Cyanobacterial bioactive compounds: biosynthesis, evolution, structure and bioactivity

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1114-2
Title: Cyanobacterial bioactive compounds: biosynthesis, evolution, structure and bioactivity
Author: Shishido Joutsen, Tânia Keiko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of Microbiology and Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-05-22
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1114-2
http://hdl.handle.net/10138/154414
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cyanobacteria have a long evolutionary history, dating back to 3500 million years ago. They are an ancient lineage of photosynthetic bacteria that contribute to global nitrogen and carbon cycles. Cyanobacteria can be found in diverse environments, from aquatic to terrestrial systems, with specimens detected and isolated from geothermal, hypersaline, polar and desert regions. Cyanobacteria are infamous for the production of toxins such as microcystin, cylindrospermopsin, saxitoxin and anatoxin-a. However, many different types of cyanobacterial compounds with e.g. antibacterial, antifungal, anticancer, antiviral and antiprotozoal activity have also been found. This study aimed at investigating the evolution, biosynthesis, chemical variety and antifungal activity of cyanobacterial compounds. The results indicate that distantly related cyanobacteria converged on the ability to produce a rare variant of microcystin. Microcystins are commonly produced by cyanobacteria during blooms, but have recently also been found in benthic and lichen-associated cyanobacteria. A benthic, a lichen-associated cyanobacterium and two planktonic strains were shown to produce [D-Leu1] microcystin-LR. Bioinformatic analyses indicated that different evolutionary events, i.e. point mutations and gene conversion, were involved in this convergent evolution. Over 400 cyanobacterial strains were screened for the production of antifungal compounds. Genome mining allowed the discovery of the biosynthetic genes involved in the synthesis of the antifungal compounds hassallidin and anabaenolysin. Anabaena sp. SYKE748A produced more than 40 glycolipopeptide hassallidins in addition to the two main variants. Hassallidins were also identified from Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Nostoc and Tolypothrix species. The lipopeptides anabaenolysins were detected only in Anabaena strains. New variants of anabaenolysins C and D were chemically characterized. The antifungal activity of hassallidin D and anabaenolysin B were investigated through disc diffusion and microdilution bioassays. Synergistic antifungal activity was surprisingly observed through the production of anabaenolysin and cyclodextrins by Anabaena strains. The macrolide scytophycin was identified from Anabaena strains in this study, the first report of scytophycin from this genus. In addition, Nostoc and Scytonema strains from benthic habitats in the Finnish coastal area in the Baltic Sea were found to produce scytophycins. Unidentified antifungal compounds from the strains Fischerella sp. CENA 298, Scytonema hofmanni PCC 7110 and Nostoc sp. N107.3 were detected in the present study. Further chemical characterizations of these compounds are needed. Cyanobacteria are a prolific source for bioactive compounds, which could be toxic or potentially new drug leads. In this study, we show evidence of cyanobacterial biosynthetic genes and their evolution. We also detected new variants of the cyanobacterial compounds and their bioactivity. Furthermore, this study showed the potential of utilizing cyanobacteria for drug discovery.Syanobakteerien evolutiivinen historia kattaa kolme ja puoli miljardia vuotta