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Anemone Produce Toxins That Have Pharmacological Potential

Publicado em 02 novembro 2020

Por André Julião | Agência FAPESP

Anemone Produce Toxins That Have Pharmacological Potential / Gli anemoni producono tossine che hanno potenziale farmacologico

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Analysis identified 525 genes encoding proteins that act on the nervous system, cardiovascular system and cell walls. One of the molecules proved effective against cancer cells in preliminary test results. / L'analisi ha identificato 525 geni che codificano per proteine che agiscono sul sistema nervoso, sul sistema cardiovascolare e sulle pareti cellulari. Una delle molecole si è dimostrata efficace contro le cellule tumorali nei risultati dei test preliminari.Credit: Sérgio Stampar/UNESP.

Researchers based in Brazil and the United States have completed the first-ever mapping exercise to profile the toxins produced by tube-dwelling anemones, or cerianthids, a family of marine animals belonging to the same phylum (Cnidaria) as sea anemones, jellyfish and corals. The analysis revealed that the toxins that can act on the nervous system, cardiovascular system, and cell walls, among other functions, paving the way to the discovery of novel medications.

“Tube anemones and sea anemones were assigned to the same family for a long time, but since 2014 our group has shown that aside from external anatomy they’re very different. They display distinct forms of behavior, lifecycle, and other traits. We assumed the toxins they produce must also be different,” said Sérgio Stampar, a professor in São Paulo State University’s School of Sciences and Letters (FCL-UNESP) at Assis, Brazil, and principal investigator for the study, which is published in the journal Marine Drugs.

The research was supported by FAPESP via funding for three projects (15/24408-4, 19/03552-0 and 17/50028-0), and was conducted in collaboration with scientists affiliated with the University of Kansas, the University of North Carolina at Charlotte and Florida Southern College.

The researchers took samples of the animals’ tentacles and extracted the RNA, which they then sequenced. They used bioinformatics software to classify most of what was transcribed, which they grouped into families of toxins. The analysis showed that 525 genes were associated with these substances.

The toxins belong to families also found in jellyfish, whose venoms burn humans and can even kill them. In addition, because anemones’ tentacles are part of their digestive system, the researchers expected to find similar compounds in both groups.

More than substances used in digestion, however, tube anemones produce neurotoxins and other substances that affect the bloodstream and destroy cell walls, as is typical of toxins used to kill prey and defend against predators.

“Curiously enough, there are no reports of accidents involving these animals,” Stampar said. “I’ve handled them without gloves a few times and never been stung. We don’t yet know why humans aren’t affected by their toxic arsenal.”

Toxin diversity

Isarachnanthus nocturnus, a species found in Brazil, was found to secrete toxins similar to those of the Australian box jellyfish (Chironex fleckeri), whose venom can be lethal to humans and forms pores in cell walls. Stampar’s group recently sequenced the mitochondrial genome of I. nocturnus, the largest of any animal sequenced to date (read more at:

One of the possible explanations for the diversity of toxins in the species is that its larval stage, which lasts about four months, is much longer than those of other tube anemones, which drift for two or three days in the water column before settling on the seabed. Like corals, tube anemones and sea anemones spend most of their lives attached to the ocean floor. I. nocturnus may have developed more effective defenses than other species because it interacts a great deal with predators.

I. nocturnus and Ceriantheomorphe brasiliensis were the only Brazilian species included in the study, which also analyzed Pachycerianthus borealis, the Atlantic tube anemone, found in North America, and Pachycerianthus maua, the Banded tube anemone, found in the Red Sea, Gulf of Aden, and Tanzania.

Hemostatic and hemorrhagic toxins were the most diverse in all four species. One of the toxins found belongs to the same family as the toxins produced by venomous reptiles and resembles the venom of the Komodo dragon (Varanus komodoensis), which uses it to kill mammals larger than itself.

Toxins that alter circulation offer potential for use in drugs to treat cardiovascular problems. Captopril, widely used to treat high blood pressure, is derived from the venom of the jararaca pit viper (Bothrops jararaca), for example.

The researchers also found innate immunity toxins and protease inhibitors, which belong to the family used in antiretroviral drugs against HIV, for example.

“It’s important to bear in mind that marine organisms have been around far longer than humans and have a much more elaborate chemical arsenal,” Stampar said. “As they evolved, they refined their defenses against viruses, bacteria, and even tumors. Isolating these substances could be well worth our while.”

One of the toxins the researchers identified is being tested on breast cancer cells by Karina Alves de Toledo, another professor at FCL-UNESP. Preliminary results have been promising and suggest the compound can kill cancer cells without damaging healthy cells.

