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Doctoral Thesis
Full name
Stella de Lima Camargo
Knowledge Area
Date of Defense
Piracicaba, 2020
Fiore, Marli de Fatima (President)
Long, Paul Frederick
Moore, Bradley Scott
Trivella, Daniela Barretto Barbosa
Title in English
Revealing the biosynthesis of guanitoxin, a naturally occurring neurotoxic organophosphate
Keywords in English
Enzyme activity
Public health
Abstract in English
Sphaerospermopsis torques-reginae is a planktonic freshwater cyanobacteria species with broad distribution in several Brazilian aquatic environments. Some strains of this species are known to produce the neurotoxic organophosphate guanitoxin (GNT) as well as spumigin and anabaenopeptin, both protease inhibitors. GNT is a powerful irreversible inhibitor of the acetylcholinesterase enzyme which acts in the peripheral nervous cells of mammals. While GNT has been known for decades, the genes encoding its biosynthetic pathway are unknown. The sequencing and assembly of the S. torques-reginae ITEP-024 5.2 Mbp genome allowed us to identify a 12.5 kbp gene cluster potentially involved in GNT production. To rigorously validate our genomic finding, we over-expressed, purified and characterized many of the GNT biosynthetic enzymes in vitro, confirming our proposed biosynthetic cluster. Also, a vector was designed that assembled two of the biosynthetic genes with the goal to produce the intermediate enduracididine, a rare amino acid. The combination of in vivo and in vitro experiments successfully validated our proposed gene cluster. Using our results, we showed that this biosynthetic gene cluster was actively expressed in one of the largest cyanobacterial blooms hotspots, Lake Erie, Toledo, USA. This suggest that the potent neurotoxin guanitoxin could be in drinking water supplies around the world. Worryingly, guanitoxin is often overlooked and rarely tested for in reservoirs in spite of the danger it poses. This study contributed to the characterization of the GNT biosynthetic pathway, which may generate a patent enabling the development of rapid and sensitive methods for the detection and monitoring of this toxin in freshwaters used for public supply. Moreover, this work may offer potential for the development of new neurological medicines and tools
Title in Portuguese
Revelando a biossíntese da guanitoxina, um organofosfato neurotóxico de ocorrência natural
Keywords in Portuguese
Atividade enzimática
Saúde pública
Abstract in Portuguese
Sphaerospermopsis torques-reginae é uma espécie planctônica de cianobactéria de água doce com ampla distribuição em ambientes aquáticos brasileiros. Sabe-se que algumas linhagens desta espécie produzem o organofosforado neurotóxico guanitoxina (GNT), bem como espumigina e a anabaenopeptina, ambos inibidores da protease. GNT é um potente inibidor irreversível da enzima acetilcolinesterase, atuando em células nervosas periféricas de mamíferos. Embora GNT seja conhecido há décadas, os genes que codificam sua via biossintética são desconhecidos. O sequenciamento e montagem do genoma da cianobactéria S. torques-reginae ITEP-024 de tamanho 5,2 Mbp, nos permitiu identificar um agrupamento gênico de 12,5 kbp potencialmente envolvido na produção de GNT. Para validar nosso achado genômico a maioria das enzimas biossintéticas foram superexpressadas, purificadas e caracterizadas in vitro, confirmando o agrupamento gênico proposto. Além disso, um vetor foi desenvolvido com os dois primeiros genes biossintéticos com o objetivo de produzir o intermediário enduracididina, um raro aminoácido. A combinação de experimentos in vivo e in vitro validou com sucesso nosso agrupamento gênico. Usando nossos resultados, mostramos que esse agrupamento gênico foi expresso ativamente em um dos maiores locais do mundo de florações de cianobactérias, o Lago Erie, Toledo, EUA. Isso sugere que essa potente neurotoxina, guanitoxina, pode estar em reservatórios de água potável em todo o mundo, usados para abastecimento público. O preocupante é que a guanitoxina é frequentemente negligenciada e raramente testada em reservatórios, apesar do perigo que representa. Este estudo contribuiu para a caracterização da via biossintética da GNT, podendo gerar uma patente que permita o desenvolvimento de métodos rápidos e sensíveis para a detecção e monitoramento dessa toxina em águas doces utilizadas para abastecimento público. Além disso, este trabalho pode oferecer potencial para o desenvolvimento de novos medicamentos neurológicos
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