Marine Schwämme (Phylum Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% aus Mikroorganismen bestehen kann. Während die mikrobielle Diversität in Schwämmen in den letzten Jahren recht gut beschrieben wurde, weiß man noch sehr wenig über mögliche Funktionen und Interaktionen zwischen Schwamm-assoziierten Mikroorganismen mit ihren Wirten. Das Ziel dieser Promotionsarbeit war es, den Prozess der mikrobiellen Nitrifikation im bakterienhaltigen Mittelmeerschwamm Aplysina aerophoba nachzuweisen und im Kontext der Symbiose näher zu untersuchen. Die Nitrifikation beschreibt die zweistufige Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und weiter zu Nitrat und wird von bestimmten Mikroorganismen zur Energiegewinnung durchgeführt. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden physiologische Untersuchungen an lebenden Schwämmen während Freilandexkursionen nach Rovinj (Kroatien) durchgeführt. Frisch gesammelte Schwämme wurden zu unterschiedlichen Jahreszeiten in experimentellen Aquarien jeweils über einen Zeitraum von über 24 Stunden gehältert. Die Konzentrationen von Ammonium, Nitrit und Nitrat wurden in Zeitintervallen mittels photometrischer Nachweise gemessen und die Aufnahme- und Exkretionsraten berechnet. Nitrit wurde in keinem der Experimente messbar ausgeschieden. Ammonium, als natürliches Stoffwechselendprodukt mariner Schwämme, wurde von A. aerophoba in Raten ausgeschieden, die saisonal variabel waren. Im Frühjahr wurde keine Ammonium-ausscheidung beobachtet während die Exkretionsrate zum Sommer hin stetig anstieg. Nitrat, welches natürlicherweise nur durch mikrobielle Nitrifikation entstehen kann, wurde saisonunabhängig konstant ausgeschieden. Ammoniumaufnahme-Experimente zeigten auf, dass Ammonium im Frühjahr rasch aufgenommen wurde und dass Ammonium die Nitratexkretionsrate bis zu vierfach stimulierte, wohingegen im Sommer keine Ammoniumaufnahme und keine Stimulation der Nitratexkretion stattfanden. Durch Zugabe des spezifischen Inhibitors der Nitrifikation, Nitrapyrin, konnte die Nitratexkretion in A. aerophoba vollständig gehemmt werden. Im Gegensatz zu bakterienhaltigen Schwämmen zeigten sogenannte bakterienfreie Schwämme erwartungsgemäß keine Nitratausscheidung. Das 16S rRNA- und das amoA-Gen wurden als molekulare Marker verwendet, um nitrifizierende Mikroorganismen in Schwämmen phylogenetisch zu identifizieren. Es konnten zahlreiche 16S rRNA-Gene aus insgesamt sechs Schwammarten inklusive Aplysina aerophoba amplifiziert und dem marinen Nitrosospira Cluster 1 zugeordnet werden. Aus A. aerophoba konnten auch Nitrosospira amoA-Gensequenzen gewonnen werden. Archaeale 16S rRNA- und amoA-Gensequenzen wurden ebenfalls aus A. aerophoba gewonnen, wobei die 16S rRNA-Gene mit anderen aus Schwämmen stammenden Sequenzen ein Schwamm-spezifisches Cluster innerhalb der Crenarchaea Gruppe I.1A bildeten. Unter Verwendung spezifischer Fluoreszenz-markierter 16S rRNA Sonden konnten den Nitrosospira Cluster 1 und Crenarchaea Gruppe 1 zugehörige Zellen innerhalb des mikrobiellen Konsortiums aus A. aerophoba nachgewiesen werden. Basierend auf der geschätzten Menge nitrifizierender Mikroben in der Schwammmesohylmatrix und den Nitratexkretionsraten wurde eine zellspezifische Ammoniakoxidationsrate von 1,6 fmol Zelle-1 h-1 errechnet. Der Nachweis von 16S rRNA- oder funktionellen Genen des anaeroben mikrobiellen N-Kreislaufs in A. aerophoba verlief negativ. Darüber hinaus wurde eine in vorherigen Arbeiten aus dem mit A. aerophoba assoziierten mikrobiellen Konsortium erstellte Metagenombank auf das Vorhandensein von funktionellen (amoA) Nitrosospira- und Crenarchaea-Genen untersucht. Aus der Sequenzierung des archaealen Metagenomklons 58F6 resultierte die Sequenz des kompletten AMO-Operons eines möglicherweise Schwamm-spezifischen Crenarchaeoten. Diese Ergebnisse liefern erste funktionelle Einblicke in die komplexen Stoffflüsse und Wechselwirkungen zwischen Schwämmen und den mit ihnen assoziierten mikrobiellen Konsortien. Aufgrund dieser Arbeit wurde ein Modell des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba erstellt, welches die Mikroorganismen mit möglichen Stoffwechselfunktionen in dem Wirtsschwamm verknüpft. Diese Arbeit trägt zu dem Informationsstand über die Interaktionen zwischen Schwämmen und Mikroorganismen bei und leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba. / Marine sponges (phylum Porifera) can harbor large amounts of microorganisms which can contribute up to 60% of the sponge biomass. While the microbial diversity has been well described in the last decade, there is only little known about possible functions and metabolic interactions of these microbes with their hosts. The aim of this Ph.D. thesis was to assess and investigate the potential for microbial nitrification in the Mediterranean high microbial abundance sponge (HMA) Aplysina aerophoba. Nitrification consists of the two-step oxidation of ammonia to nitrite and subsequently to nitrate and is carried out by certain microbes for energy purposes. Physiological experiments with living sponges were performed during several expeditions to Rovinj (Croatia). Freshly sampled sponges were incubated in experimental aquaria for more than 24 hours during different seasons. Concentrations of ammonium, nitrite and nitrate were determined in time intervals using colorimetric assays and the excretion- and uptake rates were determined. Nitrite was not excreted in any of the incubation experiments. Ammonium as the natural metabolic waste product of marine sponges was excreted by A. aerophoba and the excretion was seasonally variable. During spring ammonium