The biotechnological value of a novel potent marine biotoxin from the polychaete worm Eulalia viridis: chemical and toxicological evaluation

Abstract

The ocean’s vastness holds still many unexplored organisms with unique adaptive features that enable them to thrive in their environment. Eulalia viridis is one of them. This uncanny bright green worm is a predatory marine Polychaeta of the rocky intertidal that lacks jaws, but it is equipped with a toxin-containing mucus that enables predating larger invertebrates from which soft tissue is extracted through suction. Motivated by the high-value of toxins as bioreactives and by the European Union’s ambitions of leading the Blue Growth Strategy, for which Portugal’s vast EEZ offers high perspectives; a case-study to explore the biotechnological potential of this species was undertaken. The worm’s microanatomy revealed key adaptations for feeding such as special sensorial papillae and cells responsible for the secretion of mucus and toxins. Whole-transcriptome sequencing and toxicity assays yielded a complex pattern of proteinaceous toxins and enzymes with several functions: tissue permeabilization, coagulation impairment and blocking of neuromuscular activity. The main neurotoxins, “phyllotoxins”, found to be cysteine-rich proteins, act as immobilising agents against mussels and other invertebrate prey and are delivered by contact with mucus. In turn, higher toxicity towards ovarian cancer cell line (A2780) than normal cells, involved cytotoxic and cytostatic properties through cell cycle arrest and extrinsic programmed cell death. Several proteins involved in these effects were identified by combining transcriptomics and proteomics. The worm’s mucosecretions also hold internalisable proteinaceous complexes that display fluorescent properties and whose emission is reversibly switched by redox status. Altogether, the features found in the secretions of a single species disclose the immense biotechnological potential of marine annelids, and invertebrates in general, as source of valuable bio-reactives, even in temperate waters. The methodological pipeline, combining ecology, toxicology and molecular biology, circumvented many difficulties of marine bioprospecting and is an important contribution for the sustainable exploitation of novel marine bioresources.

O oceano contém muitos organismos por explorar com características adaptativas que os permitem prosperar no seu meio ambiente. Eulalia viridis é um desses organismos. Esta poliqueta verde clara é predador do intertidal rochoso sem mandibulas, equipado dum muco tóxico, permitindo assim predar invertebrados maiores extraindo pedaços de tecido através da sucção. Motivado pelo valor das toxinas como substâncias bioreactivas e pela ambição da UE de conduzir a Estratégia para o Crescimento Azul, à qual a vasta ZEE portuguesa oferece grandes perspetivas, o potencial biotecnológico desta espécie foi analisado. A análise microanatómica desta minhoca revelou adaptações cruciais na alimentação: existência de papilas sensoriais e células responsáveis pela secreção de muco e toxinas. A sequenciação completa do transcritoma e ensaios toxicológicos revelaram um complexo padrão de toxinas proteicas e enzimas com diversas funções: permeabilização de tecidos, anti-coagulação e bloqueio da atividade neuromuscular. As principais neurotoxinas da Eulalia, “filotoxinas”, são proteínas ricas em cisteínas, que atuam como agentes imobilizadores em mexilhões e outros invertebrados, que são administradas por contacto através do muco. Por sua vez, uma maior toxicidade para com a linha celular do cancro do ovário (A2780) do que células normais, demonstraram propriedades citotóxicas e citoestáticas através da paragem do ciclo celular e indução de morte celular programada pela via extrínseca. As proteínas responsáveis por estes efeitos foram identificadas, através de transcritómica e proteómica. As secreções mucosas da minhoca contêm também complexos proteicos internalizáveis que apresentam fluorescência, cuja emissão é reversivelmente regulada pelo estado redox. Resumindo, as características encontradas nas secreções de uma espécie demonstram o vasto potencial biotecnológico de anelídeos marinhos, como uma fonte valiosa de bioreactivos, mesmo em águas temperadas. O percurso metodológico utilizado, a combinação da ecologia, toxicologia e biologia molecular, permitiu contornar dificuldades da bioprospecção marinha, revelando ser um importante contributo para exploração sustentável de novos biorecursos marinhos.