迄今发现的最大蛋白质可生成藻类毒素

在探索海洋藻类如何产生其化学结构复杂的毒素时，加州大学圣地亚哥分校斯克利普斯海洋学研究所的科学家发现了生物学中迄今为止已知的最大蛋白质。揭示藻类进化出的制造其复杂毒素的生物机制的同时，也揭示了之前未知的化学物质组装策略，这些策略可能解锁新药和新材料的开发。

研究人员在研究一种名为Prymnesium parvum的藻类如何制造其毒素时发现了这种蛋白质，该毒素导致大量鱼类死亡。

“这是蛋白质中的珠穆朗玛峰，”斯克利普斯海洋学研究所和斯卡格斯药学院及制药科学系的联合海洋化学家、新研究论文的资深作者布拉德利·摩尔说。“这扩大了我们对生物学能力的认识。”

PKZILLA-1比之前的记录保持者——人体肌肉中的肌联蛋白大25%，其长度可达1微米（0.0001厘米或0.00004英寸）。

这项最近发表在《科学》杂志上的研究由国家卫生研究院和国家科学基金会资助，研究表明，这种巨型蛋白质以及另一种超大但并非破纪录的蛋白质——PKZILLA-2——是制造藻类毒素——大型复杂分子普瑞霉素的关键。除了识别普瑞霉素背后的巨型蛋白质外，该研究还发现了异常大的基因，这些基因为Prymnesium parvum提供了制造这些蛋白质的蓝图。

发现支撑普瑞霉素毒素生产的基因可以通过促进检测这些基因而不是毒素本身的水质测试，来改善对这种有害藻类爆发的监测工作。

“监测基因而不是毒素可以让我们在藻类爆发开始前就捕捉到它们，而不仅仅是在毒素扩散后才能识别它们，”斯克利普斯学院摩尔实验室的博士后研究员、论文的共同第一作者蒂莫西·法伦说。

发现PKZILLA-1和PKZILLA-2蛋白质也揭示了藻类制造这些具有独特且复杂化学结构的毒素的复杂细胞生产线。对这种毒素制造方式的深入了解可能对科学家尝试合成用于医疗或工业应用的新化合物非常有用。

“了解自然如何进化出其化学魔法，使我们作为科学从业者能够将这些见解应用于创造有用的产品，无论是新的抗癌药物还是新的织物，”摩尔说。

Prymnesium parvum，俗称金藻，是一种在水生环境中发现的单细胞生物，广泛分布于世界各地的淡水和咸水水域。金藻的爆发与鱼类死亡有关，因为其毒素普瑞霉素会损害鱼类和其他水生呼吸动物的鳃。2022年，金藻爆发导致波兰和德国交界的奥得河500-1000吨鱼类死亡。这种微生物可以对从德克萨斯州到斯堪的纳维亚地区的水产养殖系统造成破坏。

普瑞霉素属于一类名为聚酮多醚的毒素，其中包括短裸甲藻毒素B，这是一种主要影响佛罗里达州的赤潮毒素，以及西加毒素，后者会污染南太平洋和加勒比海的珊瑚礁鱼类。这些毒素是生物学中最大且最复杂的化学物质之一，研究人员数十年来一直在努力弄清微生物是如何产生这些巨大且复杂的分子的。

从2019年开始，摩尔、法伦和斯克利普斯学院摩尔实验室的博士后研究员兼论文共同第一作者维克拉姆·森德开始尝试从生化和遗传层面弄清楚金藻如何制造其毒素普瑞霉素。

研究人员首先对金藻的基因组进行测序，并寻找参与产生普瑞霉素的基因。传统的基因组搜索方法没有产生结果，因此研究团队转向了更擅长寻找超长基因的替代遗传侦探方法。

“我们能够找到这些基因，事实证明，为了制造巨大的有毒分子，这种藻类使用了巨大的基因，”森德说。”