Une équipe internationale de scientifiques a identifié les gènes et la voie de biosynthèse qui permettent à certains types de cyanobactéries présentes dans les environnements d'eau douce de produire une puissante neurotoxine appelée guanitoxine.

Les proliférations d'algues nuisibles, impliquant souvent des cyanobactéries productrices de toxines (anciennement appelées algues bleu-vert), affectent les lacs, les rivières et d'autres plans d'eau douce dans le monde avec une fréquence croissante. Les programmes de surveillance environnementale peuvent détecter la plupart des toxines cyanobactériennes, mais la chimie inhabituelle de la guanitoxine la rend incompatible avec les méthodes de détection standard.

Comprendre la base génétique de la biosynthèse de la guanitoxine signifie que les technologies de diagnostic moléculaire peuvent désormais être utilisées pour la surveillance de l'environnement afin de détecter la présence de cyanobactéries productrices de guanitoxine.

Les nouveaux résultats, publiés le 18 mai dans le Journal of the American Chemical Society , incluent des preuves que la guanitoxine est probablement présente dans de nombreux lacs et réservoirs en Amérique du Nord et du Sud. La guanitoxine a le même mécanisme d'action que l'agent neurotoxique sarin et le parathion, un pesticide interdit, provoquant une toxicité neurologique aiguë pouvant entraîner une mort rapide. L'exposition à ce produit a été associée à la mort d'animaux sauvages et domestiques.

"Maintenant que nous avons trouvé les gènes et que nous les avons liés biochimiquement à la production de guanitoxine, nous espérons pouvoir utiliser des technologies de détection basées sur la PCR pour prédire la toxicité future et surveiller l'environnement de cette toxine", a déclaré Shaun McKinnie, professeur adjoint de chimie. et biochimie à UC Santa Cruz et l'un des trois auteurs correspondants de l'article.

Les autres auteurs correspondants sont Marli Fiore de l'Université de São Paolo, au Brésil, et Bradley Moore de la Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego. Le laboratoire de Fiore a isolé il y a près de 20 ans une souche de cyanobactérie productrice de guanitoxine dans le réservoir de Tapacurá, dans l'est du Brésil. Après avoir séquencé le génome de la souche, les chercheurs brésiliens, dirigés par Stella Lima, alors étudiante diplômée du laboratoire de Fiore, ont découvert un groupe de gènes qu'ils soupçonnaient d'être impliqués dans la production de guanitoxine.

Lima, qui est le premier auteur du nouvel article, s'est rendu à l'UC San Diego en 2018 pour travailler avec Moore, qui avait réalisé les premières études biochimiques de la guanitoxine dans les années 1990. McKinnie s'est impliqué dans le projet en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Moore. Lorsqu'il a déménagé à l'UC Santa Cruz en 2019, son laboratoire a continué à travailler sur la voie de biosynthèse de la guanitoxine en collaboration avec les deux autres laboratoires. L'étudiante diplômée Jennifer Cordoza a dirigé l'effort à l'UC Santa Cruz.

"L'ensemble du laboratoire a contribué à cette histoire, mais Jenny a vraiment couru avec et validé elle-même plus de la moitié du parcours au cours de la première année de son doctorat", a déclaré McKinnie. "Nous avons maintenant identifié les neuf enzymes impliquées dans la façon dont cet organisme prend l'arginine, un acide aminé, et le convertit en une toxine spécialisée."

Les chercheurs ont confirmé leurs découvertes en reconstituant la voie de biosynthèse de la guanitoxine "in vitro" (dans le tube à essai, sans cyanobactéries).

Ils ont également recherché les gènes de la toxine dans les ensembles de données disponibles de données brutes de séquençage environnemental. La recherche a indiqué que les cyanobactéries productrices de guanitoxines sont présentes dans un large éventail d'endroits, y compris le lac Érié près de Toledo, Ohio; le lac Mendota dans le Wisconsin ; le fleuve Columbia dans l'Oregon; la rivière Delaware dans le Delaware; et plusieurs sites au Brésil.

"Nous avons trouvé ces gènes dans une variété de sources d'eau douce différentes, mais personne n'a recherché ou surveillé cette toxine particulière dans l'environnement", a déclaré McKinnie.

Il a expliqué que la détection directe de la guanitoxine nécessiterait une procédure analytique différente des méthodes standard utilisées dans la surveillance environnementale des toxines. Les technologies de diagnostic moléculaire telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR) offrent une alternative efficace pour identifier les échantillons susceptibles d'être toxiques en raison de la guanitoxine.

"Trouver les gènes dans un échantillon pourrait alors justifier une procédure plus complexe pour détecter directement la guanitoxine", a déclaré McKinnie.

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet provisoire basée sur le concept d'utilisation des séquences de gènes biosynthétiques de guanitoxine qu'ils ont identifiées en laboratoire et d'application de diagnostics moléculaires utilisant ces séquences pour trouver les gènes dans l'environnement. + Explorer plus loin

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