TY  - THES
A1  - Pimentel Elardo, Sheila Marie
T1  - Novel anti-infective secondary metabolites and biosynthetic gene clusters from actinomycetes associated with marine sponges
T1  - Neue anti-infektive Sekundärmetabolite und biosynthetische Gencluster aus mit marinen Schwämmen assoziierten Actinomyceten
N2  - Marine sponges (Porifera) harbor diverse microbial communities within their mesohyl, among them representatives of the phylum Actinobacteria, commonly known as actinomycetes. Actinomycetes are prolific producers of pharmacologically important compounds and are responsible for producing the majority of antibiotics. The main aim of this Ph.D. study was to investigate the metabolic potential of the sponge-associated actinomycetes to produce novel anti-infective agents. The first aim was to cultivate actinomycetes derived from different marine sponges. 16S rDNA sequencing revealed that the strains belonged to diverse actinomycete genera such as Gordonia, Isoptericola, Micromonospora, Nocardiopsis, Saccharopolyspora and Streptomyces. Phylogenetic analyses and polyphasic characterization further revealed that two of these strains represent new species, namely Saccharopolyspora cebuensis strain SPE 10-1T (Pimentel-Elardo et al. 2008a) and Streptomyces axinellae strain Pol001T (Pimentel-Elardo et al. 2008b). Furthermore, secondary metabolite production of the actinomycete strains was investigated. The metabolites were isolated using a bioassay-guided purification scheme followed by structure elucidation using spectroscopic methods and subjected to an elaborate anti-infective screening panel. Several interesting compounds were isolated namely, the novel polyketides cebulactam A1 and A2 (Pimentel-Elardo et al. 2008c), a family of tetromycin compounds including novel derivatives, cyclodepsipeptide valinomycin, indolocarbazole staurosporine, diketopiperazine cycloisoleucylprolyl and butenolide. These compounds exhibited significant anti-parasitic as well as protease inhibitory activities. The third aim of this Ph.D. study was to identify biosynthetic gene clusters encoding for nonribosomal peptide synthetases (NRPS) and polyketide synthases (PKS) present in the actinomycete strains. Genomic library construction and sequencing revealed insights into the metabolic potential and biosynthetic pathways of selected strains. An interesting NRPS system detected in Streptomyces sp. strain Aer003 was found to be widely distributed in several sponge species, in an ascidian and in seawater and is postulated to encode for a large peptide molecule. Sequencing of the PKS gene cluster of Saccharopolyspora cebuensis strain SPE 10-1T allowed the prediction of the cebulactam biosynthetic pathway which utilizes 3-amino-5-hydroxybenzoic acid as the starter unit followed by successive condensation steps involving methylmalonyl extender units and auxiliary domains responsible for the polyketide assembly. In conclusion, this Ph.D. study has shown that diverse actinomycete genera are associated with marine sponges. The strains, two of them novel species, produced diverse chemical structures with interesting anti-infective properties. Lastly, the presence of biosynthetic gene clusters identified in this study substantiates the biosynthetic potential of actinomycetes to produce exploitable natural products and hopefully provides a sustainable supply of anti-infective compounds.
