A crescente resistência dos micro-organismos patogênicos aos fármacos já existentes gera intensa demanda por novos agentes terapêuticos. Em contrapartida, a eficiência na descoberta de compostos com novas estruturas químicas diminuiu nos últimos anos. Tendo em vista a vasta biodiversidade existente de micro-organismos, a redução da eficiência na descoberta de novos produtos naturais não indica que todos compostos existentes já foram descritos, mas sim que as metodologias para isolamento dos mesmos devem ser aperfeiçoadas e diversificadas, e novos nichos devem ser explorados. Esta tese compreende três capítulos, que trazem abordagens que podem ser utilizadas na busca por produtos naturais. O capítulo 1 aborda a aplicação de conhecimentos de biologia molecular na pesquisa de produtos naturais, através da metagenômica. O capítulo 2 aborda o conceito de química ecológica para estimular o metabolismo secundário, através da utilização de interações microbianas. O capítulo 3 aborda o uso de genome mining para entender a capacidade metabólica de uma linhagem bacteriana, bem como o uso de variações nos parâmetros da cultura para alterar o metabolismo desta. Metagenômica: a triagem anti-parasitária das bibliotecas metagenômicas detectou clones bioativos contra Leishmania major. As análises químicas e biológicas das culturas destes clones não permitiram a identificação dos compostos responsáveis pelas atividades observadas. Esta abordagem apresenta grandes desafios técnicos e tem passado por ajustes envolvendo sequenciamento e bioinformática para aumentar a taxa de sucesso em seu uso. Interações microbianas: esta metodologia mostrou-se promissora para a busca por compostos bioativos, tendo em vista que diversos pares exibiram nova atividade antibiótica, corroborando a hipótese que interações microbianas podem levar à expressão diferenciada do metabolismo secundário. Foi escolhida para caracterização química e biológica a interação entre uma actinobactéria rara (Krasilnikovia sp. T082) e uma actinobactéria endossimbionte de besouro (Streptomyces sp. SPB78). Esta interação é robusta e estimula a biossíntese de um antibiótico polar capaz de inibir o crescimento de uma bactéria multirresistente. Diversas técnicas foram testadas para o isolamento do composto indutor e do antibiótico induzido. Este processo foi desafiador devido ao caráter polar de ambos compostos e pelo fato da atividade antibiótica ser instável. Foi demonstrado que o antibiótico induzido é capaz de inibir o crescimento do micro-organismo indutor, sugerindo importância ecológica deste composto. A utilização desta abordagem metodológica permitiu a identificação de uma linhagem pertencente a um gênero de actinobactéria rara que nunca teve seu metabolismo secundário estudado (Krasilnikovia). Isto foi realizado através da investigação de seu genoma e também através do isolamento de compostos produzidos por esta linhagem. Esta linhagem demonstrou potencial para a produção de metabólitos secundários, apresentando pelo menos 21 potenciais clusters gênicos biossintéticos detectados pelo antiSMASH em seu genoma. Esta linhagem foi cultivada em dois meios de cultura (ISP2 e TSB) e diferentes metodologias de extração foram empregadas. O metabolismo secundário desta linhagem é expresso de maneira diferente de acordo com a metodologia de cultivo, evidenciando a importância da variação da composição do meio de cultura para o acesso da real capacidade metabólica de microorganismos. Foram identificadas algumas dicetopiperazinas, que são conhecidas por seu amplo espectro de atividades biológicas, e três compostos pertencentes a uma classe de peptídeos nãoribossomais não usuais com atividade antibiótica, que possuem estrutura química complexa e incomum para produtos naturais / Increasing drug resistance among microbial pathogens is a public health threat; therefore, new antibiotics are needed. On the other hand, the rate of discovering new compounds has diminished. Considering the wide biodiversity of microorganisms, reduced efficiency on the discovery of new natural products does not indicate that all existing compounds have been described, but that methods for isolation should be improved and diversified and new niches should be explored. This thesis comprises three chapters that demonstrate approaches that can be used in the search for natural products. Chapter 1 demonstrates the application of molecular biology tools on the search for natural products through metagenomics. Chapter 2 discusses the concept of chemical ecology for the stimulation of secondary metabolism by the use of microbial interactions. Chapter 3 discusses the use of genome mining to understand the metabolic capacity of a bacterial strain as well as the use of different culture parameters to alter bacterial metabolism. The anti-parasitic