excretion was not observed, but the excretion rates increased towards the summer. Nitrate which is solely produced by microbial nitrification was excreted constantly and independent of the season. Ammonium uptake experiments proved that ammonium was taken up rapidly in spring and nitrate excretion was stimulated up to 4-fold. During summer no ammonium uptake by A. aerophoba was observed and nitrate excretion was not stimulated. Addition of the specific inhibitor of nitrification, nitrapyrin, resulted in the complete inhibition of nitrate excretion. In contrast to high microbial abundance sponges, nitrate was not excreted by low microbial abundance sponges as expected. The 16S rRNA gene as well as the amoA gene was used as molecular markers to phylogenetically identify microbial nitrifiers in sponges. Numerous 16S rRNA gene sequences representing the marine Nitrosospira cluster 1 were obtained from six sponge species including Aplysina aerophoba. Nitrosospira amoA genes and archaeal 16S rRNA and amoA gene sequences were also amplified from Aplysina aerophoba. The archaeal 16S rRNA gene sequences formed a sponge-specific sub-cluster within the Crenarchaea group I.1A together with other, exclusively sponge-derived sequences. Using fluorescently-labeled 16S rRNA probes targeting the Nitrosospira cluster 1 and the Crenarchaea group 1, their presence was confirmed in A. aerophoba mesohyl. Based on nitrifier abundance in sponge tissues as estimated by FISH and nitrate excretion rates, a cell specific ammonia oxidation rate of 1.6 fmol cell-1 h-1 was calculated. No 16S rRNA or functional genes representing microbes of the anaerobic part of the N-cycle were obtained from A. aerophoba. Furthermore, a previously constructed metagenomic library containing DNA from A. aerophoba associated microbial consortia was screened for clones harboring functional (amoA) genes from Nitrosospira and Crenarchaea. Sequencing of the archaeal clone 58F6 resulted to a complete AMO operon of a possible sponge specific crenarchaeote. The results of this dissertation thesis provide first insights into the complex nitrogen fluxes and interactions between sponges and their associated microbial consortia. Based on this study, a model of N-cycle was postulated for A. aerophoba which links microbial diversity with possible metabolic functions. This study contributes significantly to sponge-microbial interactions and adds new information about the nitrogen cycle in A. aerophoba and its associated microorganisms.

Marine Schwämme (Porifera) stellen eine reichhaltige Quelle für bioaktive Substanzen dar. Oft kommen diese jedoch nur in sehr geringen Mengen im Ausgangsmaterial vor, sodass eine nachhaltige Nutzung für z. B. medizinische Anwendungen nur selten möglich ist. Viele Schwämme sind darüber hinaus mit einer ernormen Biomasse hochgradig Schwamm-spezifischer Mikroorganismen assoziiert, die extrazellulär in der Mesohylmatrix vorliegen. In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurden ausgewählte Schwamm-assoziierte Mikroorganismen taxonomisch charakterisiert und auf die Produktion von bioaktiven Sekundärmetaboliten sowie ihr weiteres biotechnologisches Potential hin überprüft. Im Verlauf der vorliegenden Arbeit gelang die Isolierung und taxonomische Charakterisierung eines neuen, obligat marinen Bakteriums des Phylums Verrucomicrobia. Das Isolat Pol012 repräsentiert aufgrund der niedrigen 16S-rRNA Sequenzhomologie von <83% zu kultivierten Verrucomicrobia den ersten Vertreter einer neuen Gattung dieses Phylums. Die Wachstumsbedingungen sowie zelluläre und biochemische Merkmale des Stammes wurden charakterisiert. Es zeigte sich, dass das Isolat Pol012 wahrscheinlich zur Bildung von Prodigiosinen befähigt ist. Prodigiosine sind als cytotoxische Sekundärmetabolite bereits aus anderen Bakterienarten bekannt. Pol012 wurde unter dem Namen „Rubritalea marina“ als neues Bakterium beschrieben. Durch Anreicherung auf gezielten Agarmedien wurde eine Isolierung von Streptomyceten aus verschiedenen marinen Schwämmen erzielt. Die Bakterien wurden auf die Produktion antimikrobiell wirksamer Substanzen hin untersucht. Es konnten vor allem Wirksamkeiten gegen Gram-positive Bakterien, wie S. aureus, nachgewiesen werden. Die antimikrobiellen Aktivitäten des Stammes Aer003 wurden auf die gesättigten Fettsäuren Palmitinsäure und Docosansäure zurückgeführt (T. Gulder AG Bringmann, Universität Würzburg). Die Auswertung des Sekundärmetabolitspektrums des Stammes Pol001 steht noch aus. Isolat Pol001 ist durch eine niedrige Sequenzhomologie des 16S-rRNA Gens von 97,6% zu bereits beschriebenen Vertretern der Gattung Streptomyces charakterisiert und stellt daher vermutlich eine neue Streptomycetenart dar. Die Erstellung und Durchmusterung einer Genbank aus Pol001 auf Sekundärmetabolitoperons führte zur Beschreibung eines neuen Glycopeptidbiosyntheseclusters. Seine Sequenzierung und in silico Analyse weist auf ein strukturell neues Glycopeptid hin, welches Ähnlichkeiten zum Vancomycin besitzt. Weiterhin wurde der Enzymtyp der FADH2-abhängigen Halogenasen in mikrobiellen Konsortien verschiedener mariner Schwämme nachgewiesen. FADH2-abhängige Halogenasen spielen bei der Biosynthese halogenierter Sekundärmetaboliten aus Bakterien eine große Rolle. Unter Nutzung von degenerierten PCR Primern wurden 34 Halogenasegenfragmente in verschiedenen Schwämmen identifiziert. Ein phylogenetischer Vergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit homologen Bereichen bereits bekannter Enzyme ergab, dass die Mehrzahl der aus Schwämmen gewonnenen Gene ein Schwamm-spezifisches Halogenasecluster bildeten, dessen