Prospecting marine biodiversity for molecules is now one of the most promising branches of biotechnology. The global market for such products is projected to be worth USD 6.4 billion in 2025. Redemsivir, an antiviral drug used against Ebola and recently approved to treat COVID-19 patients in the United States, for example, is made from a substance found in sea sponges; a complete course of treatment can cost between USD 2,000 and USD 3,000 in the US.

Four new species described

In another study, reported in an article published in Records of the Australian Museum, Stampar and collaborators based in Australia and New Zealand described three new species of tube anemones found in the region and a fourth found in Antarctica. The latter, Pachycerianthus antarcticus, is the southernmost species known to science. This distinction previously pertained to a tube anemone that is native to Argentina and has also been described by Stampar’s group.

The Australian species Ceriantheopsis microbotanica is one of the smallest described to date. It is about 5 cm long, compared with 30-40 cm for the rest. It is native to the shallow waters of Botany Bay in Sydney.

“The material resulted from a dredging operation to extend the airport and had been stored in the museum for several years,” Stampar said. “I thought the first specimens I analyzed must be juveniles but realized they were adults when I examined their sexual structures. This may be an adaptation to the uninvitingly dark water.”

Stampar conducted the study while working as a visiting researcher at the Australian Museum on a project funded by FAPESP. Later a New Zealander contacted him to request help with descriptions of two local species. One, Pachycerianthus fiordlandensis, is common enough to be photographed frequently by divers yet had not been described by scientists. The other, Ceriantheopsis zealandiaensis, was described on the basis of two specimens collected in New Zealander region of Fiordland. There are currently 57 species of tube anemone.


I ricercatori con sede in Brasile e negli Stati Uniti hanno completato il primo esercizio di mappatura in assoluto per profilare le tossine prodotte da anemoni tubolari, o cerianthidi, una famiglia di animali marini appartenenti allo stesso phylum (Cnidaria) di anemoni di mare, meduse e coralli . L'analisi ha rivelato che le tossine che possono agire sul sistema nervoso, sul sistema cardiovascolare e sulle pareti cellulari, tra le altre funzioni, aprono la strada alla scoperta di nuovi farmaci.

"Anemoni tubolari e anemoni di mare sono stati assegnati per molto tempo alla stessa famiglia, ma dal 2014 il nostro gruppo ha dimostrato che, a parte l'anatomia esterna, sono molto diversi. Mostrano forme distinte di comportamento, ciclo di vita e altri tratti. Abbiamo pensato che anche le tossine che producono dovessero essere diverse ", ha detto Sérgio Stampar, professore presso la School of Sciences and Letters (FCL-UNESP) dell'Università statale di San Paolo ad Assis, Brasile, e ricercatore principale dello studio, pubblicato su rivista Marine Drugs.

La ricerca è stata supportata da FAPESP tramite finanziamenti per tre progetti (15 / 24408-4, 19 / 03552-0 e 17 / 50028-0) ed è stata condotta in collaborazione con scienziati affiliati all'Università del Kansas, l'Università della Carolina del Nord a Charlotte e Florida Southern College.

I ricercatori hanno prelevato campioni dei tentacoli degli animali ed estratto l'RNA, che hanno poi sequenziato. Hanno usato software bioinformatico per classificare la maggior parte di ciò che è stato trascritto, che hanno raggruppato in famiglie di tossine. L'analisi ha mostrato che 525 geni erano associati a queste sostanze.

Le tossine appartengono a famiglie presenti anche nelle meduse, i cui veleni bruciano gli esseri umani e possono persino ucciderli. Inoltre, poiché i tentacoli degli anemoni fanno parte del loro sistema digerente, i ricercatori si aspettavano di trovare composti simili in entrambi i gruppi.

Più delle sostanze utilizzate nella digestione, tuttavia, gli anemoni tubolari producono neurotossine e altre sostanze che agiscono sul flusso sanguigno e distruggono le pareti cellulari, come è tipico delle tossine utilizzate per uccidere le prede e difendersi dai predatori.

"Curiosamente, non ci sono segnalazioni di incidenti che coinvolgono questi animali", ha detto Stampar. "Li ho maneggiati senza guanti un paio di volte e non sono mai stato punto. Non sappiamo ancora perché gli esseri umani non siano influenzati dal loro arsenale tossico ".