metagenomic screening on metagenomic libraries detected bioactive clones against L. major. Chemical and biological analysis of cultures of these clones did not permit identifying the compounds responsible for the observed activities. This approach faces diverse technical challenges and is currently being improved by the use of sequencing and bioinformatics analysis in order to increase its hit rate. Microbial interactions: this approach has shown to be promising in the search for bioactive compounds, considering that several pairs exhibited new antibiotic activity, supporting the hypothesis that microbial interactions can stimulate differential expression of secondary metabolism. It was chosen for chemical and biological characterization the interaction between a rare actinobacteria (Krasilnikovia sp. T082), which belongs to a genus that its secondary metabolism has not yet been studied in the literature, and an endosymbiont actinobacteria of beetle (Streptomyces sp. SPB78). This interaction is robust and stimulates the biosynthesis of a polar antibiotic capable of inhibiting the growth of multi-resistant bacteria. Several techniques have been tested for the isolation process of the inducer compound and the induced antibiotic. This process has been particularly challenging due to the polar character of both compounds, and because the antibiotic activity is unstable. It has been shown that the induced antibiotic is capable of inhibiting the growth of the inducer microorganism, suggesting an ecological importance of this compound. The use of this co-culture approach led to the identification of a strain belonging to a rare actinobacteria genus whose secondary metabolism has never been studied before (Krasilnikovia). This was accomplished through sequencing and analysis of its genome and also by isolating compounds produced by this strain (chapter 3). This strain has shown great potential for the production of secondary metabolites, exhibiting at least 21 biosynthetic gene clusters detected by antiSMASH in its genome, and only four of them showed high similarity to any known gene cluster. This strain was cultured in two different culture media (ISP2 and TSB), and different methods of extraction were used. The secondary metabolism of this strain is expressed differently according to the method of cultivation, showing the importance of variation in the composition of the culture medium to access the actual metabolic capacity of microorganisms. Some diketopiperazine were isolated, which are known for their wide spectrum of biological activities, and also three compounds belonging to a class of non-ribosomal peptides known for their high bioactivity, which have complex and unusual chemical structures for natural products

Burkholderia seminalis tem sido encontrada tanto em interações patogênicas, quanto não patogênicas. O gene wcbE codifica uma glicosiltransferase e pertence ao cluster wcb, que está relacionado à síntese de cápsula. O objetivo deste trabalho foi investigar o papel do gene wcbE e da temperatura nas interações microbianas de B. seminalis TC3.4.2R3. A produção de biofilme, EPS e compostos antifúngicos foi maior a 28 ºC. Por outro lado, a motilidade, virulência e respostas ao estresse foram maiores a 37 ºC. wcbE produziu menos biofilme que WT e foi atenuada em G. mellonella a 37 ºC, destacando a importância da glicosiltransferase na patogênese. Além disso, wcbE perdeu a habilidade de inibir fungos fitopatogênicos. Embora B. seminalis seja um membro do Bcc, é eficiente contra patógenos clínicos e ambientais, indicando que esta linhagem pode ter interações múltiplas no ambiente. A temperatura e o gene de glicosiltransferase desempenharam um papel crucial nas interações ambientais de B. seminalis TC3.4.2R3. / Burkholderia seminalis has been found in both pathogenic and nonpathogenic interactions. The wcbE gene encodes a glycosyltransferase and belongs to the wcb cluster, which is related to capsule synthesis. The aim of this work was to investigate the role of the wcbE gene and temperature in the microbial interactions of B. seminalis TC3.4.2R3. The production of biofilm, EPS and antifungal compounds was higher at 28 ºC. On the other hand, the motility, virulence and stress responses were higher at 37 ° C. wcbE produced less biofilm than WT and was attenuated in G. mellonella at 37 ° C, highlighting the importance of glycosyltransferase in the pathogenesis. Furthermore, wcbE lost the ability to inhibit phytopathogenic fungi. Although B. seminalis is a member of Bcc, it is effective against clinical and environmental pathogens, indicating that this strain may have multiple interactions in the environment. The temperature and the glycosyltransferase gene played a crucial role in the environmental interactions of B. seminalis TC3.4.2R3.

