Eco-metabolomics approach for understanding the chemodiversity of cocktails found on poison frogs

Abstract

The superfamily Dendrobatoidea sensu, is one of groups of amphibians that exhibit one of the greatest diversities of chemical compounds. This family is distributed exclusively in Central and South America and is recognized because the skin of many species secretes alkaloids with promising pharmacological properties. Also, their toxicity is often correlated with the presence of bright coloration. However, current knowledge about chemical defenses in the superfamily Dendrobatoidea has two sources of bias. First, there is a lack of knowledge about the chemical profiles of cryptic (brown-colored) species compared to those with conspicuous coloration. Second, there has been little interest in characterizing metabolites other than alkaloids that may be involved in chemical communication, such as volatile organic compounds (VOCs). Additionally, to achieve these important discoveries, more than 10,000 animals of different species have been sacrificed to elucidate the chemical structures of these more than 500 alkaloids, so there is a need to design in vivo methods that allow studying the chemical profiles of species, especially those that are endemic or at high risk of extinction. Considering this, in this work we have employed different extraction and mass spectrometric techniques in combination with an eco-metabolomic approach to contribute to fill this gap of knowledge and to understand the proximate causes of variation in the defensive cocktails found in this group of amphibians. Employing a targeted approach in normal-phase gradient by HPLC-ESI-QTOF and an untargeted approach in reversed-phase gradient by HPLC-ESI-QTOF to analyze metabolites present in the cryptic Colostethus imbricolus, we found that neither tetrodotoxin (TTX) (a hydrophilic alkaloid previously found in another related dendrobatid), nor other tetrodotoxin analogs were detected in C. imbricolus.

La superfamilia Dendrobatoidea sensu es uno de los grupos de anfibios donde se ha reportado una mayor diversidad de compuestos químicos. Esta familia se distribuye exclusivamente en Centro y Suramérica y es reconocida porque en la piel de muchas de sus especies se secretan alcaloides con promisorias propiedades farmacológicas y porque su toxicidad muchas veces se correlaciona con la presencia de una coloración llamativa. Sin embargo, el conocimiento actual sobre las defensas químicas en la superfamilia Dendrobatoidea tiene dos fuentes de sesgo. En primer lugar, existe un gran desconocimiento sobre los perfiles químicos de las especies crípticas (de color marrón) en comparación con las de coloración llamativa. En segundo lugar, ha habido poco interés en caracterizar metabolitos diferentes a alcaloides que pueden estar involucrados en comunicación química, como lo son los compuestos orgánicos volátiles (VOCs). Adicionalmente, para lograr estos importantes descubrimientos se han sacrificado más de 10.000 animales de diferentes especies para dilucidar las estructuras químicas de estos más de 500 alcaloides, por lo que existe una enorme necesidad de diseñar métodos in vivo que permitan conocer los perfiles químicos de las especies; especialmente aquellas que son endémicas o que se encuentran en alto riesgo de extinción. Teniendo en cuenta lo anterior, en este trabajo hemos empleado diferentes técnicas de extracción y de espectrometría de masas en combinación con una aproximación eco-metabolómica para contribuir a llenar el vacío de información que existe y entender las causas próximas de variación en los cocteles defensivos que se encuentran en este grupo de anfibios. Empleando una aproximación targeted en HPLC-ESI-QTOF en gradiente de fase normal, y otra untargeted en HPLC-ESI-QTOF en gradiente de fase reversa para analizar los metabolitos presentes en la especie Colostethus imbricolus, de coloración criptica, hemos descubierto que ni la tetrodotoxina (TTX)