Diversità delle tossine

Si è scoperto che Isarachnanthus nocturnus, una specie trovata in Brasile, secerne tossine simili a quelle della medusa scatola australiana (Chironex fleckeri), il cui veleno può essere letale per l'uomo e forma pori nelle pareti cellulari. Il gruppo di Stampar ha recentemente sequenziato il genoma mitocondriale di I. nocturnus, il più grande di qualsiasi animale sequenziato fino ad oggi (per saperne di più su:

Una delle possibili spiegazioni per la diversità delle tossine nella specie è che il suo stadio larvale, che dura circa quattro mesi, è molto più lungo di quello di altri anemoni a tubo, che vagano per due o tre giorni nella colonna d'acqua prima di stabilirsi sul fondale marino. Come i coralli, gli anemoni a tubo e gli anemoni di mare trascorrono la maggior parte della loro vita attaccati al fondo dell'oceano. I. nocturnus può aver sviluppato difese più efficaci rispetto ad altre specie perché interagisce molto con i predatori.

I. nocturnus e Ceriantheomorphe brasiliensis sono state le uniche specie brasiliane incluse nello studio, che ha anche analizzato Pachycerianthus borealis, l'anemone a tubo atlantico, trovato in Nord America, e Pachycerianthus maua, l'anemone a tubo fasciato, trovato nel Mar Rosso, Golfo di Aden e Tanzania.

Le tossine emostatiche ed emorragiche erano le più diverse in tutte e quattro le specie. Una delle tossine trovate appartiene alla stessa famiglia delle tossine prodotte dai rettili velenosi e ricorda il veleno del drago di Komodo (Varanus komodoensis), che lo usa per uccidere i mammiferi più grandi di lui.

Le tossine che alterano la circolazione offrono il potenziale per l'uso nei farmaci per trattare i problemi cardiovascolari. Il captopril, ampiamente usato per trattare l'ipertensione, è derivato dal veleno della vipera di jararaca (Bothrops jararaca), per esempio.

I ricercatori hanno anche trovato tossine dell'immunità innata e inibitori della proteasi, che appartengono alla famiglia utilizzata nei farmaci antiretrovirali contro l'HIV, per esempio.

"È importante tenere a mente che gli organismi marini esistono da molto più tempo degli esseri umani e hanno un arsenale chimico molto più elaborato", ha detto Stampar. “Man mano che si sono evoluti, hanno affinato le loro difese contro virus, batteri e persino tumori. Potrebbe valere la pena isolare queste sostanze. "

Una delle tossine identificate dai ricercatori è stata testata su cellule di cancro al seno da Karina Alves de Toledo, un'altra professoressa dell'FCL-UNESP. I risultati preliminari sono stati promettenti e suggeriscono che il composto può uccidere le cellule tumorali senza danneggiare le cellule sane.

La ricerca della biodiversità marina per le molecole è oggi uno dei rami più promettenti della biotecnologia. Si prevede che il mercato globale di tali prodotti varrà 6,4 miliardi di dollari nel 2025. Redemsivir, un farmaco antivirale usato contro l'Ebola e recentemente approvato per il trattamento dei pazienti COVID-19 negli Stati Uniti, ad esempio, è prodotto da una sostanza trovata in mare dalle spugne; un ciclo completo di trattamento può costare tra i 2.000 ei 3.000 USD negli Stati Uniti.

Quattro nuove specie descritte

In un altro studio, riportato in un articolo pubblicato su Records of the Australian Museum, Stampar e collaboratori con sede in Australia e Nuova Zelanda hanno descritto tre nuove specie di anemoni a tubo trovate nella regione e una quarta in Antartide. Quest'ultima, Pachycerianthus antarcticus, è la specie più meridionale conosciuta dalla scienza. Questa distinzione in precedenza riguardava un anemone tubolare originario dell'Argentina ed è stata descritta anche dal gruppo di Stampar.

La specie australiana Ceriantheopsis microbotanica è una delle più piccole finora descritte. È lungo circa 5 cm, contro i 30-40 cm del resto. È originario delle acque poco profonde di Botany Bay a Sydney.

"Il materiale è il risultato di un'operazione di dragaggio per estendere l'aeroporto ed è stato conservato nel museo per diversi anni", ha detto Stampar. “Pensavo che i primi esemplari che ho analizzato dovessero essere giovani, ma ho capito che erano adulti quando ho esaminato le loro strutture sessuali. Questo potrebbe essere un adattamento all'acqua scura poco invitante. "

Stampar ha condotto lo studio mentre lavorava come ricercatore in visita presso l'Australian Museum su un progetto finanziato da FAPESP. Successivamente un neozelandese lo contattò per chiedere aiuto con le descrizioni di due specie locali. Uno, Pachycerianthus fiordlandensis, è abbastanza comune da essere fotografato frequentemente dai subacquei, ma non era stato descritto dagli scienziati. L'altro, Ceriantheopsis zealandiaensis, è stato descritto sulla base di due esemplari raccolti nella regione neozelandese di Fiordland. Attualmente esistono 57 specie di anemoni tubolari.


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