In order to continue with the study of natural products from previously isolated endophytes of the Brazilian medicinal plant Lychnophora ericoides, the main goal of this work focused on the metabolic exchange of endophytic microorganisms from this plant. As it has been demonstrated during the last years, elicitation of different molecules is consequence of microbial interactions, mainly due to the need to compete, survive and establish microbial communities in shared environments. Recent mass spectrometry related approaches, such as imaging and molecular networking, in combination with purification and structural elucidation were applied to the current study of the microbial interactions of endophytes. During this study, several chemical families were identified, such as polyene macrocycles, pyrroloindole alkaloids, leupeptins, angucyclines, siderophores, amongst others. Amongst the polyene macrocycles, the well-known antifungal amphotericin B was identified as a biosynthetic product of the endophytic actinobacteria Streptomyces albospinus RLe7. When S. albospinus RLe7 interacted with an endophytic fungus, Coniochaeta sp. FLe4, a red pigmentation was observed. A new fungal compound was detected from microbial interactions. Isolation and structure elucidation of this new compound enabled to demonstrate the elicitation of fungal secondary metabolites by amphotericin B, an actinobacterial metabolite. It was also demonstrated the elicitation of griseofulvin and its analogue dechlorogriseofulvin from another endophytic fungus, FLe9, as a consequence of exposition to amphotericin B. In addition, investigation of the chemical profile of another endophytic actinobacteria, S. mobaraensis RLe3, led to reveal this strain as angucycline-derivatives producer. Besides that, coculturing of this actinobacteria against Coniochaeta sp. FLe4 also demonstrated elicitation of angucycline analogues. In conclusion, this study demonstrated elicitation of natural products from microbial interactions as well as new compounds from endophytes from L. ericoides and contributed to the identification of microbial metabolites / Com o propósito de continuar com os estudos de produtos naturais de microorganismos endofíticos da planta medicinal Brasileira Lychnophora ericoides, o principal objetivo desse trabalho focou-se no estudo da troca metabólica de microorganismos endofíticos dessa planta. Como tem sido demonstrado durante os últimos anos, a elicitação de diferentes compostos é consequência das interações microbianas, principalmente devido à necessidade de competir, sobreviver e estabelecer comunidades microbianas em diversos ambientes naturais. Abordagens recentes de espectrometria de massas, tais como imageamento e molecular networking, junto com purificação e elucidação estrutural foram aplicadas durante o estudo de interações microbianas de endofíticos. Durante este estudo, várias classes químicas foram identificadas, tais como polienos macrocíclicos, alcaloides pirroloindólicos, leupeptinas, anguciclinas, sideróforos, entre outras. Da classe química de polienos macrocíclicos, foi identificada a anfotericina B como produto da biossíntese da actinobactéria endofítica Streptomyces albospinus RLe7. Durante a interação da S. albospinus RLe7 com o fungo endofítico Coniochaeta sp. FLe4, uma pigmentação vermelha foi observada. Um novo composto de origem fúngica foi detectado a partir de interações microbianas. O isolamento e posterior elucidação estrutural do novo composto permitiu demonstrar a eliciação de metabólitos secundários fúngicos pela anfotericina B, metabólito da actinobactéria S. albospinus RLe7. Foi também demonstrada a eliciação de griseofulvina e desclorogriseofulvina a partir de outro fungo endofítico, FLe9, como consequência da exposição à anfotericina B. Adicionalmente, a investigação do perfil químico de outra actinobactéria endofítica, S. mobaraensis RLe3, evidenciou essa linhagem como produtora de compostos da classe das anguciclinas. Além disso, o cocultivo dessa actinobacteria com o fungo endofítico Coniochaeta sp. FLe4 também eliciou análogos de anguciclinas. Em conclusão, neste estudo demonstrou-se a elicitação de produtos naturais a partir das interações microbianas assim como de novos compostos de endofíticos de L. ericoides e contribuiu-se com a identificação de metabólitos microbianos