N2  - Zahlreiche marine Schwämme (Phylum: Porifera) beherbergen eine phylogenetisch diverse mikrobielle Gemeinschaft in der Mesohyl-Matrix, darunter auch viele Vertreter des bakteriellen Phylums Actinobacteria, die umgangssprachlich als Actinomyceten bekannt sind. Actinomyceten sind wichtige Produzenten vieler Antibiotika und von weiteren pharmazeutisch relevanten Substanzen. Das Hauptziel dieser Promotionsarbeit war die Untersuchung des Potentials Schwamm-assoziierter Actinomyceten zur Produktion neuer Infektions-hemmender Substanzen. Ein erstes Ziel dieser Doktorarbeit war die Kultivierung von Actinomyceten aus verschiedenen marinen Schwammarten. Die Sequenzierung der respektiven 16S rRNA Gene zeigte eine phylogenetische Zugehörigkeit der Isolate zu verschiedenen Actinomyceten-Familien, wie Gordonia, Isoptericola, Micromonospora, Nocardiopsis, Saccharopolyspora und Streptomyces. Durch phylogenetische Analysen und umfangreiche taxonomische Charakterisierungen konnten zwei neue Actinomyceten-Arten, Saccharopolyspora cebuensis strain SPE 10-1T (Pimentel-Elardo et al. 2008a) und Streptomyces axinellae strain Pol001T (Pimentel-Elardo et al. 2008b) beschrieben werden. Des Weiteren sollten die Actinomyceten-Isolate auf die Produktion von Sekundär-Metaboliten hin untersucht werden. Die Substanzen wurden „bioassay-guided“ aufgereinigt und isoliert sowie deren Struktur mittels spektroskopischer Methoden aufgeklärt. Anschließend wurden die Substanzen ausführlichen Screening-Methoden unterzogen, um sie auf anti-infektive Wirkungen hin zu untersuchen. Zahlreiche interessante Verbindungen konnten so isoliert werden, u. a. die neuen Polyketide Cebulactam A1 und A2 (Pimentel-Elardo et al. 2008c); eine Familie von Tetromycin-Substanzen inklusive neuartiger Derivative; das Cyclodepsipeptid Valinomycin, Indolocarbazole Staurosporine, Diketopiperazine Cycloisoleucylprolyl und Butenolide. Die Verbindungen zeigten signifikante anti-parasitische und Protease-hemmende Aktivitäten. Das dritte Ziel dieser Arbeit war es, die für nicht-ribosomale Peptidsynthetasen (NRPS) und Polyketidsynthasen (PKS) kodierenden, biosynthetischen Gen-Cluster in den Actinomyceten-Isolaten zu identifizieren. Die Konstruktion von Genbanken sowie die Sequenzierung ausgewählter Cosmidklone lieferte erste Einblicke in das Stoffwechsel- und Biosynthesepotential ausgewählter Isolate. Beispielsweise konnte ein interessantes NRPS-System in Streptomyces sp. Stamm Aer003 identifiziert werden, welches in verschiedenen Schwammarten, einer Ascidienart sowie im Meerwasser gefunden wurde. Die Sequenzierung eines PKS-Genclusters aus Saccharopolyspora cebuensis strain SPE 10-1T ermöglicht die Voraussage des Cebulactam-Biosynthesewegs in dem 3-Amino-5-Hydroxybenzoesäure als Ausgangsprodukt dient, welches durch sukzessive Kondensationsschritte sowie Verlängerungen durch Methylmalonyl- und Zusatzdomänen zum endgültigen Polyketid führen. Zusammenfassend konnte in dieser Promotionsarbeit gezeigt werden, dass marine Schwämme mit diversen Vertretern aus verschiedenen Familien der Actinomyceten assoziiert sind. Die Bakterienisolate, von denen zwei neue Arten repräsentieren, produzierten mehrere chemische Substanzen mit interessanten anti-infektiven Eigenschaften. Des Weiteren konnte mit dieser Arbeit durch die Identifizierung von Biosynthese-Genclustern das Potential von Actinomyceten zur Produktion verwertbarer bioaktiver Substanzen bekräftigt und somit ein Beitrag zur Entdeckung neuer anti-infektiver Substanzen erbracht werden.