maapallon olemassaolosta. Nämä fotosynteettiset bakteerit ovat vuosituhansien ajan edesauttaneet elämää toimimalla typen ja hiilen kierrättäjinä luonnossa. Syanobakteereja esiintyy mitä moninaisimmissa elinympäristöissä niin vesi- kuin maaekosysteemeissä. Joitain lajeja on havaittu ja eristetty elämän kannalta ääriolosuhteista suolajärvistä, napaseuduilta, aavikoilta ja maankuoren geotermisen lämmön synnyttämistä kuumista lähteistä. Syanobakteerit ovat pahamaineisia tuottamiensa toksiinien johdosta. Tällaisia ovat esimerkiksi mikrokystiini, sylindrospermopsiini, saksitoksiini ja anatoksiini-a. Syanobakteerien on havaittu tuottavan muitakin yhdisteitä kuin toksiineja. Nämä yhdisteet tappavat ja estävät esimerkiksi bakteerien, sienien, syöpäsolujen, viruksien ja alkueläimien lisääntymistä ja toimintaa. Tämän työn tavoite on tutkia syanobakteerien tuottamien yhdisteiden evoluutiota, biosynteesiä, kemiallista vaihtelua ja antifungaalista aktiivisuutta. Tulokset viittaavat siihen, että kaukaista sukua toisilleen olevat syanobakteerit ovat itsenäisesti, toisista erillään kehittäneet kyvyn tuottaa samaa mikrokystiinin harvinaista muotoa. Veden pintakerroksien planktiset syanobakteerit tuottavat mikrokystiiniä tavallisesti massaesiintymien aikana. Mikrokystiinejä on löydetty myös jäkälien symbioottisista ja vesistöjen pohjalla elävistä benttisistä syanobakteereista. Yhden, jäkälän kanssa symbionttisen, yhden benttisen sekä kahden planktisen syanobakteerikannan osoitettiin tuottavan [D-Leu1] mikrokystiini-LR:ää. Bioinformatiikka analyysit ilmaisivat, että syanobakteerien erilaisissa elinolosuhteissa syntynyt kyky tuottaa mikrokystiiniä on seurausta evolutionaarisista muutoksista esimerkiksi pistemutaation ja muun geenien muuntumisen kautta. Antifungaalisia yhdisteitä tuottavien syanobakteerien löytämiseksi tutkittiin yli 400 kantaa. Geenien analysointi paljasti biosynteesigeenit, jotka ovat vastuussa antifungaalisten yhdisteiden hassalidiinin ja anabaenolysiinin tuotannosta. Kahden päävariantin lisäksi Anabaena sp. SYKE748A tuotti yli 40 glykolipopeptidi hassallidiiniä. Hassalidiinejä tunnistettiin myös Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Nostoc ja Tolypothrix -lajeista. Lipopeptidi anabaenolysiinejä löydettiin vain Anabaena -kannoista. Kemiallisesti kuvattiin uudet anabaenolysiinit C ja D. Hassallidiini D:n ja anabaenolysiini B:n antifungaalista aktiivisuutta tutkittiin kiekkodiffuusio- ja mikrolaimennusbiotestimenetelmillä. Yllättäen Anabaena-kantojen havaittiin tuottavan samanaikaisesti sekä anabaenolysiiniä ja syklodekstriiniä ja jälkimmäisen havaittiin lisäävän anabaenolysiinin antifungaalista aktiivisuutta synergistisesti. Tutkimuksessa tunnistettiin ensimmäisen kerran Anabaena -suvun kannoista makroliidi skytofysiiniä. Lisäksi Itämerellä, Suomen rannikon benttisten Nostoc ja Scytonema -kantojen havaittiin tuottavan skytofysiiniä. Tutkimuksessa löydettiin myös tuntemattomia antifungaalisia yhdisteitä Fischerella sp. CENA 298, Scytonema hofmanni PCC 7110 ja Nostoc sp. N107.3 kannoista. Näiden yhdisteiden tarkempi tunnistaminen vaatii lisätutkimuksia. Syanobakteereista on löydetty runsaasti bioaktiivisia yhdisteitä, jotka ovat myrkyllisiä, mutta myös yhdisteitä joita voidaan mahdollisesti käyttää lääkkeiden lähteinä. Tässä tutkimuksessa tuotettiin uutta tietoa syanobakteerien biosynteesigeeneistä ja niiden evoluutiosta. Tutkimuksessa tuli esiin myös uusia syanobakteerien tuottamia yhdisteitä ja bioaktiivisuuksia. Lisäksi tutkimuksesta käy ilmi, kuinka syanobakteereja on mahdollista käyttää hyväksi uusien lääkkeiden löytämisessä.
Subject: microbiology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
cyanobac.pdf 5.357Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record