Nostoc é um gênero cianobacteriano com distribuição ubíqua que tem importância em diversos ecossistemas. Contudo, poucos genomas estão atualmente disponíveis para esse gênero. Enquanto Nostoc spp. são as cianobactérias mais comumente relatadas em relações simbióticas com fungos, animais, plantas e outros organismos, associações com outros micro organismos não receberam atenção similar. Como consequência das fortes interações entre cianobactérias e heterótrofos, culturas não axênicas são geralmente obtidas no isolamento dessas bactérias, o que proporciona uma oportunidade interessante para o desenvolvimento tanto de estudos genômicos quanto metagenômicos. Este trabalho teve como objetivo investigar as características genômicas e funcionais da linhagem Nostoc sp. CENA67, isolada de terra preta antropogênica, bem como estudar sua comunidade associada. Para esse fim, células de uma cultura não axênica de Nostoc sp. CENA67 foram sequenciadas com as plataformas MiSeq e Ion PGM e analisados com ferramentas genômicas e metagenômicas. A linhagem CENA67 de fato pertence à família Nostocaceae e possui algumas características em comum com cianobactérias do gênero Nostoc, porém diverge em certos aspectos morfológicos e filogenéticos do grupo típico de Nostoc, sugerindo que seja representante de um novo táxon. Além disso, seu genoma apresenta diferenças em relação aos genomas atualmente disponíveis para cianobactérias relacionadas ao gênero. A mineração desse genoma revelou 31 agrupamentos gênicos hipoteticamente relacionados à síntese de metabólitos secundários, a maioria dos quais não mostrou similaridade significativa com agrupamentos conhecidos. A análise de um agrupamento gênico de microviridina desvendou uma maior diversidade de genes para precursores dessa molécula do que se acreditava anteriormente, sugerindo que um número considerável de variantes ainda está a ser descoberta. A análise taxonômica da comunidade associada confirmou a dominância de cianobactérias na cultura, mas também revelou a presença de grande número de gêneros microbianos que normalmente são capazes de fixar nitrogênio atmosférico e estabelecer simbiose com plantas, incluindo Mesorhizobium, Sinorhizobium e Starkeya, entre outros. Rascunhos genômicos foram obtidos para Bradyrhizobium diazoefficiens, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia lata e Hyphomicrobium nitrativorans. Todavia, genes para fixação de nitrogênio não foram detectados nesses genomas, apesar de serem encontrados no genoma da cianobactéria e no metagenoma da comunidade, o que sugere que algumas populações podem estar sob pressão de seleção para a perda da capacidade de fixação de nitrogênio, provavelmente devido a este nutriente estar sendo fornecido pelo organismo mais abundante nesta comunidade, a cianobactéria. A análise funcional indicou vias exclusivas tanto à cianobactéria quanto à comunidade associada, e sugeriu a complementariedade de certos metabolismos. Os resultados possibilitam o aumento do conhecimento sobre a diversidade molecular e química do filo Cyanobacteria e levantam possíveis interações com micro organismos simbiontes / Nostoc is a cyanobacterial genus with ubiquitous distribution that is important in several ecosystems. However, few genomes are currently available for this genus. While Nostoc spp. are the most commonly reported cyanobacteria in symbiotic relationship with fungi, animals, plants, and other organisms, associations with other microorganisms have not received similar attention. As a consequence of tight interactions between cyanobacteria and heterotrophs, non-axenic cultures are usually achieved in the isolation of these bacteria, which provides an interesting opportunity for carrying out both genomic as metagenomic studies. This work aimed to investigate the genomic and functional characteristics of the strain Nostoc sp. CENA67, isolated from anthropogenic dark earth, and to study its associated community. For this purpose, cells from