Funktion jedoch noch unbekannt ist. Bei der Durchmusterung einer aus dem mikrobiellen Konsortium des Mittelmeerschwammes Aplysina aerophoba erstellten Metagenombank konnten vier Fosmide identifiziert werden, die unterschiedliche Halogenasegene trugen. Das Insert eines der betreffenden Fosmide wurde komplett sequenziert. Zusätzlich wurden jeweils 7 kb um die Halogenasegene der drei anderen Fosmide analysiert. In den abgeleiteten kompletten Aminosäuresequenzen der vier Enzyme konnten die für FADH2-abhängige Halogenasen typischen Sequenzmotive GxGxxG und WxWxI nachgewiesen werden. Eine phylogenetische Analyse ergab eine eigene Abstammungslinie für drei der Proteine. Die heterologe Expression einer der vier Halogenasen in E. coli war möglich. Die beschriebenen Halogenasen und die sie umgebenden genomischen Bereiche geben erste Einblicke in das halogenierende Potential mikrobieller Konsortien mariner Schwämme. Weiterführende Analysen können hier zu einer biotechnologisch wertvollen Anwendung führen. Weiterhin ist es möglich, dass verschiedene bakterielle Stamme, die während der vorliegenden Arbeit kultiviert werden konnten, in naher Zukunft als Quelle neuartiger Sekundärmetabolite erkannt werden. Dies trifft sowohl auf das Phylum der Verrucomicrobia, als auch auf das Phylum der Actinobacteria zu. Darüber hinaus stellt die Beschreibung von Rubritalea marina einen Ansatzpunkt für die weitere Analyse von marinen Verrucomicrobien dar. / Marine sponges (Porifera) represent a rich source for bioactive compounds. Frequently these substances are only present in low amounts in the animal which makes sustainable production, for instance for medical uses, impossible. Moreover, several sponges are associated with a huge biomass of highly sponge specific microorganisms, which are present extracellularly in the mesohyl. In the course of this study, selected sponge-associated microoganisms were characterized taxonomically and analysed in respect to their ability to produce bioactive secondary metabolites and their biotechnological potential. During the course of the presented PhD thesis it has been possible to isolate a novel, obligate marine bacterium of the phylum Verrucomicrobia and to characterise it taxonomically. Due to the low homology of its 16S-rRNA gene of <83% to other cultivated Verrucomicrobia, the isolate Pol012 represents the first member of a new genus of this phylum. The growth conditions and its cellular and biochemical properties were characterized. The bacterium probably is able to produce prodigiosins. Prodigiosins are already known as cytotoxic secondary metabolites from other bacteria. The isolate Pol012 was described as a taxonomically new species with the name “Rubritalea marina”. By using specific agar media streptomycete strains were cultivated from various marine sponges. The cultivated bacteria were tested for the production of antimicrobial substances. Mainly activities against gram-positive bacteria, like S. aureus, were detected. The antimicrobial activities of strain Aer003 were ascribed to saturated fatty acids, namly palmitic acid and docosanoic acid (T. Gulder AG Bringmann, University of Wuerzburg). The bioactive compounds of strain Pol001 are currently under investigation. Because of a low 16S rRNA gene sequence homology of 97.6% to any other member of the genus Streptomyces, strain Pol001 probably represents a novel streptomycete species. Construction and screening of a genomic library of this streptomycete for secondary metabolite gene clusters lead to the detection of a biosynthetic gene cluster encoding for a glycopeptide. Sequencing and in silico analysis of this gene cluster suggests the encoding of a structural novel glycopeptide with similarities to vancomycin. Furthermore, FADH2-dependent halogenases were detected within the microbial communities of various marine sponges. FADH2-dependent halogenases play a major role during the biosynthesis of halogenated secondary metabolites in bacteria. By using degenerate PCR primers, gene fragments of 34 different halogenases were identified in various sponges. Phylogenetic analyses in comparison to the homologous region of known enzymes revealed that most of the sequences from marine sponges formed a specific halogenase cluster, of which the function is not known yet. Screening of a metagenomic library of the microbial consortium of the meditteranean sponge Aplysina aerophoba lead to the identification of four fosmid clones bearing different halogenase genes. The insert of one of the fosmids was sequenced completely. Additionally, 7 kb of the sequence, surrounding the halogenases from the other three fosmids, were analyzed. The deduced amino acid sequences of the four enzymes revealed the presence of the two sequence motifs GxGxxG and WxWxI, which are essential for halogenase activity. A phylogenetic comparison revealed that three of the new sequences formed a separate line of descent. The heterologous expression of one of the four halogenases was possible in E. coli. The described halogenases and the surrounding genomic areas give first insights into the halogenating potential of microbial consortia of marine sponges. Further analyses can lead to biotechnologically relevant applications. Furthermore it is possible that various bacterial strains, that have been cultivated during the presented study, will be identified as the producers of novel secondary metabolites. This is true for the phylum Verrucomicrobia as well as for the phylum Actinobacteria. Additionally, the description of Rubritalea marina is starting point for the further analysis of marine Verrucomicrobia.