KW  - Meeresschwämme
KW  - Strahlenpilze
KW  - Sekundärmetabolit
KW  - Actinomyceten
KW  - Biosynthese-Genclustern
KW  - neuer anti-infektiver Substanzen
KW  - actinomycetes
KW  - marine sponges
KW  - anti-infective
KW  - biosynthetic gene clusters
KW  - secondary metabolites
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-40463
ER  - 
TY  - THES
A1  - Abdelmohsen, Usama Ramadan
T1  - Antimicrobial Activities from Plant Cell Cultures and Marine Sponge-Associated Actinomycetes
T1  - Antimikrobielle Aktivitäten aus Pflanzenzellkulturen und marinen Schwamm-assoziierten Actinomyceten
N2  - This thesis is divided into three parts with the main goal allocating novel antimicrobial compounds that could be used as future antibiotics. The first part aimed to evaluate the potential of plant suspension cultures for the production of antimicrobial proteins. The extracellular, intracellular and cell wall bound fractions of seven heterotrophic and photomixotrophic plant cell suspension cultures treated with nine different elicitors were tested for the elicitor dependent production of antimicrobial proteins. Bioactivities were tested against a selected panel of human isolates including Gram-positive and Gram-negative bacteria as well as fungi using the disc diffusion assay. The intracellular fractions of elicited cell cultures were more active than extracellular fractions while the cell wall bound fractions showed lowest activities. Among the 21 fractions tested, the intracellular fraction of Lavendula angustifolia elicited with DC3000 was most active against Candida maltosa. The second most active fraction was the intracellular fraction of Arabidopsis thaliana elicited with salicylic acid which was moreover active against all test strains. The antimicrobial activity of elicited Arabidopsis thaliana cell cultures was tested by bioautography to locate the antimicrobial proteins in the crude extract. The intracellular fraction of photomixotrophic Arabidopsis thaliana cells elicited with salicylic acid was selected for further gel filtration chromatography on S-200 column leading to the purification of one 19 kDa antimicrobially active protein, designated, AtAMP. Our findings suggest that elicited plant cell cultures may present a new promising alternative source of antimicrobial proteins. The second part comprises the isolation of actinomycetes associated with marine sponges and testing the bioactivities of new species for further investigations. Actinobacterial communities of eleven taxonomically different sponges that had been collected from offshore Ras Mohamed (Egypt) and from Rovinj (Croatia) were investigated by a culture-based approach using different standard media for isolation of actinomycetes and media enriched with aqueous sponge extract to target rare and new actinomycete species. Phylogenetic characterization of 52 representative isolates out of 90 based on almost complete sequences of genes encoding 16S rRNA supported their assignment to 18 different actinomycete genera. Altogether 14 putatively new species were identified based on sequence similarity values below 98.2% to other strains in the NCBI database. The use of M1 agar amended with aqueous sponge extract yielded a putative new genus related to Rubrobacter which highlighting the need for innovative cultivation protocols. Biological activity testing showed that five isolates were active against Gram-positives only, one isolate was active against Candida albicans only and one isolate showed activity against both groups of pathogens. Moreover, the antiparasistic activity was documented for four isolates. These results showed a high diversity of actinomycetes associated with marine sponges as well as highlighted their potential to produce anti-infective agents. The third part of the thesis focused on the isolation and structure elucidation of new bioactive compounds. Streptomyces strain RV15 recovered from sponge Dysidea tupha, was selected for further chemical analysis by virtue of the fact that it exhibited the greatest antimicrobial potential against Staphylococcus aureus as well as Candida albicans among the all tested strains. Moreover, members of the genus Streptomyces are well known as prolific producers of interesting pharmacologically active metabolites. Chemical analysis of the methanolic crude extract using different chromatographic tools yielded four new compounds. The structures of the new compounds were spectroscopically elucidated to be four new cyclic peptides, namely, cyclodysidins A-D. Their bioactivity was tested against different proteases, bacteria and Candida as well as tumor cell lines. The compounds did not show any significant activities at this point.