a non-axenic culture of Nostoc sp. CENA67 were sequenced with the platforms MiSeq and Ion PGM and analyzed with genomic and metagenomic tools. The strain CENA67 indeed belongs to the family Nostocaceae and presents some characteristics in common with cyanobacteria of the genus Nostoc, but diverges in certain morphological and phylogenetic aspects of the typical Nostoc group, suggesting that it is a representative of a new taxon. In addition, its genome presents differences in relation to the genomes currently available for cyanobacteria related to this genus. Genome mining revealed 31 gene clusters hypothetically related to the synthesis of secondary metabolites, most of which did not show significant similarity to known clusters. The analysis of a microviridin gene cluster unveiled a larger diversity of precursor genes for this molecule than was previously believed, suggesting that a considerable number of variants is still to be found. The taxonomic analysis of the associated community confirmed the dominance of cyanobacteria in the culture, but also revealed the presence of a great number of microbial genera that are usually capable of fixing atmospheric nitrogen and establishing symbiosis with plants, including Mesorhizobium, Sinorhizobium, and Starkeya, among others. Genomic drafts were obtained for Bradyrhizobium diazoefficiens, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia lata, and Hyphomicrobium nitrativorans. Nevertheless, genes for nitrogen fixation were not detected in these genomes, despite being found in the cyanobacterial genome and the community metagenome, suggesting that some populations might be under selection pressure for the loss of the ability to fix nitrogen, probably due to this nutrient being provided for the most abundant organism in this culture, the cyanobacterium. Functional analysis indicated pathways exclusive both to the cyanobacterium as to the associated community, and suggested the complementarity of certain metabolisms. The results allow the increase of the knowledge about the molecular and chemical diversity of the phylum Cyanobacteria and raise possible interactions with symbiotic microorganisms

Nostoc é um gênero cianobacteriano com distribuição ubíqua que tem importância em diversos ecossistemas. Contudo, poucos genomas estão atualmente disponíveis para esse gênero. Enquanto Nostoc spp. são as cianobactérias mais comumente relatadas em relações simbióticas com fungos, animais, plantas e outros organismos, associações com outros micro organismos não receberam atenção similar. Como consequência das fortes interações entre cianobactérias e heterótrofos, culturas não axênicas são geralmente obtidas no isolamento dessas bactérias, o que proporciona uma oportunidade interessante para o desenvolvimento tanto de estudos genômicos quanto metagenômicos. Este trabalho teve como objetivo investigar as características genômicas e funcionais da linhagem Nostoc sp. CENA67, isolada de terra preta antropogênica, bem como estudar sua comunidade associada. Para esse fim, células de uma cultura não axênica de Nostoc sp. CENA67 foram sequenciadas com as plataformas MiSeq e Ion PGM e analisados com ferramentas genômicas e metagenômicas. A linhagem CENA67 de fato pertence à família Nostocaceae e possui algumas características em comum com cianobactérias do gênero Nostoc, porém diverge em certos aspectos morfológicos e filogenéticos do grupo típico de Nostoc, sugerindo que seja representante de um novo táxon. Além disso, seu genoma apresenta diferenças em relação aos genomas atualmente disponíveis para cianobactérias relacionadas ao gênero. A mineração desse genoma revelou 31 agrupamentos gênicos hipoteticamente relacionados à síntese de metabólitos secundários, a maioria dos quais não mostrou similaridade significativa com agrupamentos conhecidos. A análise de um agrupamento gênico de microviridina desvendou uma maior diversidade de genes para precursores dessa molécula do que se acreditava anteriormente, sugerindo que um número considerável de variantes ainda está a ser descoberta. A análise taxonômica da comunidade associada confirmou a dominância de cianobactérias na