加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的科学家在试图阐明海洋藻类如何产生化学复杂的素时，发现了迄今为止生物学中发现的最大的蛋白质。

揭示藻类进化而来制造复杂素的生物机制，也揭示了以前未知的化学物质组装策略，这可能开启新药物和新材料的开发。

研究人员在研究一种名为Prymnesiumparvum的藻类如何产生导致大量鱼类亡的素时发现了这种蛋白质，并将其命名为PKZILLA-1。

“这是蛋白质领域的珠穆朗玛峰，”布拉德利·摩尔(BradleyMoore)说道，他是一位海洋化学家，在斯克里普斯海洋学和斯卡格斯药学与制药科学学院同时任职，也是一项详细介绍这一发现的新研究的资深作者。“这拓展了我们对生物学能力的认识。”

PKZILLA-1比之前的记录保持者肌联蛋白大25%，肌联蛋白存在于人类肌肉中，长度可达1微米(0.0001厘米或0.00004英寸)。

这项研究发表在《科学》杂志上，表明这种巨型蛋白质和另一种超大但并非破纪录的蛋白质——PKZILLA-2——是产生普利米尼素的关键。普利米尼素是一种大型复杂分子，是藻类的素。

除了鉴定出普林尼菌素背后的大量蛋白质之外，该研究还发现了异常大的基因，这些基因为小普林尼菌提供了制造蛋白质的蓝图。

通过寻找基因而不是素本身的水质检测，找到支持普利姆尼辛素产生的基因可以改善对该物种有害藻华的监测工作。

斯克里普斯研究所摩尔实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者蒂莫西·法伦(TimothyFallon)说：“通过监测基因而不是素，我们可以在藻华开始爆发前就发现它们，而不是等到素开始传播后才能识别它们。”

发现PKZILLA-1和PKZILLA-2蛋白还揭示了藻类制造素的复杂细胞装配线，这些素具有独特而复杂的化学结构。深入了解这些素的制造过程可能对试图合成用于医疗或工业应用的新化合物的科学家大有裨益。

摩尔说：“了解大自然如何演化其化学魔法，使我们作为科学从业者能够应用这些见解来创造有用的产品，无论是新型抗癌药物还是新型织物。”

Prymnesiumparvum，俗称金藻，是一种水生单细胞生物，遍布世界各地的淡水和咸水中。金藻的大量繁殖与鱼类亡有关，因为其素Prymnesin会损害鱼类和其他水生动物的鳃。

2022年，波兰和德国交界处的奥得河爆发金藻爆发，导致500-1,000吨鱼亡。这种微生物会对从德克萨斯州到斯堪的纳维亚半岛等地的水产养殖系统造成严重破坏。

普利明素属于一类称为聚酮聚醚的素，该类素包括经常影响佛罗里达州的主要赤潮素B和污染南太平洋和加勒比海珊瑚鱼的雪卡素。这些素是整个生物学中最大、最复杂的化学物质之一，研究人员几十年来一直在努力弄清楚微生物究竟是如何产生如此大而复杂的分子的。

从2019年开始，摩尔、法伦和斯克里普斯研究所摩尔实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者维克拉姆·申德(VikramShende)开始尝试从生化和基因水平上弄清楚金藻是如何产生素普利米尼素的。

这项研究的作者首先对金藻的基因组进行测序，寻找与产生普利米尼素有关的基因。传统的基因组搜索方法没有取得成果，因此该团队转向了更擅长寻找超长基因的替代基因侦查方法。

“我们能够找到这些基因，结果发现，这种藻类需要使用巨型基因来制造巨大的有分子，”Shende说。

找到PKZILLA-1和PKZILLA-2基因后，研究小组需要调查这些基因的组成，以将其与素的产生联系起来。Fallon表示，研究小组能够像阅读乐谱一样读取基因的编码区，并将其翻译成形成蛋白质的氨基酸序列。

当研究人员完成PKZILLA蛋白的组装时，他们对其大小感到震惊。PKZILLA-1蛋白的质量达到创纪录的4.7兆道尔顿，而PKZILLA-2也非常大，达到3.2兆道尔顿。之前的记录保持者Titin可以达到3.7兆道尔顿——大约是典型蛋白质的90倍。

Prymnesiumparvum细胞。图片来源：德克萨斯州公园和野生动物管理局GregSouthard

在进一步的测试表明金藻确实会在生命中产生这些巨型蛋白质后，研究小组试图找出这些蛋白质是否参与了素普利米尼素的产生。PKZILLA蛋白质在技术上是酶，这意味着它们会引发化学反应，研究小组用钢笔和记事本模拟了这两种酶所涉及的239个化学反应的长序列。

“最终结果与普利姆尼辛的结构完全匹配，”申德说。

摩尔说，追踪金藻制造素时所采用的一系列反应，揭示了自然界中制造化学物质的未知策略。“我们希望能够利用自然界如何制造这些复杂化学物质的知识，在实验室中为未来的药物和材料开辟新的化学可能性，”他补充道。

找到prymnesin素背后的基因，可以更经济高效地监测金藻水华。这种监测可以使用测试来检测环境中的PKZILLA基因，类似于COVID-19大流行期间常见的PCR测试。改进的监测可以提高准备程度，并允许更详细地研究导致水华更容易发生的条件。

法伦表示，研究小组发现的PKZILLA基因是有史以来第一个与prymnesin所属的聚醚组中的任何海洋素的产生有因果关系的基因。

接下来，研究人员希望将用于寻找PKZILLA基因的非标准筛选技术应用于产生聚醚素的其他物种。

如果他们能够找到其他聚醚素(如每年可能影响多达50万人的雪卡素)背后的基因，那么它将为一系列其他对全球产生重大影响的有藻华提供同样的基因监测可能性。