Гигантские ферменты и невидимые убийцы: как микроскопические водоросли творят большие беды

Невидимые монстры океана

Представьте крошечный организм, невидимый глазу, но способный убить обитателей целой реки. Это не сюжет фантастического фильма — это реальность. В 2022 году золотистая водоросль Prymnesium parvum превратила реку Одер в кладбище для рыб, уничтожив половину её популяции. Виной всему стали её токсины — сложные молекулы, которые создаются с помощью гигантских ферментов, настоящих «фабрик яда» на молекулярном уровне.

PKZILLA: молекулярные Годзиллы

Prymnesium parvum — вредные гаптофитные водоросли, вызывающие массовую гибель рыбы в окружающей среде. Их поликетидные полиэфирные токсины, примнезины, являются одними из крупнейших неполимерных соединений в природе и имеют биосинтетическое происхождение, которое оставалось загадочным более 40 лет. Учёные определили “PKZILLAs” — массивные гены P. parvum поликетидсинтазы (PKS), которые ранее не были обнаружены. PKZILLA-1 и -2 кодируют гигантские белковые продукты массой 4,7 и 3,2 мегадальтона, которые содержат 140 и 99 ферментных доменов. Эти белки настолько огромны, что превосходят по размерам даже титин — самый большой белок в человеческом организме.

Эти молекулярные монстры собирают токсины, словно конструктор, соединяя простые «кирпичики» в смертоносные соединения — примнезины, которые разрушают клетки крови рыб и других организмов.

Как работает фабрика яда?

Поликетидные синтазы — это природные химики. Они берут маленькие молекулы-предшественники и шаг за шагом собирают из них сложные токсины, как конструктор, создавая различные структуры. Добавляет новые звенья, как в конструкторе LEGO. Этот процесс настолько точен, что учёные до сих пор не могут воспроизвести его в лаборатории без помощи самих водорослей.

Рис. 1. Примнезин, его источник PKZILLA PKS и другие крупные белки и системы PKS.

(A) Карта исторических или текущих крупных цветений P. parvum или Prymnesium, приводящих к гибели рыбы: Англия, Нидерланды, Израиль, Техас, Скандинавия и река Одер. (B) Молекулярная структура примнезина-1. (C) Молекулярная структура примнезина-B1. (D) Сравнение размеров полипептидов и кодирующих их нуклеотидов в репрезентативных системах PKS или в системах PKS, рассчитанных с помощью вычислений. Синим цветом обозначены PKZILLAs из P. parvum 12B1 (эта работа); [S] указывает вычислительно суммированную длину независимых PKS-белков, участвующих в одной и той же биосинтетической системе; черными пунктирными линиями обозначено разделение PKS-систем на независимые белки; красным и * обозначен самый крупный известный белок (не PKS); золотым обозначены репрезентативные бактериальные PKS-системы, включая хинолидомицин (** указывает предыдущий самый большой известный PKS система) и эритромицин PKS; а зеленым цветом и *** обозначены предыдущие крупнейшие генетически изученные PKS микроводорослей. AA, аминокислота.

Почему это важно?

Очень важно понимать, какие существуют опасные факторы в различных экосистемах. Так, это может помочь при моделировании, например, состояний озера, так как такие токсичные водоросли могут внести большой вклад в жизнь его обитателей. Также стоит отметить, что при увеличивающейся антропогенной (в том числе рекреационной нагрузке) многие биотопы становятся более уязвимыми, и, говоря о водорослях, неправильное ведение промышленной деятельности может привести к повышенному цветению озера (где так же могут быть токсичные водоросли)

Но есть и хорошие новости: понимание работы PKZILLA может помочь нам:

Так как данные ферменты могут производить очень сложные молекулы с высокой точностью, то понимание механизмов биосинтеза токсинов может помочь с разработкой методов борьбы с их производителями. А также, например, оно может помочь учёным разработать новые методы лечения отравлений токсинами.

Пока же P. parvum напоминает нам, что самые часто стоит обращать внимание даже на самые маленькие детали, чтобы предотвратить какие-либо негативные последствия.

Источник: DOI: 10.1126/science.ado3290