cultura, mas também revelou a presença de grande número de gêneros microbianos que normalmente são capazes de fixar nitrogênio atmosférico e estabelecer simbiose com plantas, incluindo Mesorhizobium, Sinorhizobium e Starkeya, entre outros. Rascunhos genômicos foram obtidos para Bradyrhizobium diazoefficiens, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia lata e Hyphomicrobium nitrativorans. Todavia, genes para fixação de nitrogênio não foram detectados nesses genomas, apesar de serem encontrados no genoma da cianobactéria e no metagenoma da comunidade, o que sugere que algumas populações podem estar sob pressão de seleção para a perda da capacidade de fixação de nitrogênio, provavelmente devido a este nutriente estar sendo fornecido pelo organismo mais abundante nesta comunidade, a cianobactéria. A análise funcional indicou vias exclusivas tanto à cianobactéria quanto à comunidade associada, e sugeriu a complementariedade de certos metabolismos. Os resultados possibilitam o aumento do conhecimento sobre a diversidade molecular e química do filo Cyanobacteria e levantam possíveis interações com micro organismos simbiontes / Nostoc is a cyanobacterial genus with ubiquitous distribution that is important in several ecosystems. However, few genomes are currently available for this genus. While Nostoc spp. are the most commonly reported cyanobacteria in symbiotic relationship with fungi, animals, plants, and other organisms, associations with other microorganisms have not received similar attention. As a consequence of tight interactions between cyanobacteria and heterotrophs, non-axenic cultures are usually achieved in the isolation of these bacteria, which provides an interesting opportunity for carrying out both genomic as metagenomic studies. This work aimed to investigate the genomic and functional characteristics of the strain Nostoc sp. CENA67, isolated from anthropogenic dark earth, and to study its associated community. For this purpose, cells from a non-axenic culture of Nostoc sp. CENA67 were sequenced with the platforms MiSeq and Ion PGM and analyzed with genomic and metagenomic tools. The strain CENA67 indeed belongs to the family Nostocaceae and presents some characteristics in common with cyanobacteria of the genus Nostoc, but diverges in certain morphological and phylogenetic aspects of the typical Nostoc group, suggesting that it is a representative of a new taxon. In addition, its genome presents differences in relation to the genomes currently available for cyanobacteria related to this genus. Genome mining revealed 31 gene clusters hypothetically related to the synthesis of secondary metabolites, most of which did not show significant similarity to known clusters. The analysis of a microviridin gene cluster unveiled a larger diversity of precursor genes for this molecule than was previously believed, suggesting that a considerable number of variants is still to be found. The taxonomic analysis of the associated community confirmed the dominance of cyanobacteria in the culture, but also revealed the presence of a great number of microbial genera that are usually capable of fixing atmospheric nitrogen and establishing symbiosis with plants, including Mesorhizobium, Sinorhizobium, and Starkeya, among others. Genomic drafts were obtained for Bradyrhizobium diazoefficiens, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia lata, and Hyphomicrobium nitrativorans. Nevertheless, genes for nitrogen fixation were not detected in these genomes, despite being found in the cyanobacterial genome and the community metagenome, suggesting that some populations might be under selection pressure for the loss of the ability to fix nitrogen, probably due to this nutrient being provided for the most abundant organism in this culture, the cyanobacterium. Functional analysis indicated pathways exclusive both to the cyanobacterium as to the associated community, and suggested the complementarity of certain metabolisms. The results allow the increase of the knowledge about the molecular and chemical diversity of the phylum Cyanobacteria and raise possible interactions with symbiotic microorganisms