Marine Schwämme (Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% von assoziierten Mikroorganismen gebildet werden kann. Dieses mikrobielle Konsortium ist phylogenetisch komplex, die monophyletischen Abstammungslinien sind hochgradig wirtsspezifisch und bisher konnte kein Vertreter dieser Mikroflora kultiviert werden. In seiner Zusammensetzung unterscheidet sich dieses Konsortium sowohl von der Mikroflora mariner Sedimente, als auch vom marinen Bakterioplankton. Durch 16S rRNA Sequenzanalysen und Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) konnte während dieser Arbeit das neue Candidatus Phylum Poribacteria kultivierungsunabhängig identifiziert werden. Poribacteria bilden definitionsgemäß ein unabhängiges Candidatus Phylum, da sie weniger als 75% Sequenzhomologie innerhalb der 16S rRNA zu anderen prokaryontischen Phyla zeigen. Sie sind verwandt mit Planctomycetes. Der Name „Poribacteria“ wurde gewählt, da diese Organismen spezifisch mit marinen Porifera assoziiert zu sein scheinen. Bisher konnten Poribacteria in Porifera der Ordnungen Verongida, Haplosclerida und Lithistida nachgewiesen werden, während sie in den Ordnungen Poecilosclerida, Agelasida, Halichondrida und Hadromerida nicht nachweisbar waren. Im marinen Sediment und im Bakterioplankton wurden Poribacteria ebenfalls nicht detektiert. Durch FISH Analysen wurde deutlich, dass Poribacteria in A. aerophoba (Verongida) eine abundante Fraktion der assoziierten Mikroflora bilden. Da Vertreter des mikrobiellen Konsortiums mariner Schwämme bisher nicht kultiviert werden konnten, wurde das „Metagenom“ dieser Mikroorganismen durch die ex situ Isolierung hoch molekularer DNA direkt kloniert. Eine Charakterisierung von Metagenomen erlaubt unabhängig von der Kultivierbarkeit der entsprechenden Organismen direkte Einblicke in deren Genotyp und liefert so eine erste Verbindung zwischen phylogenetischer Diversität und physiologischen Eigenschaften. Für die Erstellung der Metagenombank wurde mikrobielle Biomasse aus A. aerophoba vom Mesohyl getrennt und lysiert und die gereinigte DNA in Fosmid Vektoren in E. coli kloniert. Die resultierende Metagenombank APAE02 umfasst ca. 1,1 Gb hoch molekularer prokaryontischer genomischer DNA. Eine Bestimmung der in dieser Metagenombank archivierten mikrobiellen Diversität lieferte zusätzlich zu bekannten 16S rRNA kodierenden Loci aus Cyanobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria und Gammaproteobacteria einen 16S rRNA kodierenden poribakteriellen Fosmidklon. Die Annotation der flankierenden genomischen Regionen des 16S rRNA Gens führte zur Detektion eines unterbrochenen rrn Operons, eines wahrscheinlich neuen Transporters, einer neuen Molybdän enthaltenen Oxidoreduktase und orthologer „open reading frames“ (ORFs) aus Rhodopirellula baltica (Planctomycetes) in Poribacteria. Die Charakterisierung dieses 38,7 kb DNA Fragmentes stellt die Basis für weitere genomische Untersuchungen an Poribacteria dar. Metagenombanken repräsentieren eine reichhaltige Quelle zum Nachweis neuer Enzyme oder Biosyntheseoperons. Somit konnten in der Metagenombank APAE02 neuartige Typ I Polyketidsynthasen (PKS) nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen der Ketosynthasedomäne zeigten, dass diese Systeme nicht herkömmlichen Typ I cis-AT bzw. trans-AT (Acyltransferase) PKS Systemen zugeordnet werden können. Die kodierenden Bereiche der PKS Systeme sind mit nur ca. 10 kb relativ klein. Im Gegensatz zu der Organisation sich wiederholender multipler Module herkömmlicher PKS Typ I Systeme bestehen sie nur aus einem einzigen Modul und könnten vermutlich bei der Synthese von Fettsäuren beteiligt sein. Die Struktur und Funktion der Produkte ist bisher unbekannt. Generell ist durch in silico Analysen eine Abbildung des „funktionellen Repertoires“ unkultivierter Mikroorganismen möglich. Es wäre denkbar, dass durch weitere Studien fundierte Einblicke in den Genpool der Poribacteria und anderer Organismen des mikrobiellen Konsortiums aus Poriferen eröffnet werden, um metabolische Eigenschaften zu rekonstruieren und die Mechanismen zur Interaktion mit dem Wirt verstehen zu können. / Marine sponges (Porifera) are sessile invertebrates which are associated with a phylogenetically complex, yet host-specific microbial consortium. The microorganisms can contribute up to 60% of the sponge biomass. None of the corresponding bacteria could be cultivated applying standard laboratory culturing techniques. Among this microbiota 16S rRNA gene sequence analyses and fluorescence in situ hybridization (FISH) revealed the detection of a novel candidate phylum, termed Poribacteria, independently of cultivation. By definition Poribacteria represent a candidate phylum, because they exhibit less than 75% similarity with 16S rRNA sequences of other bacterial phyla. They are moderately related to Planctomycetes. The name “Poribacteria” was chosen to acknowledge their specific association with marine Porifera. Poribacteria have been detected in sponges of the orders Verongida, Haplosclerida and Lithistida, while they could not be detected in Poecilosclerida, Agelasida, Halichondrida and Hadromerida and neither in marine