Kaiserpenguins leiden tot ontdekking van nieuwe detoxificatie-route voor kwik

Een internationaal team van wetenschappers, geleid door het ESRF, het Europees Synchrotron in Grenoble, Frankrijk, heeft ontdekt dat keizerspinguïns kwik ontgiften met zowel zwavel als selenium, een nieuwe route voor een mariene roofdier. Deze nieuwe ontgiftingsroute voor kwik is onthuld in een studie gepubliceerd in het Journal of Hazardous Materials.

Kwik wordt door de WHO beschouwd als een van de top tien chemicaliën die een belangrijke bedreiging voor de volksgezondheid vormen. Kwik bioaccumuleert in organismen in de loop van de tijd en biomagnificeert in aquatische en terrestrische voedselwebben als de neurotoxische vorm van methylkwik. Het begrijpen van de interne ontgiftingsprocessen van methylkwik in dieren is essentieel voor het beschermen van de natuur en het ontwerpen van behandelingen tegen kwikvergiftiging.

Alain Manceau, wetenschapper aan het ESRF en emeritus-onderzoeker bij het CNRS, heeft samen met zijn collega’s van de Universiteit van La Rochelle en het CNRS (LIENSs en CEBC), de United States Geological Survey en de Universiteit van Californië Davis jarenlang bestudeerd hoe dieren kwik ontgiften. In 2021 onthulden ze dat apex-roofdieren, zoals zeevogels zoals reuzenpetrels en zeezoogdieren zoals pilootwalvissen, methylkwik ontgiften via een reeks reacties waarbij gereduceerd selenium wordt gebruikt in de vorm van een prominente selenoproteïne. Aangezien kwik uiteindelijk wordt ontgift als niet-toxisch kwikselenide, heeft het verminderde toxicologische gevolgen zolang er voldoende selenium aanwezig is, omdat kwikselenide chemisch inert is.

“We wisten al hoe dieren die aan grote hoeveelheden kwik worden blootgesteld, het mechanisme gebruiken; nu wilden we ontdekken wat er gebeurt met dieren die lager in de voedselketen staan, zoals pinguïns,” legt Manceau uit.

Keizerspinguïns voeden zich voornamelijk met Antarctische zilvervis en inktvis, die methylkwik bevatten, zij het niet in grote hoeveelheden. Hierdoor zijn pinguïns minder besmet met kwik dan tandwalvissen, reuzenpetrels en andere roofdieren hoger in het voedselweb.

Onbekende ontgiftingsroute in dieren

De wetenschappers, die gebruikmaakten van röntgenabsorptiespectroscopie, identificeerden voor het eerst een tweede demethylatie-route van toxisch methylkwik. Bij keizerspinguïns wordt het giftige kwik gedeeltelijk ontgift via dezelfde chemische route als reuzenpetrels, maar deze pinguïns hebben ook een tweede mechanisme ontwikkeld waarbij hun lichaam een Hg-dithiolaatcomplex vormt. Dit complex bindt aan cysteïne-aminozuren in enzymen, waardoor hun functie verandert. Deze demethylatieroute was nog nooit eerder waargenomen bij dieren, alleen bij bacteriën.

Om deze resultaten te verkrijgen, gebruikten Manceau en Pieter Glatzel, beide wetenschappers aan het ESRF, een synchrotron-techniek genaamd hoge-energie-resolutie röntgenabsorptie nabij randstructuurspectroscopie (HERFD-XANES) om de vorm van kwik in de lever van keizerspinguïns te bestuderen. Ze koppelden hun gegevens vervolgens aan stabiele isotopen van stikstof en kwik om de voedingsbron van methylkwik en de chemische reactieroute te identificeren. De isotopische samenstelling van het Hg-dithiolaatcomplex toonde aan dat demethylatie plaatsvindt in het lichaam, en niet in het darmmicrobioom.

“We geloven dat deze ‘minder geavanceerde’ demethylatieroute gebruikelijker is bij vertebraten van lagere trofische niveaus, omdat zij minder besmet zijn met methylkwik en geen geavanceerd systeem nodig hebben zoals reuzenpetrels,” verklaren de auteurs. De volgende stap is om slangen, krokodillen en blauwe tonijn, een top-roofdier vis, te analyseren. Het onderzoek is belangrijk omdat het kennislacunes opvult in de biogeochemische cyclus van kwik in aquatische en terrestrische ecosystemen, van bacteriën tot top-roofdieren.

Kwikoverdracht van moeder op kuikens

Dankzij een expeditie naar Antarctica verkregen wetenschappers ook pinguïneieren voor analyse die door de ouders waren verlaten tijdens de vroege incubatie, die plaatsvindt in de koude en donkere winter. Tot nu toe was bekend dat pinguïnmoeders methylkwik in het eiwit (eiwit) van het ei aan hun kuikens overdragen. In dezelfde studie werd ontdekt dat in de dooier van het ei een deel van het kwik wordt ontgift dankzij de geavanceerde route, die pinguïns gedeeltelijk gebruiken. Echter, de meerderheid van het kwik in het ei is aanwezig als de toxische methylkwikvorm, vanwege de onevenredige hoeveelheid eiwit in vergelijking met de dooier.

“Toch is de eliminatie van giftig kwik tijdens de ei-productie kwantitatief gezien gering in vergelijking met de depuratie in veren tijdens de rui,” concludeert Paco Bustamante, professor aan de Universiteit van La Rochelle. Het is een beetje zoals bij mensen, waar methylkwik gedeeltelijk wordt geëlimineerd via het haar, terwijl de placentale overdracht tijdens de zwangerschap van de moeder bekend staat als invloedrijk voor de neuroontwikkeling van de foetus.