Investigation of a deep-sea sediment-derived streptomyces coelicoflavus strain via genomic and metabolomic approaches

Οι θαλάσσιοι μικροοργανισμοί αποτελούν έναν βιολογικά πλούσιο αλλά συγκριτικά ανεξερεύνητο πόρο σε σχέση με τους χερσαίους ομόλογούς τους. Μεταξύ αυτών, το φύλο Actinomycetota κατέχει κεντρική θέση στην παραγωγή εξειδικευμένων (δευτερογενών) μεταβολιτών. Στο πλαίσιο αυτό, το γένος Streptomyces περιλαμβάνει μια ιδιαίτερα ποικιλόμορφη ομάδα Gram-θετικών βακτηρίων με σημαντικό βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον, λόγω της ικανότητάς τους να βιοσυνθέτουν δομικά και λειτουργικά ποικίλα φυσικά προϊόντα. Η παρούσα μελέτη αξιοποίησε ένα ολοκληρωμένο ερευνητικό πλαίσιο συνδυάζοντας γονιδιωματική εξόρυξη (genome mining), βελτιστοποιημένες στρατηγικές εκχύλισης, προηγμένες μεταβολομικές προσεγγίσεις και φασματοσκοπία NMR, με στόχο τη διερεύνηση του βιοσυνθετικού δυναμικού του στελέχους Streptomyces coelicoflavus IG2-10-27-079 απομονωμένου από βαθύ θαλάσσιο περιβάλλον, δίνοντας έμφαση στο υψηλής απόδοσης dereplication και στον χαρακτηρισμό δομικά πολύπλοκων χρωστικών. Η γονιδιωματική ανάλυση αποκάλυψε ένα εκτεταμένο εύρος βιοσυνθετικών γονιδιακών συστάδων (BGCs), συμπεριλαμβανομένων πολυκετιδικών συνθασών (PKS), μη-ριβοσωμικών πεπτιδικών συνθετασών (NRPS), καθώς και μονοπατιών σχετιζόμενων με τη βιοσύνθεση σιδηροφόρων και χρωστικών, αναδεικνύοντας τη μεταβολική ευελιξία του στελέχους. Οι μεταβολίτες εκχυλίστηκαν με τη χρήση ενός εξατομικευμένου πρωτοκόλλου υποβοηθούμενου από υπερήχους και κλασματώθηκαν ανάλογα με την πολικότητά τους σε άπολο (χλωροφορμικό) και πολικό (υδροαλκοολικό) κλάσμα. Το άπολο κλάσμα αναλύθηκε με GC–MS και χρωματογραφικές τεχνικές, οδηγώντας στην ανάπτυξη βελτιστοποιημένης μεθόδου 2D–TLC που επέτρεψε την μερική απομόνωση δύο τριπυρρολικών χρωστικών, της undecylprodigiosin και της streptorubin B. Ο δομικός χαρακτηρισμός μέσω 1D NMR επιβεβαίωσε την κατάταξή τους στην οικογένεια των χρωστικών της οικογένειας των prodigiosin’s. Πρόκειται για την πρώτη αναφορά των συγκεκριμένων ενώσεων στο είδος S. coelicoflavus, επεκτείνοντας το μέχρι πρότινος γνωστό προφίλ χρωστικών του είδους, το οποίο περιοριζόταν μόνο στην διπυρρολική coelicoflavucin. Το πολικό κλάσμα υποβλήθηκε σε χρωματογραφία μοριακού αποκλεισμού (Sephadex LH-20), και επιλεγμένα κλάσματα—βάσει δοκιμής FeCl₃ και απόδοσης—αναλύθηκαν μέσω προσέγγισης dereplication βασιζόμενης σε UHPLC–HRMS/MS και υποστηριζόμενης από υπολογιστικά εργαλεία φασματομετρίας μάζας (computational mass spectrometry). Η προσέγγιση feature-based και ion-identity molecular networking επέτρεψε την προσεγγιστική αναγνώριση γνωστών μεταβολιτών σε μεγάλη κλίμακα (large-scale metabolite annotation) και τη στοχευμένη ιεράρχηση διακριτών μοριακών χαρακτηριστικών (molecular features). Η εκτενής προσέγγιση dereplication του ενδομεταβολώματος αποκάλυψε ένα χημικά ποικιλόμορφο μεταβολικό χάρτη του στελέχους. Το μη πολικό κλάσμα χαρακτηρίζεται από λιπαρά οξέα, τερπενοειδή και prodiginine χρωστικές, ενώ το πολικό κλάσμα από πρωτογενείς μεταβολίτες και εξειδικευμένα φυσικά προϊόντα, όπως οργανικά οξέα και ενδιάμεσα προϊόντα του κεντρικού μεταβολισμού του άνθρακα, αμινοξέα και μικρά πεπτίδια, ινδολικά και άλλα αρωματικά παράγωγα, νουκλεοσίδια, βιταμίνες και συμπαράγοντες. Η στοχευμένη ανάλυση ανέδειξε κατηγορίες μεταβολιτών ιδιαίτερου ενδιαφέροντος, μεταξύ των οποίων υδροξαμικά σιδηροφόρα (desferrioxamines), καρβοξυλικά/φαινολικά σιδηροφόρα (παράγωγα σαλικυλικού οξέος, όπως η madurastatin B2) και α-πυρόνες (germicidins). Η τελευταία ομάδα παρείχε ποικίλα στοιχεία που υποδηλώνουν την ύπαρξη ενός προηγουμένως μη αναφερθέντος παραγώγου της germicidin. Συνολικά, η παρούσα εργασία αποτελεί την πρώτη συστηματική μεταβολομική διερεύνηση του είδους S. coelicoflavus. Δύο τριπυρρολικές χρωστικές προσδιορίστηκαν δομικά για πρώτη φορά από το άπολο ενδομεταβόλωμα, ενώ τριάντα ένας μεταβολίτες που δεν είχαν αναφερθεί προηγουμένως για το συγκεκριμένο είδος αναγνωρίστηκαν στο πολικό ενδομεταβόλωμα, συμπεριλαμβανομένου ενός πιθανού νέου ομολόγου της germicidin με δύο προπυλομάδες ως υποκατάστατες. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας επισημαίνουν τη σημασία της συνδυαστικής εφαρμογής γονιδιωματικών και μεταβολομικών προσεγγίσεων για τη διερεύνηση θαλάσσιων ακτινοβακτηρίων και υποστηρίζουν ότι το βακτηριακό ενδομεταβόλωμα αποτελεί σημαντική και συχνά όχι επαρκώς αξιοποιημένη πηγή χημικής ποικιλομορφίας.

Authors dc:creator

• ΓΚΟΥΡΓΙΩΤΗ ΣΠΥΡΙΔΟΥΛΑ
• GKOURGIOTI SPYRIDOULA

• Θετικές Επιστήμες
• Science

Language dc:language

English

Identifier

uoadl:5374926

OAI identifier oai:identifier

oai:lib.uoa.gr:uoadl:5374926