sediments or bacterioplankton. FISH analyses implied that Poribacteria represent an abundant and metabolically active part of the microbial consortium of A. aerophoba. Because none of the sponge-associated microorganisms have been cultivated so far, the ex situ isolation and cloning of the corresponding “metagenome” was performed. Metagenomics enables first insights into the biology and genotypes of so far uncultured microbes. For the construction of the DNA library microbial biomass was separated from the mesohyl of A. aerophoba and lysed, followed by cloning of the purified DNA into a fosmid vector in E. coli. The constructed metagenome library harbours ca. 1.1 Gb of procaryotic high molecular weight genomic DNA. A determination of the phylogenetic diversity filed in this library resulted in the detection of sponge specific microbial lineages of the Cyanobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria und Gammaproteobacteria as well as a poribacterial 16S rRNA gene encoding clone. The annotation of the 16S rRNA gene flanking genomic regions revealed an unlinked rrn operon, a putatively novel transporter, channel or pore, a new molybden containing oxidoreductase and orthologous open reading frames (ORFs) of Rhodopirellula baltica (Planctomycetes) in Poribacteria. The 38.7 kb poribacterial clone now provides a starting point for further genomic studies. Metagenome libraries represent a rich source for the detection of novel enzymes or biosyntheses operons. Therefore the metagenome library was further screened which led to the discovery of a novel kind of type I polyketidesynthases (PKS) among the sponge microbiota. Phylogenetic analyses suggested that the PKS systems do not belong to the conventional cis-AT or trans-AT (acyltransferase) PKS systems. The coding regions are relatively small (10 kb). The systems contain only one module which is in contrast to the iterative multiple modul structure of conventional PKS type I systems. The sponge-derived PKS systems may be involved in the syntheses of fatty acids. In general in silico analyses allows the documentation of genomic features of uncultured microbes. Further sequencing of metagenome clones could provide additional insights into the genepool of Poribacteria and other members of the sponge microbial consortium, which could lead to the description of metabolic properties and the mechanisms behind their interaction with the sponge host.

Marine sponges and their associated bacteria have been proven to be a rich source of novel secondary metabolites with therapeutic usefulness in infection and autoimmunity. This Ph.D. project aimed to isolate bioactive secondary metabolites from the marine sponges Amphimedon compressa, Aiolochroia crassa and Theonella swinhoei as well as from bacteria associated with different Caribbean sponges, specifically actinomycetes and sphingomonads. In this study, amphitoxin was isolated from the crude methanol extract of the sponge A. compressa and it was found to have antibacterial and anti-parasitic activities. Amphitoxin showed protease inhibitory activity when tested against the mammalian protease cathepsin B and the parasitic proteases rhodesain and falcipain-2. Furthermore, miraziridine A was identified in the dichloromethane extract of the sponge T. swinhoei collected offshore Israel in the Red Sea. Miraziridine A, a natural peptide isolated previously from the marine sponge Theonella aff. mirabilis, is a potent cathepsin B inhibitor with an IC50 value of 1.4 g/mL (2.1 M). Secondary metabolites from sponge-derived bacteria were also isolated and identified. A total of 79 strains belonging to 20 genera of the order Actinomycetales and seven strains belonging to two genera of the order Sphingomonadales were cultivated from 18 different Caribbean sponges and identified by 16S rRNA gene sequencing. Seven of these strains are likely to represent novel species. Crude extracts from selected strains were found to exhibit protease inhibition against cathepsins B and L, rhodesain, and falcipain-2 as well as immunomodulatory activities such as induction of cytokine release by human peripheral blood mononuclear cells. The isolates Sphingobium sp. CO105 and Lapillicoccus sp. BA53 were selected for cultivation, extraction and purification of bioactive metabolites based on initial bioactive screening results. The isoalloxazine isolumichrome was isolated from the strain Sphingobium sp. CO105 which inhibited the protease rhodesain with an IC50 of 0.2 M. The strain Lapillicoccus sp. BA53 was found to produce p-aminosalicylic acid methyl ester, which showed activity against the proteases cathepsins B and L, falcipain-2 and rhodesain. These results highlight the significance of marine sponge-associated bacteria to produce bioactive secondary metabolites with therapeutic potential in the treatment of infectious diseases and disorders of the immune system. / Marine Schwämme und damit assoziierte Bakterien stellen eine wertvolle Quelle für neuartige Sekundärmetabolite mit therapeutischer Bedeutung für Infektion und Autoimmunität dar. Ziel dieser Doktorarbeit war die Isolierung bioaktiver Sekundärmetabolite aus