Récord: descubierta la proteína más grande jamás encontrada
La proteína, aislada en una microalga responsable de la muerte masiva de peces, ha sido bautizada como PKZILLA-1 y es un 25% más grande que la que ostentaba hasta hora el récord, la titina, proteína que se encuentra en los músculos humanos.
Por Alex Fox
Los investigadores descubrieron la superproteína, a la que denominaron PKZILLA-1, mientras estudiaban cómo un tipo de alga llamada Prymnesium parvum fabrica su toxina, responsable de la muerte masiva de peces. Imagen generada con DALL-E
Los científicos del Instituto Oceanográfico Scripps de la Universidad de California en San Diego (EE. UU.) han descubierto la proteína más grande identificada hasta ahora en el mundo de la biología mientras intentaban desentrañar cómo las algas marinas crean sus toxinas. Por cierto, estas destacan por su enorme complejidad química.
El descubrimiento de la maquinaria biológica desarrollada por el alga para fabricar su intrincada toxina también ha revelado estrategias desconocidas hasta ahora para ensamblar sustancias químicas, lo que podría facilitar el desarrollo de nuevos medicamentos y materiales.
Los investigadores descubrieron la proteína, a la que denominaron PKZILLA-1, mientras estudiaban cómo un tipo de alga llamada Prymnesium parvum fabrica su toxina, responsable de la muerte masiva de peces.
El monte Everest de las proteínas
“Se trata del Everest de las proteínas —afirma Bradley Moore, químico marino de la Oceanografía Scripps y la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs, y autor principal de un nuevo estudio en el que se detallan los hallazgos. Y añade—: Esto amplía nuestro sentido de lo que la biología es capaz de hacer".
PKZILLA-1 es un 25% más grande que la titina, la anterior poseedora del récord, que se encuentra en los músculos humanos y puede alcanzar 1 micra de longitud (0,0001 centímetros).
El estudio, publicado en Science y financiado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias estadounidenses, muestra que esta proteína gigante y otra proteína de gran tamaño, pero no de récord, la PKZILLA-2, son clave para producir primnesina, la molécula grande y supercompleja que se erige como la toxina letal del alga Prymnesium parvum.
Además de identificar las proteínas masivas que hay detrás de la fórmula de la primnesina, el estudio también descubrió genes inusualmente grandes que proporcionan a esta alga con dos flagelos el modelo para producir las proteínas.
Imagen del alga unicelular Prymnesium parvum, cuyo genoma sintetiza la proteína más grande conocida hasta la fecha. Crédito: Greg Southard / Texas Parks and Wildlife Department.
El hallazgo de los genes que gobiernan la producción de la toxina primnesina podría mejorar la vigilancia de las floraciones de algas nocivas de esta especie, al facilitar los análisis del agua en busca de estos genes en lugar de las propias toxinas.
"El seguimiento de los genes en lugar de la toxina podría permitirnos detectar las proliferaciones antes de que se inicien, en lugar de identificarlas cuando las toxinas ya están en circulación —explica Timothy Fallon, investigador postdoctoral del laboratorio de Moore en Scripps y coautor del artículo.
Un alga que abre las puertas a nuevos compuestos para aplicaciones médicas e industriales
El descubrimiento de las proteínas PKZILLA-1 y PKZILLA-2 también deja al descubierto la elaborada línea de ensamblaje celular del alga para construir las toxinas, que tienen estructuras químicas únicas y complejas. Esta mejor comprensión de cómo se producen estas toxinas podría resultar útil para los científicos que intentan sintetizar nuevos compuestos para aplicaciones médicas e industriales.
"Comprender cómo la naturaleza ha evolucionado su magia química nos da a nosotros, como profesionales científicos, la capacidad de aplicar esos conocimientos para crear productos útiles, ya sea un nuevo medicamento contra el cáncer o un nuevo tejido", comenta Moore.
Prymnesium parvum, conocida comúnmente como alga dorada, es un organismo acuático unicelular de la clase Chrysophyceae que se encuentra en todo el mundo, tanto en agua dulce como salada. La proliferación sin control de algas doradas está asociada a la muerte de peces debido a su toxina, la primnesina, que daña las branquias de los peces y otros animales acuáticos.
Cómo las microalgas producen toxinas gigantes es un misterio para la ciencia
En 2022, una floración de algas doradas mató entre 500 y 1.000 toneladas de peces en el río Oder, colindante con Polonia y Alemania. El microorganismo puede causar estragos en los sistemas de acuicultura de lugares que van desde Texas hasta Escandinavia.
La primnesina pertenece a un grupo de toxinas denominadas poliéteres policétidos, que incluye la brevetoxina B, una potente neurotoxina causante de mareas rojas que afectan regularmente a Florida, y la ciguatoxina, que contamina los peces de arrecife de todo el Pacífico Sur y el Caribe.