N2  - Die hier vorliegende Dissertation ist in drei Kapitel gegliedert und hatte die Bereitstellung neuer antimikrobieller Substanzen, die zukünftig als Antibiotika genutzt werden könnten, zum Hauptziel. Das erste Kapitel befasst sich mit dem Potenzial von Pflanzen zur Produktion von Proteinen mit antimikrobieller Wirkung. Pflanzenzellkulturen wurden mit neun verschiedenen Induktoren stimuliert und anschließend auf die Produktion von Proteinen mit antimikrobieller Wirkung hin untersucht. Dafür wurden die extra-, intrazellulären sowie die membrangebundenen Proteinfraktionen von sieben heterotrophen und photomixotrophen Pflanzenzellkulturen extrahiert. Mittels Diffusionstests wurden die Wirkung der Proteine gegen eine Sammlung menschlicher Pathogene inklusive Gram-positiver und Gram-negativer Bakterien, sowie Pilze getestet. Die intrazellulären Fraktionen zeigten dabei höhere Aktivitäten als die extrazellulären, wohingegen die membrangebundenen Proteine die geringsten Aktivitäten aufwiesen. Von den insgesamt 21 getesteten Proteinfraktionen wies die mit DC3000 induzierte intrazelluläre Fraktion von Lavendula angustifolia die größte Wirkung gegen Candida maltosa auf. Die mit Salicylsäure induzierte intrazelluläre Proteinfraktion von Arabidopsis thaliana zeigte eine Hemmung aller getesteten pathogenen Stämme. Die antimikrobielle Aktivität der induzierten Arabidopsis thaliana-Zellkultur wurde mittels Bioautography weiter untersucht, um das wirksame Protein im Gesamt-(Roh-) extrakt einzugrenzen. Die intrazelluläre Fraktion der photomixotrophen Arabidopsis thaliana-Zellkultur wurde ausgewählt, um ein 19 kDa Protein mit antimikrobieller Wirkung, genannt AtAMP, mittels Gelfitrationschromatography über eine S-200 Säule aufzureinigen. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass induzierte Pflanzenzellkulturen zukünftig als aussichtsreiche alternative Quelle für antimikrobiell wirksame Proteine herangezogen werden können. Der zweite Teil dieser Dissertation beinhaltet die Isolation von mit marinen Schwämmen assoziierten Actinomyceten und deren Testung auf Bioaktivität. Aus 11 taxonomisch verschiedenen, an den Küsten von Ras Mohamed (Ägypten) und Rovinj (Kroatien) gesammelten Schwammspezies, wurden Actinobakterien auf verschiedenen Standardmedien kultiviert. Um seltene, neue Stämme zu isolieren, wurden diese Medien mit wässrigen Schwammextrakten angereichert. Die auf der 16S rRNA-Gensequenz basierenden phylogenetischen Charakterisierung von 52 der insgesamt 90 Isolate, zeigte die Zugehörigkeit zu 18 verschiedenen Actinomyceten-Gattungen. Die 16S rRNA-Gene von 14 Isolaten zeigten Homologien von weniger als 98,2% zu denen anderer in Datenbanken abgelegten Bakterien und stellen somit vermutlich neue Arten dar. Die Verwendung von mit Schwammextrakt angereichertem M1-Agar resultierte in der Kultivierung einer mutmaßlich neuen, mit Rubrobacter verwandten Gattung und bestätigt die Notwendigkeit der Entwicklung neuer innovativer Kultivierungsprotokolle. Aktivitätstests von fünf Isolaten zeigten deren hemmende Wirkung nur gegen Gram-positive Bakterien, ein Isolat zeigte Aktivität nur gegen Candida albicans und ein Isolat war wirksam gegen beide genannten Pathogengruppen. Desweiteren konnten antiparasitäre Wirkungen von vier Isolaten dokumentiert werden. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen die große Diversität von mit Schwämmen assoziierten Actinomyceten und deren Potential Antiinfektiva zu produzieren. Der dritte Teil dieser Arbeit fokussierte sich auf die Isolation und Strukturaufklärung neuer bioaktiver Substanzen. Streptomyceten sind bekannt für die Produktion von interessanten, pharmakologisch aktiven Metaboliten. Der aus dem Schwamm Dysidea tupha isolierte Stamm Streptomyces RV 15 zeigte eine hohe Aktivität gegen Staphylococcus aureus und C. albicans und wurde deshalb für nähere Untersuchungen ausgewählt. Die chemische Analyse des Methanol-Rohextrakts unter der Verwendung verschiedener Chromatographie-Verfahren resultierte in der Isolation von vier Substanzen. Die spektroskopische Analyse zeigte, dass diese neuen Substanzen zyklische Peptidstrukturen aufweisen und wurden daraufhin als Cyclodysidin A-D benannt. Die Bioaktivitäten dieser Substanzen wurden gegen verschiedene Proteasen, Bakterien und Candida sowie gegen verschiedene Tumorzelllinien getestet. Bis zum jetzigen Zeitpunkt zeigte keine der getesteten Peptide eine aussagekräftige Wirkung.
KW  - Antimikrobieller Wirkstoff
KW  - Pflanzenzelle
KW  - Zellkultur
KW  - Antimikrobielle Aktivitäten
KW  - Pflanzenzellkulturen
KW  - Proteinen mit antimikrobieller Wirkung
KW  - Actinomyceten
KW  - zyklische Peptide
KW  - Antimicrobial activities
KW  - Plant cell cultures
KW  - Antimicrobial proteins
KW  - Actinomycetes
KW  - Cyclic peptides
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51483
ER  -