Смертельные «дары моря»: ученые раскрыли секрет водоросли-убийцы
Гены, отвечающие за синтез токсичной домоевой кислоты морскими диатомовыми водороcлями из рода Pseudo-nitzschia, выявили американские ученые в сотрудничестве с европейскими коллегами. Статья с описанием открытия опубликована 28 сентября в научном журнале Science.
Водоросль, служившая объектом исследования, имеет широкий ареал распространения, включая российский Дальний Восток. Ученые отталкивались от известного факта, что токсичность Pseudo-nitzschia возрастает, когда в морской воде падает концентрация фосфатов (солей фосфорной кислоты H3PO4) и увеличивается содержание углекислого газа (CO2). Первичный анализ выявил около 500 генов, которые активируются при нехватке фосфат-ионов (PO43-). С поправкой на избыток CO2 круг «претендентов» сузился до 43 генов.
В конце концов, авторы выявили 4 гена, организованных в кластер, то есть расположенных рядом в геноме. Три из них кодируют ферменты, напрямую участвующие в биосинтезе домоевой кислоты. Белок, соответствующий четвертому гену, идентифицировать пока не удалось.
Отметим, что домоевая кислота является сильнейшим ядом для млекопитающих и в меньшей степени — для птиц. Так, для крыс ее полулетальная доза (LD50) составляет 2,5 мг на 1 кг массы тела, что означает гибель 50% животных, в организмы которых попадет столько токсина. Молекулы домоевой кислоты, будучи аналогом глутамата, связываются с одноименными рецепторами сильнее своего естественного прототипа, что приводит к экстремальному и смертельно опасному перевозбуждению нервной системы.
Кроме того, это соединение активирует каинатные и AMPA-рецепторы в головном мозге, что открывает путь ионам кальция (Ca2+) внутрь нервных клеток. Это вызывает дегенерацию таких мозговых структур, как гиппокамп, и может спровоцировать потерю памяти.
Большие количества водорослей, синтезирующих домоевую кислоту, время от времени скапливаются в тех участках океана, где вода с низким содержанием питательных веществ прогревается до слишком высоких температур. Последнее крупное «цветение» Pseudo-nitzschia пришлось на весну 2015 года и охватило всё западное побережье Северной Америки от Мексики до Аляски. Это привело к массовой гибели морских львов, трупы которых в большом количестве находили на местных пляжах.
От «наплыва» ядовитых водорослей могут страдать не только морские млекопитающие, но и птицы. Сюда можно отнести памятный летний инцидент 1961 года, когда тысячи буревестников в городе Капитола (Северная Калифорния, США) «взбесились» настолько, что таранили оконные стекла и сбивали прохожих с ног. Как показал анализ их останков спустя 50 лет, «птицы-зомби» отравились всё той же домоевой кислотой. Именно события тех дней вдохновили американского кинорежиссера Альфреда Хичкока на создание знаменитого триллера «Птицы».
Птицы и млекопитающие обычно травятся не самими водорослями, а моллюсками и рыбами, которые накапливают домоевую кислоту при фильтрации планктона. Та же опасность грозит людям, употребившим в пищу сомнительные морепродукты. Первыми задокументированными жертвами этого яда стали в 1987 году три человека с острова Принца Эдуарда (Канада). Во избежание подобных трагедий в местах частого «цветения» диатомовых водорослей организован постоянный мониторинг морской воды и морепродуктов.
Несмотря на привнесенную авторами новизну, по-прежнему остается загадкой, для чего этим водорослям мог бы понадобиться столь мощный яд. В самом деле, этим одноклеточным, пассивно плавающим существам он не нужен ни для защиты от поедания, как актиниям или, к примеру, рыбам фугу, ни тем более для нападения на жертву, как паукам, скорпионам или змеям.
Что же до самого открытия американских ученых, то знание о том, как синтезируется домоевая кислота в клетках Pseudo-nitzschia, наверняка поможет усовершенствовать мониторинг этой водоросли в морских водах. Это прорывное исследование открывает путь и для создания неядовитых генно-модифицированных водорослей, у которых будут «отключены» соответствующие гены. В любом случае оно еще послужит борьбе с экологическими бедствиями наподобие того, что разыгралось в 2015 году на североамериканском побережье. В самом деле губительные последствия «цветения» Pseudo-nitzschia наглядно демонстрируют, что понятие «экологической катастрофы» давно пора расширить на некоторые природные явления.