Estas toxinas se encuentran entre las sustancias químicas más grandes y complejas presentes en la naturaleza, y los investigadores han luchado durante décadas para averiguar exactamente cómo producen las microalgas moléculas tan grandes y complejas.
A la caza de los genes gigantes de la primnesina
A partir de 2019, Moore, Fallon y Vikram Shende, investigador postdoctoral en el laboratorio de Moore en Scripps y coprimer autor del artículo, comenzaron a tratar de averiguar cómo las algas doradas producen su toxina primnesina a nivel bioquímico y genético.
Los autores del estudio empezaron secuenciando el genoma del alga dorada y buscando los genes implicados en la producción de la primnesina. Los métodos tradicionales de rastreo en el ADN no dieron resultados, por lo que el equipo recurrió a métodos alternativos de investigación genética más adecuados para dar caza a genes superlargos.
"Pudimos localizar los genes y resultó que, para producir moléculas tóxicas gigantes, esta alga utiliza genes gigantes", explica Shende.
Con los genes PKZILLA-1 y PKZILLA-2 localizados, el equipo necesitaba investigar qué hacían estas piezas de ADN para vincularlos a la producción de la toxina. Según Fallon, el equipo pudo leer las regiones codificantes de los genes, como si fueran partituras de una canción, para luego traducirlas a la secuencia de aminoácidos que constituyen la proteína.
La titina, la anterior poseedora del récord, puede ser de hasta noventa veces más grande que una proteína típica
Cuando los investigadores completaron este ensamblaje de las proteínas PKZILLA, quedaron asombrados por su tamaño. La proteína PKZILLA-1 registró una masa récord de 4,7 megadaltons, mientras que PKZILLA-2 también fue extremadamente grande, con 3,2 megadaltons. La titina, la anterior poseedora del récord, puede ser de hasta 3,7 megadaltons, unas noventa veces más grande que una proteína típica.
Recordemos que el dalton es una unidad usada en química para expresar la masa de elementos a escala atómica. Un dalton se define como un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12 y equivale a 1.660 5402(10)×10(−27).
Peces muertos por la toxina del alga dorada Prymnesium parvum, en el lago Granbury (Texas), en marzo de 2007. Crédito: Departamento de Parques y Vida Silvestre de Texas / TPWD
Después de que pruebas adicionales demostraran que las algas doradas producen estas proteínas gigantes en la vida real, el equipo trató de averiguar si estas estaban implicadas en la fabricación de la toxina primnesina. Las proteínas PKZILLA son técnicamente enzimas, lo que significa que desencadenan reacciones químicas, y el equipo reprodujo la larga secuencia de 239 reacciones químicas implicadas por las dos enzimas con bolígrafos y blocs de notas.
"El resultado final encajaba perfectamente con la estructura de la primnesina", explica Shende.
Una mejor monitoriazación de las peligrosas floraciones de Prymnesium parvum
En palabras de Moore, el poder seguir la cascada de reacciones que el alga dorada utiliza para fabricar su toxina reveló estrategias desconocidas hasta entonces para fabricar sustancias químicas en la naturaleza. "La esperanza que tenemos es que podamos utilizar este conocimiento de cómo la naturaleza fabrica estas sustancias químicas complejas para abrir nuevas posibilidades químicas en el laboratorio, para el desarrollo de los medicamentos y materiales del mañana", comenta Moore.
El hallazgo de los genes que hay detrás de la primnesina podría permitir un monitoreo más eficiente de las explosiones de algas doradas. Dicho seguimiento podría utilizar pruebas para detectar los genes PKZILLA en el medioambiente, de forma similar a las pruebas de PCR que se familiarizaron durante la pandemia de covid-19.
Una mejor monitorización permitiría prevenir con una mayor precisión las peligrosas floraciones de Prymnesium parvum.
Comparación del tamaño de PKZILLA-1 y de la titina humana (no a escala). PKZILLA-1 se muestra como aproximadamente un 25% más grande que la titina. Crédito: Tim Fallon, Ph.D
Según Fallon, los genes PKZILLA descubiertos por el equipo son los primeros relacionados causalmente con la producción de cualquier toxina marina del grupo de los poliéteres, del que forma parte la primnesina.
A continuación, los investigadores esperan aplicar las técnicas de cribado no estándar que utilizaron para hallar los genes PKZILLA a otras especies productoras de toxinas poliéter. Si consiguen encontrar los genes de otras toxinas, como la ciguatoxina, que puede afectar hasta a 500.000 personas al año, se abrirían las mismas posibilidades de control genético para un conjunto de otras floraciones de algas tóxicas con importantes repercusiones a escala global. ▪️
Información facilitada por la Scripps Institution of Oceanography -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Timothy R. Fallon et al. Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins. Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado3290