den marinen Schwämmen Amphimedon compressa, Ailochroia crassa und Theonella swinhoei sowie von Bakterien, die mit verschiedenen karibischen Schwämmen assoziiert sind, wie z. B. Actinomyceten und Sphingomonaden. Amphotoxin wurde in dieser Studie aus dem methanolhaltigen Rohextrakt des Schwammes A. compressa isoliert. Es konnte sowohl eine antibakterielle als auch antiparasitäre Aktivität nachgewiesen werden. Der Einfluss von Amphotoxin auf die humane Protease Cathepsin B und die parasitären Proteasen Rhodesain und Falcipain-2 wurde ebenfalls getestet und es zeigte sich eine inhibitorische Wirkung gegenüber diesen Proteasen. Darüber hinaus wurde aus dem Dichlormethanextrakt des Schwammes T. swinhoei, der aus dem Roten Meer in Israel gewonnen wurde, Miraziridin A isoliert. Dieses natürliche Peptid war bereits aus dem marinen Schwamm Theonella aff. mirabilis isoliert worden. Miraziridin A ist ein starker Cathepsin B Inhibitor, der IC50 Wert beträgt 1.4 mg/mL (2.1 M). Sekundärmetabolite von aus Schwämmen gewonnenen Bakterien wurden ebenfalls isoliert und identifiziert. Es konnten 79 Stämme, die zu 20 verschiedenen Gattungen der Ordnung Actinomycetales, sowie sieben Stämme, die zu zwei Gattungen der Ordnung Sphingomonadales gehören, isoliert werden. Diese Bakterienstämme wurden aus ingesamt 18 verschiedenen karibischen Schwämmen kultiviert und mit Hilfe der 16S rRNA Sequenzierung bestimmt. Sieben dieser Stämme stellen wahrscheinlich neue Arten dar. Rohextrakte ausgewählter Stämme zeigten eine Proteasehemmung gegen die Cathepsine B und L, Rhodesain, Falcipain-2 sowie immunmodulatorische Wirkungen wie z.B. die Induktion der Cytokinfreisetzung durch menschliche periphere mononukleäre Blutzellen. Die Isolate Sphingobium sp. CO105 und Lapillicoccus sp. BA53 wurden für die Kultivierung, Extraktion und Aufreinigung von bioaktiven Metaboliten aufgrund der ersten vielversprechenden bioaktiven Testergebnisse ausgewählt. Das Isoalloxazin Isolumichrom wurde aus dem Stamm Sphingobium sp. CO105 isoliert, welches die Protease Rhodesain mit einem IC50-Wert von 0.2 M inhibiert. Für den Stamm Lapillicoccus sp. BA53 konnte nachgewiesen werden, dass er p-Aminosalicylsäuremethylester produziert, der eine Aktivität gegen die Proteasen Cathepsin B und L, Falcipain-2 und Rhodesain zeigt. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung mariner, Schwamm-assoziierter Bakterien, die bioaktive sekundäre Metabolite mit therapeutischem Potential für die Behandlung von Infektionskrankheiten und Funktionsstörungen des Immunsystems produzieren.

Marine sponges are the most ancient metazoans and of large ecological importance as drivers of water and nutrient flows in benthic habitats. Furthermore marine sponges are well known for their association with highly abundant and diverse microbial consortia. Microorganisms inhabit the extracellular matrix of marine sponges where they can make up to 35% of the sponge’s biomass. Many microbial symbionts of marine sponges are highly host specific and cannot, or only in very rare abundances, be found outside of their host environment. Of special interest is the candidate phylum Poribacteria that was first discovered in marine sponges and still remains almost exclusive to their hosts. Phylogenetically Poribacteria were placed into the Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae superphylum and similarly to many members of this superphylum cell compartmentation has been proposed to occur in members of the Poribacteria. The status as a candidate phylum implies that no member of Poribacteria has been obtained in culture yet. This restricts the investigations of Poribacteria and their interactions with marine sponges to culture independent methods and makes functional characterisation a difficult task. In this PhD thesis I used the novel method of single-cell genomics to investigate the genomic potential of the candidate phylum Poribacteria. Single-cell genomics enables whole genome sequencing of uncultivated microorganisms by singularising cells from the environment, subsequent cell lysis and multiple displacement amplification of the total genomic DNA. This process yields sufficient amounts of DNA for whole genome sequencing and genome analysis. This technique and its relevance for symbiosis studies are discussed in this PhD thesis. Through the application of single-cell genomics it was possible to increase the number of single-amplified genomes of the candidate phylum Poribacteria from initially one to a total of six. Analyses of these datasets made it possible to enhance our understanding of the metabolism, taxonomy, and phylum diversity of Poribacteria and thus made these one of the best-characterised sponge symbionts today. The poribacterial genomes represented three phylotypes within the candidate phylum of which one appeared dominant. Phylogenetic and phylogenomic analyses revealed a novel phylogenetic positioning of Poribacteria distinctly outside of the Planctomycete, Verrucomicorbia, Chlamydiae superphylum. The occurrence of cell compartmentation in Poribacteria was also revisited based on the obtained genome sequences and revealed evidence for bacterial