autor principal del estudio. "Pudimos correlacionar directamente la expresión génica con la producción de toxinas, y esta observación nos llevó directamente a los genes que codifican el ácido domoico ".

Los investigadores de JCVI que trabajan en el laboratorio de Allen extrajeron y secuenciaron transcripciones de ARN de las microalgas, un enfoque que mide los genes que están activos. El análisis posterior de las secuencias genéticas codificadas por las transcripciones de ARN identificó los genes que se presume producen las toxinas. Los experimentos de bioquímica in vitro realizados en el laboratorio de Moore en Scripps establecieron una serie de enzimas que crean la estructura central de la toxina.

"Algunas de las enzimas biosintéticas del ácido domoico que forman esta toxina son únicas a nivel genético y bioquímico, "dijo Shaun McKinnie, investigador postdoctoral en Scripps y el Centro de Biotecnología Marina y Biomedicina y coautor principal del estudio. "Ahora que podemos vincular estas transformaciones químicas de diagnóstico con sus enzimas y genes, tenemos la esperanza de que los investigadores puedan comenzar a predecir el potencial de toxicidad del ácido domoico en una floración de algas nocivas para complementar los enfoques de monitoreo actuales ".

Los investigadores que estudian el monitoreo y pronóstico de la proliferación de algas nocivas dicen que este hallazgo ofrece la esperanza de una mayor comprensión del fenómeno y puede ayudar a proyectar mejor la trayectoria de los eventos de ácido domoico en respuesta al cambio climático futuro.

"Este avance marca un claro punto de inflexión en nuestra comprensión de estos eventos, dado que gran parte de la incertidumbre que rodea a las floraciones tóxicas de Pseudo-nitzschia es el resultado de nuestra comprensión incompleta de la síntesis del ácido domoico en sí, "dijo la oceanógrafa biológica e investigadora de la floración de algas nocivas Clarissa Anderson, director del Sistema de Observación del Océano Costero del Sur de California (SCCOOS) en Scripps, que no participó en el estudio. "El santo grial de la predicción de la floración de algas nocivas en la costa oeste y en otros lugares está prediciendo cuándo, dónde, y ultimamente, por qué Pseudo-nitzschia enciende o apaga la producción de ácido domoico. Es posible que nunca podamos prevenir este tipo de floración de algas nocivas, pero podemos monitorear mejor las primeras etapas de la producción de ácido domoico ".

El estudio, "Biosíntesis de la neurotoxina ácido domoico en una diatomea formadora de flores, "fue cinco años en la fabricación.