Cadmium effects in Nitzschia Palea frustule proteins

Abstract

As diatomáceas são organismos eucarióticos fotossintéticos, cuja relevância como espécies bioindicadoras foi há muito estabelecida, por via de índices ecológicos, ou por via de testes de toxicidade baseados em características ecológicas. A parede celular silicificada (frustula) é a característica mais distintiva destes organismos, permitindo uma identificação da espécie, e fornecendo a indicação de stresses ambientais, devido à indução de formações anormais da frústula. Estas teratologias são a consequência de perturbações no processo de biosilicificação, e podem ocorrer em culturas laboratoriais, ou devido a contaminação por metais, ou pesticidas. De entre os indutores de teratologias, os metais, como o cádmio, são a classe mais relevante devido à sua ocorrência natural ou antropogénica na natureza, e pela sua alta toxicidade relativa às pequenas quantidades presentes. Embora o processo de formação da frustula não esteja ainda completamente esclarecido, nos últimos anos tem sido publicada informação que revela a existência de proteínas na frústula, algumas delas contribuindo para a biosilicificação. O estudo das alterações induzidas pelo cádmio na quantidade, variedade, e relação das proteínas presentes na frústula, foram os objectivos deste trabalho, juntamente com a quantificação de cádmio nas fracções da frústula. Os resultados deste trabalho mostraram que a exposição ao cádmio aumentou o conteúdo proteico da frústula. Cerca de 80% dos peptideos aumentou a expressão na presença de Cd. Este foi sobretudo retido extracelularmente, encontrando-se 85% do Cd ligado a frustulinas. O presente trabalho demonstrou que as frustulinas são extremamente importantes para a defesa da célula dos efeitos do cádmio, contribuindo com dois novos supostos mecanismos de tolerância ao cádmio: o de reforço da frústula, e a protecção celular contra a entrada de Cd, através da quelação extracelular dos iões metálicos. Estes resultados mostram que as frustulinas podem ter um papel importante na tolerância das diatomáceas a metais.

Diatoms are unicellular eukaryotic photosynthetic organisms whose relevance as biomonitor species have long been established, either by ecological indexes, or by tolerance and other toxicity tests, based on ecological properties. The silicified cell wall of diatoms (frustule), is the most visible and distinguished characteristic of these organisms, providing species identification, and indication of environmental stressors, due to the induction of abnormal frustule formation. These teratologies are the consequence of perturbation in the biosilicification process, and can occur either by artificial growth, heavy metal contamination, or pesticides. Amongst the frustule abnormality inductors, metals such as cadmium are the most relevant class due to both anthropogenic and natural occurrence in nature and by the high toxicity relative to the small amounts present in the habitat. Although the process of frustule formation is not completely understood, in the last years it has been published data that show the existence of proteins in the frustules, some of them contributing to the biosilicification. The study of alterations induced by cadmium to the quantity, variety, and ratio of proteins present in frustules were the objectives of this work, along with cadmium quantification in the frustule fractions. Results showed that Cd increased frustule protein content. About 80% of the peptides increased their expression in the presence of Cd . Cadmium was mostly retained extracellularly, and 85% was bound to frustulines. Frustulins were found to be extremely important to the cell defense against cadmium stress, providing two putative novel mechanisms of cadmium tolerance: strengthening of frustules, and protection against Cd, through extracellular metal chelation. These results show that frustulines can play a leading role in the tolerance of diatoms to metals.