microcompartments instead of the previously suggested nucleotide-like structures. An extensive genomic repertoire of glycoside hydrolases, glycotransferases, and other carbohydrate active enzymes was found to be the central shared feature between all poribacterial genomes and showed that Poribacteria are among those marine bacteria with the largest genomic repertoire for carbohydrate degradation. Detailed analysis of the carbohydrate metabolism revealed that Poribacteria have the genomic potential for degradation of a variety of polymers, di- and monosaccharaides that allow these symbionts to feed various nutrient sources accessible through the filter-feeding activities of the sponge host. Furthermore the poribacterial glycobiome appeared to enable degradation of glycosaminoglycan chains, one of the main building blocks of extracellular matrix of marine sponges. Different lifestyles resulting from the poribacterial carbohydrate degradation potential are discussed including the influence of nutrient cycling in sponges, nutrient recycling and scavenging. The findings of this thesis emphasise the long overlooked importance of heterotrophic symbionts such as Poribacteria for the interactions with marine sponges and represent a solid basis for future studies of the influence heterotrophic symbionts have on their sponge hosts. / Marine Schwämme sind die ältesten rezenten Vertreter der Metazoen. Durch ihre Lebensweise als Nahrungsfiltrierer und den damit verbundenen Einfluss auf Nährstoffzyklen sind sie von großer ökologischer Relevanz. Des Weiteren zeichnen sich marine Schwämme durch das Zusammenleben mit hoch abundanten und diversen mikrobiellen Konsortien aus. Diese Mikroorganismen finden sich meist in der extrazellulären Matrix des Schwamms und können mehr als 35% der Biomasse ihres Wirtes ausmachen. Viele mikrobielle Symbionten mariner Schwämme sind hochgradig Wirts-spezifisch und können außerhalb des Schwamms, wenn überhaupt, nur in sehr geringer Anzahl gefunden werden. Von besonderem Interesse ist das Candidatus Phylum Poribacteria, dessen Vertreter erstmals in Schwämmen detektiert wurden, und bis heute fast ausschließlich in Schwämmen zu finden sind. Phylogenetisch wurden die Poribacteria dem Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae (PVC) Superphylum zugeordnet. Einige Vertreter dieses Superphylums zeigen einen kompartimentierten Zellplan auf, eine Eigenschaft, die auch für Poribacteria vermutet wird. Der Status der Poribacteria als Candidatus Phylum zeigt das Fehlen von Vertretern dieses Phylums in Reinkultur an. Dies beschränkt die Untersuchung von Poribacteria auf kultivierungs-unabhängige Methoden, was die funktionelle Charakterisierung dieser Symbionten erheblich erschwert. In dieser Doktorarbeit wurde das Candidatus Phylum Poribacteria mit Hilfe der Einzelzellgenomik untersucht. Diese Methode ermöglicht es aus vereinzelten mikrobiellen Zellen genomische Komplett-DNA zu gewinnen und diese, mit Hilfe der so genannten „multiple displacement amplification“ so hochgradig anzureichern, dass eine Sequenzierung und anschließende Analyse erfolgen kann. Die Anwendung dieser Methode im Allgemeinen und in der Symbiose Forschung wird in dieser Doktorarbeit diskutiert. Die Einzelzellgenomik ermöglichte die Anzahl poribakterieller Datensätze, von zunächst einem auf sechs Genome zu erhöhen. Die Analyse dieser Genome konnte unser Verständnis vom metabolischen Potential, der Taxonomie und der Diversität innerhalb dieses Phylums deutlich zu verbessern. Die poribakteriellen Genome beschrieben drei Phylotypen, von denen einer deutlich dominierte. Die phylogenetische Position des Phylums Poribacteria wurde außerdem anhand von phylogenetischen und phylogenomischen Berechnungen neu zugeordnet, und resultierte in einer deutlichen Positionierung außerhalb des PVC Superphylums. Weiterhin wurden genomische Hinweise auf einen kompartimentierten Zellplan in Poribacteria gefunden. Diese deuten aber nicht, wie vorher vermutet, auf eine Zellkern-ähnliche Struktur hin, sondern auf bakterielle Mikrokompartimente mit noch ungeklärter Funktion. Die Analysen des genomischen Potentials zeigte in allen Datensätzen eine hohe Frequenz von Genen, die für Glycosidasen, Glycosyltransferasen und weiteren Proteinen der so-genannten „carbohydrate active enzymes“ kodieren, was ein ausgeprägtes Vermögen zum Kohlehydratabbau aufzeigt. Das genomische Potential von Poribacteria zum Abbau von Kohlehydratpolymeren, Di- und Monosacchariden konnte durch detaillierte Analyse des Kohlehydratmetabolismus genau beschrieben werden. Außerdem schienen Poribacteria Glycosaminoglycanketten, die zentrale Bausteine der extrazellulären Matrix des Schwammes sind, abbauen zu können. Die aus dem poribakteriellen Glycobiome resultierenden möglichen Lebensweisen als Wiederverwerter von Nährstoffen, Mitesser, oder auch der Einfluss von Poribacteria auf Nährstoffzyklen im Schwamm werden in dieser Doktorarbeit diskutiert. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit machen Poribacteria zu den genomische am besten beschriebenen Schwammsymbionten und zeigen die lange übersehene Relevanz heterotropher Symbionten in marinen Schwämmen.

