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Investigation into secondary metabolite biosynthesis by the bacteria Paenibacillus ssp. from Dendrobenia fruticosa and Crisia eburnea
Andrea Scheibenreif
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Diplomstudium Pharmazie
Betreuer*in
Sergey B. Zotchev
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16407.59367.556261-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Sekundärmetabolite (SM) sind ein permanentes Thema in der mikrobiologischen Forschung. Sie sind
eine vielversprechende Quelle für neue pharmazeutisch nutzbare Substanzen, wie beispielsweise
Antibiotika. Als Quellen für SM können Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen (Bakterien und Pilze)
verwendet werden.
Paenibacillus wurde in früheren Studien als eine Lipopeptid-produzierende Bakteriengattung
identifiziert. Polymyxine, cyclische Lipopeptidantibiotika, die aus diesen Bakterien isoliert und
erstmals 1947 entdeckt wurden, werden immer noch unter dem Namen Colistin
(Polymyxin E) in der Medizin verwendet. In der aktuellen Studie wurden Vertreter dieser
Bakteriengattung auf die Produktion von Verbindungen mit antimikrobiellen Aktivitäten untersucht.
Die verwendeten Paenibacillus-Stämme waren Isolate von zwei verschiedenen Bryozoa Arten, die
den marinen Invertebraten zugehören. Diese Meeresumwelt ist eine kaum erforschte Quelle für
neue Substanzen wie Antibiotika. Die Suche nach neuen Antibiotika ist notwendig, um gegen
resistente Bakterien zu kämpfen.
Um die Frage zu beantworten, ob die drei ausgewählten Paenibacillus-Isolate Antibiotika produzieren
können, wurde eine Screening-Methode verwendet. In diesem Fall wurde die Fermentation in
flüssigen Medien und die Extraktion mit einem Lösungsmittelgemisch durchgeführt. In Bezug auf ihre
ursprüngliche Umgebung erfolgte ein zusätzliches Screening unter Zugabe von Meerwasser.
Um das volle Potenzial der drei Stämme auszuschöpfen, wurden zwölf verschiedene
Kultivierungsmedien, mit und ohne Meerwasser, gescreent und Proben zu drei verschiedenen
Kultivierungszeiten entnommen.
Antibiotisch aktive Rohextrakte aller drei Stämme, im gleichen Medium kultiviert, wurden durch
Bioassay identifiziert. Nach der Fraktionierung unter Verwendung von HPLC und HR-MS bestand der
Fokus auf den Hauptpeaks der aktiven Fraktionen. Die chemischen Summenformeln für die
vermeintlichen aktiven Verbindungen wurden, unter Verwendung des auf exakten Massen
basierenden SmartFormula-Algorithmus, bestimmt. In der Datenbank „Dictionary of Natural
Products“ (DNP) wurden nach vermuteten Formeln gesucht und mehrere potenzielle Treffer
identifiziert, die noch durch NMR-Analyse einzelner gereinigter Substanzen bestätigt werden
müssen.
Als zweite Strategie zur Untersuchung des SM-Produktionspotentials der Paenibacillus-Isolate wurde
die Sequenzierung und Analyse des gesamten Genoms durchgeführt. 15 bis 19 mögliche
biosynthetische Gencluster wurden pro Isolat identifiziert, von denen einige für potentiell neue SM
kodieren. Diese Ergebnisse zeigen das ungenutzte Potential von Paenibacillus sp. Für die Produktion
neuer SMs müssen noch weitere Experimente durchgeführt werden, um stille biosynthetische
Gencluster zu aktivieren und die Strukturen der produzierten Verbindungen aufzuklären.
Abstract
(Englisch)
Secondary metabolites (SM) are a persistent topic in microbiology research. They are a promising
source for new pharmaceutically used substances, as for example antibiotics. As sources of SM,
animals, plants and microorganisms (bacteria and fungi) can be used.
Paenibacillus was found to be a lipopeptides-producing bacterial genus in previous studies.
Polymyxins, cyclic lipopeptide antibiotics isolated from these bacteria, were discovered in 1947, and
are still used in medicine under the name colistin (Polymyxin E). In the current study, representatives
of this bacterial genus were screened for production of compounds with anti-microbial activities. The
Paenibacillus strains used were isolates from two different Bryozoa, the marine invertebrates. This
marine environment is a barely explored origin for new substances such as antibiotics. The search for
new antibiotics is necessary to fight against resistant bacteria.
To answer the question, if three Paenibacillus isolates can produce antibiotics, a screening method
was used. In this case fermentation in liquid media and extraction with a mixture of solvents was
performed. Regarding to their original environment an additional screening with the addition of sea
water was tested.
To tap the full potential of the three strains twelve various cultivation media, with and without sea
water, were screened and samples were taken at three different cultivation times.
Antibiotically active crude extracts of all three strains in one media were identified through Bioassay,
and after fractionation analyzed by using HPLC and HR-MS focused on the main peaks of the active
fractions. The sum chemical formulae for the presumed active compounds were determined by using
SmartFormula algorithm based on exact masses. Putative formulae were searched within the
Dictionary of Natural Products database (DNP), and several potential hits were identified, which still
need to be confirmed by NMR analysis of single purified substances.
As the second strategy to explore the SM production potential of the Paenibacillus isolates, whole
genome sequencing and analysis were done. 15 to 19 possible biosynthetic gene clusters were
identified per isolate, some of them encoding for potentially new SMs. These results show the
untapped potential of Paenibacillus sp. to produce new SMs and further experiments have to be
performed to activate silent biosynthetic gene clusters and to elucidate the structures of the
produced compounds.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Paenibacillus secondary metabolites Bryozoa antibiotics
Schlagwörter
(Deutsch)
Paenibacillus Sekundärmetaboliten Bryozoa Antibiotika
Autor*innen
Andrea Scheibenreif
Haupttitel (Englisch)
Investigation into secondary metabolite biosynthesis by the bacteria Paenibacillus ssp. from Dendrobenia fruticosa and Crisia eburnea
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung der Biosynthese von Sekundärmetaboliten durch die Bakterien Paenibacillus ssp. von Dendrobenia fruticosa und Crisia eburnea
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
79 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Sergey B. Zotchev
AC Nummer
AC15010050
Utheses ID
45200
Studienkennzahl
UA | 449 | | |