Insights into genetic and biosynthetic diversity of cyanobacteria through multi-omics analyses

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7665-3
Title: Insights into genetic and biosynthetic diversity of cyanobacteria through multi-omics analyses
Author: Vicentini Popin, Rafael
Other contributor: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Microbiology and Biotechnology
Mikrobiologian ja biotekniikan tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i mikrobiologi och bioteknik
Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-11-24
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae. Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7665-3
http://hdl.handle.net/10138/335910
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cyanobacteria are one of the largest and most diverse groups of prokaryotes, and the only prokaryotes capable of oxygenic photosynthesis. They inhabit a wide variety of aquatic and terrestrial light-exposed environments, where they are key players in carbon and nitrogen cycles. These organisms show vast morphological and physiological diversity, and can achieve high densities under optimal conditions due to several adaptive strategies. Such mass-accumulation events are also known as cyanobacterial blooms. One of the major concerns involving cyanobacterial blooms is the production of potent toxins that can not only negatively affect the growth of phyto/zooplankton, but are also toxic to domestic and wild animals. Aside from toxins, cyanobacteria are known for producing a wide range of natural products, i.e., compounds with unique structure and biological activities, which can have applications in medicine and biotechnology, such as antibiotics, anticancer agents, polymers, and surfactants. The enzymes involved in the biosynthesis of cyanobacterial natural products are typically encoded in contiguous stretches of genomic DNA, known as biosynthetic gene clusters. These natural product biosynthetic gene clusters have been widely explored using genome mining approaches. However, other omics tools can considerably assist the study of biosynthetic pathways and improve predictions of the chemical structures of the compounds they encode. Despite the increasing number of new genomes and described natural products, cyanobacteria remain underexplored relative to other bacteria phyla. Thus, the aim of this thesis is to expand the knowledge on genetic diversity and the natural product biosynthetic potential of cyanobacteria using multi-omic approaches. Specifically, the distribution of natural product biosynthetic gene clusters from 184 publicly available genomes from the entire phylum were first mapped, and environmental adaptations and natural products from two toxic bloom-forming genera were explored in depth. In addition, diverse cyanobacteria from Brazilian biomes were screened for antimicrobial and anticancer activity. Overall, this thesis showed that combined omic approaches are capable of providing critical insights into the genetic and biosynthetic diversity of cyanobacteria. The results advance our understanding of how natural product biosynthetic gene clusters move among cyanobacterial genomes, and how environmental factors are related to toxin production, and also identified cyanobacteria that are the source of novel natural products. This knowledge is important in preventing damage caused by toxic bloom-forming cyanobacteria, and in the discovery of novel natural products with economic interest.Syanobakteerit ovat yksi suurimmista ja monimuotoisimmista prokaryoottiryhmistä ja ainoita happea tuottavaan fotosynteesiin pystyviä prokaryootteja. Ne elävät monenlaisissa valolle altistuvissa vesi- ja maaympäristöissä ja ovat keskeisiä tekijöitä hiilen ja typen kierrossa. Syanobakteerien morfologinen ja fysiologinen variaatio on suurta ja optimaalisissa olosuhteissa ne voivat saavuttaa hyvin suuren kasvutiheyden useiden mukautumisstrategioidensa ansiosta. Näitä massaesiintymiä kutsutaan syanobakteerikukinnoiksi ja niihin liittyy huoli syanobakteerien tuottamista toksiineista, jotka ovat haitallisia paitsi kasvi- ja eläinplantonille myös koti- ja villieläimille. Toksiinien lisäksi syanobakteerit tuottavat monia luonnonaineita, joita voidaan hyödyntää lääketieteen ja biotekniikan sovelluksissa esimerkiksi antibioottien, syöpälääkkeiden, polymeerien tai pinta-aktiivisten aineiden kehityksessä. Syanobakteerien luonnonaineiden tuottoon osallistuvia entsyymejä koodaavat geenit ovat tyypillisesti järjestäytyneet genomiin peräkkäin biosynteesigeeniklustereiksi. Luonnonaineiden biosynteesigeeniklustereita etsitään yleisesti genomilouhintaa (genome mining) käyttäen, mutta myös muista omiikkamenetelmistä voi olla huomattavaa apua biosynteesireittien tutkimisessa ja niiden koodaamien yhdisteiden kemiallisten rakenteiden ennustamisessa. Vaikka uusien genomien ja kuvattujen luonnonaineiden määrä koko ajan kasvaa, syanobakteereissa on edelleen enemmän tutkimatonta potentiaalia verrattuna muihin bakteerifyyliin. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on lisätä syanobakteerien geneettisen monimuotoisuuden ja luonnonaineiden tuottopotentiaalin tuntemusta useita omiikkamenetelmiä yhdistäen. 184 julkisesti saatavilla olevan syanobakteerigenomin luonnonaineiden biosynteesigeeniklustereiden esiintyminen koko fyylassa kartoitettiin, kahden toksisen kukintoja muodostavan suvun luonnonaineita ja ympäristömukautumismekanismeja tarkasteltiin ja brasilialaisista biomeista peräisin olevista monimuotoisista syanobakteereista seulottiin antimikrobisia ja syöpäsoluja tuhoavia aktiivisuuksia. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että yhdistämällä omiikkamenetelmiä voidaan saada uutta tietoa syanobakteerien geneettisestä ja biosynteettisestä monimuotoisuudesta. Nämä tulokset auttavat ymmärtämään, miten luonnonaineiden biosynteesigeeniklusterit liikkuvat syanobakteerien joukossa, miten ympäristötekijät vaikuttavat toksiinien tuottoon. Tunnistimme myös luonnonaineita tuottavia syanobakteereja. Tämä informaatio on tärkeää toksisten kukintoja aiheuttavien syanobakteerien aiheuttamien haittojen ehkäisyssä ja uusien taloudellisesti kiinnostavien luonnonaineiden löytämisessä.
Subject: Microbiology and Biotechnology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
vicentini_popin_rafael_dissertation_2021.pdf 3.839Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record