Secondary metabolite biosynthesis by Aquimarina species: emerging properties and bioactivities from the rare marine biosphere

23/06/2023

Aquimarina é um género bacteriano marinho da família Flavobacteriaceae, filo Bacteroidota, que tem vindo a atrair crescente interesse devido ao seu comportamento oportunista a patogénico em aquacultura e pela recém-descoberta capacidade para sintetizar produtos naturais de interesse farmacêutico. Esta tese de doutoramento focou-se em descrever e explorar as potencialidades das espécies de Aquimarina como produtoras de metabolitos secundários com atividade antimicrobiana. Em primeiro lugar, 26 genomas de Aquimarina foram investigados, tendo sido descobertos diversos grupos de genes biossintéticos codificadores de metabolitos secundários da classe dos policetídeos, péptidos ribossomais e não ribossomais, entre outras classes conhecidas pelo seu valor farmacêutico. Análises filogenómicas e de genómica funcional revelaram que o metabolismo inferido das espécies de Aquimarina é principalmente moldado pela filogenia e não pela fonte de isolamento, e que os membros deste género bacteriano têm a capacidade de proliferar em diversos micronichos marinhos. Foi também realizada uma análise ao conjunto de dados associado ao ‘Sponge Microbiome Project’, revelando que espécies de Aquimarina apresentam abundâncias reduzidas em múltiplos ambientes marinhos. Este género foi então classificado como pertencente à biosfera rara microbiana, sendo que os seus membros têm a capacidade de aumentar em abundância sob condições específicas e favoráveis, tais como quando em associação a um hospedeiro comprometido. De seguida, foi realizada uma análise de genómica comparativa de larga escala com o objetivo de determinar se o vasto potencial biossintético de Aquimarina spp. seria uma característica única deste género ou um atributo difundido entre os géneros da família Flavobacteriaceae, tanto terrestres como marinhos. De facto, dois géneros de grande proximidade filogenética, Aquimarina e Kordia, exibiram perfis de metabolismo secundário semelhantes entre eles, mas bastante diferenciados dos restantes membros da família Flavobacteriaceae. Este estudo propõe que o conjunto do potencial genético para a degradação de péptidos, degradação de hidratos de carbono e para a síntese de metabolitos secundários poderá ter um papel crucial na compreensão dos mecanismos evolutivos deste importante grupo bacteriano. Esta informação cria oportunidades para a identificação de novos candidatos a fármacos dentro da família Flavobacteriaceae. Subsequentemente, um conjunto de estirpes de Aquimarina selecionadas foram analisas quanto à sua atividade antimicrobiana, tendo sido demonstrada a capacidade de inibir diversas bactérias marinhas, particularmente Vibrio spp., e alguns patógenos humanos, como por exemplo Staphylococcus aureus resistente a meticilina e Candida glabrata. Na análise dos perfis metabólicos e genómicos destas mesmas estirpes, diversos compostos não conhecidos foram identificados, provenientes de classes como a dos policetídeos e a dos péptidos cíclicos, por exemplo. No passo seguinte deste trabalho, um novo péptido com forte atividade antibacteriana foi isolado de uma Aquimarina e a sua estrutura química elucidada. No seu conjunto, esta tese demonstra que Aquimarina é um membro da biosfera microbiana rara com extensas e raras capacidades para produção de produtos naturais, e sublinha as vantagens de uma estratégia multidisciplinar, envolvendo análises fenotípicas, genómicas e metabolómicas, para a exploração do metabolismo secundário de taxa marinhos menos conhecidos. Conclui-se que futuros estudos deste género bacteriano terão uma alta probabilidade de levar à identificação de mais metabolitos secundários bioativos, expandindo o espectro de produtos naturais do ambiente marinho com capacidade para entrar na pipeline farmacêutica. Aquimarina is a marine bacterial genus in the Flavobacteriaceae family (phylum Bacteroidota) that is attracting increasing attention due to its opportunistic to pathogenic behaviour in aquaculture and its recently discovered ability to synthesise natural products of interest for pharmaceutical applications. This PhD thesis thoroughly investigated the secondary metabolite biosynthesis capabilities and antimicrobial activities of the Aquimarina genus. First, 26 Aquimarina genomes were examined and several biosynthetic gene clusters (BGCs) coding for polyketides, ribosomal and nonribosomal peptides, and other compound classes known for their bioactivities of pharmaceutical value were identified. Furthermore, phylogenomics and functional genomics analysis revealed that phylogeny, rather than isolation source (host-associated versus free-living habitats), primarily shapes the inferred metabolism of Aquimarina species which are well equipped to thrive in different marine micro-niches. Additionally, examination of the ‘Sponge Microbiome Project’ dataset revealed that Aquimarina species present low abundances in multiple marine environments. This thesis identified the genus as a member of the microbial rare biosphere, coining it a ‘conditionally rare taxon’ which has to capacity to opportunistically increase in abundance under specific, favourable conditions such as a compromised host. A large-scale, comparative genomics analysis on the Flavobacteriaceae family was then conducted to determine whether the vast potential of Aquimarina spp. to biosynthesise diverse secondary metabolites was a unique feature of this genus, or widespread among terrestrial and marine Flavobacteriaceae genera. Indeed, the two phylogenetically close genera Aquimarina and Kordia showed rich BGC profiles that were distinct from those of other Flavobacteriaceae members. This study proposed that the interplay between peptide, carbohydrate, and secondary metabolism has a crucial role in the evolution of this important bacterial group and offers new opportunities for the identification of potential drug candidates within the Flavobacteriaceae species. Subsequently, this thesis delved into the antimicrobial activity of selected Aquimarina strains and demonstrated their ability to inhibit diverse marine bacteria, particularly Vibrio spp., and human-pathogenic species such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Candida glabrata. Examination of metabolomic and genomic profiles from these strains suggested the production of novel polyketides and cyclic peptides. Using advanced analytical chemistry tools, a new Aquimarina peptide with strong antibacterial activity was then isolated and its chemical structure elucidated. Taken together, this thesis demonstrates that Aquimarina is a prolific natural product producer from the rare microbial biosphere, and underlines the advantages of a multidisciplinary strategy, involving phenotypic, genomic, and metabolomic analyses, to explore the secondary metabolism of lesser-known marine taxa. Undoubtedly, further research into Aquimarina species will identify more bioactive secondary metabolites, expanding the spectrum of novel drug candidates from the marine environment.

Autores da comunidade :

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  S

  Sandra Cristina Godinho Pires da Silva

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Orientadores desta instituição:

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  T

  Tina Keller Costa

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• 

  R

  Rodrigo da Silva Costa

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Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

- Ciências Biológicas

Palavras-chave

• produtos naturais
• atividade antimicrobiana
• fármacos de origem marinha
• genómica
• metabolómica
• natural products
• antimicrobial activity
• marine drugs
• genomics
• metabolomics

- Inglês

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