Генетики раскрыли секрет токсичности "зомби-водорослей"

Молекулярные биологи открыли гены и сигнальные молекулы, заставляющие водоросли выделять токсичную "кислоту зомби" во время цветения воды в океане. Их изучение поможет защитить морских животных и птиц от действия этого яда, заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале Science.

"Открытие генов, отвечающих за производство домоевой кислоты, поможет нам понять, при каких обстоятельствах водоросли начинают производить это "оружие массового поражения". Это позволит нам предсказывать, где и когда будут появляться следующие токсичные пятна водорослей", — заявил Патрик Брансон (Patrick Brunson) из Института океанографии Скриппса в Сан-Диего (США).

Цветение воды вызывают бурые или сине-зеленые водоросли, обитающие как в пресных озерах и водохранилищах, так и в морской воде. При взрывном росте количества цианобактерий и бурых водорослей в воде возникают обширные пятна, которые могут представлять угрозу для здоровья людей и животных из-за токсинов, которые водоросли выделяют в воду, расчищая себе "жизненное пространство".

Весной и зимой 2015 года, а также в последующие годы, западные берега США поразила своеобразная "эпидемия зомби" – вспышка роста водорослей вида Pseudo-nitzschia australis, чьи клетки во время цветения вырабатывают большие количества нейротоксина DA, так называемой "кислоты зомби". Молекулы этого вещества легко накапливаются в тканях тела рыб и моллюсков, и их поедание млекопитающими, птицами или людьми вызывает галлюцинации, спазмы и смерть.

Брансон и его коллеги сделали первый шаг к борьбе с подобными океаническими "зомби-апокалипсисами", открыв гены, связанные с производством этой кислоты, и раскрыв некоторые условия, при которых они включаются и отключаются.

Как отмечают ученые, эту задачу не удавалось решить в прошлом из-за того, что геном водорослей очень сложен по своему устройству, и раньше генетики не знали ни одного аналога домоевой кислоты, который бы производили микробы или многоклеточные вещества.

Авторы статьи смогли решить эту проблему, обратив внимание на то, что скорость производства "зомби-кислоты" может сильно меняться в зависимости от того, как много углекислоты и соединений фосфора содержит вода океанов.

Это натолкнуло их на мысль, что гены, связанные с производством DA-токсина, можно найти, наблюдая за тем, как меняется активность различных участков ДНК Pseudo-nitzschia australis при сдвигах в концентрации этих двух нутриентов.

Как показали эти наблюдения, появление новых порций или исчезновение одной из этих молекул из воды приводило к сдвигам в работе примерно пяти сотен генов. Когда ученые сопоставили их списки, им удалось сузить "список подозреваемых" до 43 участков ДНК. Это позволило найти "зомби-гены", отключая один или несколько генов из этого перечня.

Дальнейшие опыты показали, что за производство домоевой кислоты отвечает всего четыре гена, расположенных на одном и том же участке ДНК водорослей. Их работа не зависит от других частей генома Pseudo-nitzschia australis – когда ученые пересадили эти гены в ДНК кишечной палочки и дрожжей, им удалось заставить производить их большие количества "кислоты зомби".

Изучив их структуру и работу, биологи выяснили, из каких "заготовок" собираются молекулы этого токсина, и попытались найти их аналоги в геномах других водорослей и микробов. Как оказалось, эти гены были уникальными для Pseudo-nitzschia australis и ее ближайших родичей, что позволяет использовать их для предсказаний и наблюдений за формированием новых пятен в морях и океанах Земли.