Die einzellige Alge Prymnesium parvum ist weltweit verbreitet und kommt vor allem in Salz- und Brackwasser vor. Unter bestimmten Bedingungen kommt es zu ausgedehnten Algenblüten, die häufig dazu führen, dass massenhaft Fische sterben. Grund dafür ist, dass die einzelligen Algen unter Stress Giftstoffe freisetzen, sogenannte Prymnesin-Verbindungen. Diese dienen wahrscheinlich eigentlich dazu, der Alge die Jagd auf andere Mikroorganismen zu erleichtern und Fressfeinde abzuwehren. In größeren Mengen, wie sie bei einer Algenblüte vorkommen können, wirkt das Gift allerdings auch neurotoxisch auf Fische und richtet mitunter große Schäden in Fischkulturen und in freier Wildbahn an. Im Sommer 2022 verursachte diese Alge ein dramatisches Massensterben von Fischen in der Oder.
Die Algen-Toxine von Prymnesium parvum sind äußerst komplex aufgebaut und bestehen auf molekularer Ebene aus zahlreichen aneinandergeketteten Ringverbindungen. „Der biosynthetische Ursprung dieser Verbindungen ist der Wissenschaft seit mehr als 40 Jahren ein Rätsel“, schreibt ein Team um Timothy Fallon von der University of California in San Diego. Um diesem Rätsel auf die Spur zu kommen, sequenzierten die Forschenden zunächst das gesamte Genom von P. parvum und suchten dann nach den an der Produktion des Giftstoffs beteiligten Genen.
Riesige Enzyme
„Wir konnten die Gene ausfindig machen, und es stellte sich heraus, dass diese Alge riesige Gene verwendet, um riesige toxische Moleküle herzustellen“, berichtet Fallons Kollege Vikram Shende. Aus dem genetischen Codes lasen die Forschenden die Aminosäuresequenz der codierten Proteine ab und rekonstruierten diese. Wie sie herausfanden, handelte es sich dabei um sogenannte Polyketid-Synthasen (PKS), also Enzyme, die Polyketide wie das Algengift herstellen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Größe gaben Fallon und sein Team ihnen die Namen PKZILLA-1 und PKZILLA-2.
Die weitere Analyse der Enzyme enthüllte ihre rekordverdächtige Masse: PKZILLA-1 bringt es auf 4,7 Megadalton – mehr als hundertmal so viel wie ein durchschnittliches Protein. Das größte bisher bekannte natürliche Protein, das Strukturprotein Titin, das unter anderem in menschlichen Muskelzellen vorkommt, wiegt 3,7 Megadalton. PKZILLA-2 wiegt immerhin 3,2 Megadalton. „Das erweitert unsere Vorstellung davon, wozu die Biologie fähig ist“, sagt Fallons Kollege Bradley Moore. PKZILLA-1 enthält 140 Domänen, an denen enzymatische Reaktionen stattfinden, PKZILLA-2 steuert 99 Enzymdomänen bei. Wie das Forschungsteam zeigte, katalysieren die beiden Enzyme damit eine Abfolge von 239 chemischen Reaktionen, die schließlich die komplexen Prymnesin-Verbindungen hervorbringen.