Marine sponge-associated actinomycetes are considered as promising source for the discovery of novel biologically active compounds. Metabolomics coupled multivariate analysis can efficiently reduce the chemical redundancy of re-isolating known compounds at the very early stage of natural product discovery. This Ph.D. project aimed to isolate biologically active secondary metabolites from actinomycetes associated with different Mediterranean sponges with the assistance of metabolomics tools to implement a rapid dereplication and chemically distinct candidate targeting for further up-scaling compounds isolation. This study first focused on the recovery of actinomycetes from marine sponges by various cultivation efforts. Twelve different media and two separate pre-treatments of each bacterial extract were designed and applied to facilitate actinomycete diversity and richness. A total of 64 actinomycetes were isolated from 12 different marine sponge species. The isolates were affiliated to 23 genera representing 8 different suborders based on nearly full-length 16S rRNA gene sequencing. Four putatively novel species belonging to the genera Geodermatophilus, Microlunatus, Rhodococcus, and Actinomycetospora were identified based on a sequence similarity <98.5% to validly described 16S rRNA gene sequences. 20% of the isolated actinomycetes was shown to exhibit diverse biological properties, including antioxidant, anti-Bacillus sp., anti-Aspergillus sp., and antitrypanosomal activities. The metabolomics approaches combined with the bioassay results identified two candidate strains Streptomyces sp. SBT348 and Streptomyces sp. SBT345 for further up-scaling cultivation and compounds isolation. Four compounds were isolated from Streptomyces sp. SBT348. Three of these compounds including the new cyclic dipeptide petrocidin A were previously highlighted in the metabolomics analyses, corroborating the feasibility of metabolomics approaches in novel compounds discovery. These four compounds were also tested against two pathogen microorganisms since the same activities were shown in their crude extract in the preliminary bioassay screening, however none of them displayed the expected activities, which may ascribe to the insufficient amount obtained. Streptomyces sp. SBT345 yielded 5 secondary metabolites, three of which were identified as new natural products, namely strepthonium A, ageloline A and strepoxazine A. Strepthonium A inhibited the production of Shiga toxin produced by enterohemorrhagic Escherichia coli at a concentration of 80 μM, without interfering with the bacterial growth. Ageloline A exhibited antioxidant activity and inhibited the inclusion of Chlamydia trachomatis with an IC50 value of 9.54 ± 0.36 μM. Strepoxazine A displayed antiproliferative property towards human promyelocytic HL-60 cells with an IC50 value of 16 μg/ml. 11 These results highlighted marine sponges as a rich source for novel actinomycetes and further exhibited the significance of marine sponge-associated actinomycetes as promising producers of novel biologically active compounds. The chemometrics coupled metabolomics approach also demonstrated its feasibility and efficacy in natural product discovery. / Schwamm-assoziierte Actinomyceten stellen eine vielversprechende Quelle für die Entdeckung neuer, biologisch aktiver Verbindungen dar. Metabolomik gekoppelte multivariate Datenalyse kann die erneute Isolation bekannter chemischer Verbindungen in einem frühen Stadium drastisch reduzieren und der Entdeckung neuer Naturstoffe dadurch effizienter machen. Das Ziel dieser Arbeit war es, biologisch aktive Sekundärmetabolite aus Actinomyceten, welche mit Mittelmeerschwämmen assoziiert sind, zu isolieren. Mithilfe von Werkzeugen aus der Metabolomik soll eine schnelle Dereplikation sowie gezielte Auswahl an chemischen Verbindungen implementiert werden um diese nachfolgend und in hohem Durchsatz isolieren zu können. Diese Promotions-Arbeit konzentriert sich zunächst auf die Isolation von Actinomyceten aus marinen Schwämmen mittels verschiedener Kultivierungsmethoden. Zwölf verschiedene Medien sowie zwei unterschiedliche Vorbehandlungen der bakteriellen Extrakte wurden angewendet, um die Kultivierung diverser Actinomyceten zu ermöglichen. Insgesamt konnten damit 64 Actinomyceten aus 12 unterschiedlichen Schwämmen isoliert worden. Mithilfe der Sequenzierung von 16S rRNA Sequenzen konnten diese bakteriellen Isolate 23 Gattungen und 8 Unterordnungen zugewiesen werden. Aufgrund von Sequenzähnlichkeiten <98.5% wurden 4 neue Arten identifiziert, welche zu den folgenden Gattungen gehören: Geodermatophilus, Microlunatus, Rhodococcus and Actinomycetospora. 20% der isolierten Actinomyceten wurde gezeigt, die verschiedene biologische Eigenschaften aufweisen, einschließlich antixocidativer, antibakterieller, Fungiziden Eigenschaften sowie ihrer anti- Trypanosomen -Aktivitäten. Mithilfe metabolomischer Methoden und Bioassays konnten zwei bakterielle Stämme, Streptomyces sp. SBT348 und Streptomyces sp. SBT345, für deren Kultivierung und Isolierung chemischer Verbindung identifiziert werden. Aus dem Stamm Streptomyces sp. SBT348 konnten vier neue Verbindungen isoliert werden, darunter ein neues, zyklisches Dipeptid Petrocidin A. Drei dieser Verbindungen, einschließlich Petrocidin A, wurden bei der Datenanalyse der Metabolomik hervorgehoben. Das bestätigte die Durchführbarkeit metabolomischer Methoden für die Entdeckung neuer Verbindungen. Allerdings zeigte keine Verbindung die erwarteten Aktivitäten. Das könnte darauf zurückgeführt werden, dass die erhaltenen Mengen unzureichend waren. In Streptomyces sp. SBT345 konnten fünf Sekundärmetabolite identifiziert werden, von welchen drei - Strepthonium A, Ageloline A und Strepoxazine A - als neue Naturstoffe identifiziert werden konnten. Durch Strepthonium A in einer Konzentration von 80 µM konnte die Produktion des Shiga-Toxins in Escherichia coli gehemmt werden, ohne dessen bakterielles Wachstum zu beeinflussen. Ageloline A wirkte antioxidativ und hemmte Chlamydia trachomatis mit einem IC50 Wert von 9.54 ± 0.36 µM. Strepoxazine A zeigte eine wachstumshemmende Wirkung gegenüber HL-60 Zellen (humane Promyelozytenleukämie-Zellen) bei einem IC50 Wert von 16 µg/ml. Die Ergebnisse zeigen auf, dass marine Schwämme viele bisher unbekannte Actinomyceten beherbergen. Diesen Actinomyceten ist eine hohe Bedeutung beizumessen, da sie eine vielversprechende Quelle für neue, biologisch aktive Verbindungen darstellen. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass der methodische Ansatz via chemometrischer und metabolomischer Methoden gut durchführbar und effizient ist und daher für die Entdeckung von Naturstoffen sehr gut geeignet ist.

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