A cosmomicina D é um policetídeo aromático da família das antraciclinas com propriedades antitumorais e antimicrobianas produzida por Streptomyces olindensis. A elucidação de genes responsáveis pela síntese desta molécula foi abordada neste trabalho com as técnicas de LDGW-PCR e PCR que permitiram amplificar fragmentos gênicos envolvidos na formação da aglicona. O cluster gênico completo foi caracterizado numa região de 43,1 kb produto do seqüenciamento do genoma, onde se agruparam funcionalmente 40 ORFs em varias categorias: síntese de aglicona, reguladores, glicosiltransferases, deoxiaçúcares, resistência e com função desconhecida. Visando obter mutantes nulos para os genes cosS e cosY foram construidos os plasmídeos pCCSII e pCCYII onde a transformação da cepa selvagem com pCCSII resulto na cepa mutante SoDS, deficiente em produção de cosmomicina. As analises dos produtos obtidos da expressão de ambos os genes mostrou um efeito na redução de cosmomicina e supressão de intermediários do complexo antitumoral. / Cosmomycin D produced by Streptomyces olindensis is an aromatic polyketide of the anthracycline family with antitumor and antimicrobial properties. The amplification of genes responsible for the molecule synthesis were approached in this study by LDGW-PCR and PCR techniques, the obtained fragments showed high similarities with genes involved in aglycon core assembly. The complete gene cluster was characterized in a genome region of 43.1 kb product of genome sequencing, containing 40 ORFs grouped functionally into different categories: aglycon synthesis, regulators, glycosyltransferases, deoxisugars, resistance and unknown function. In order to obtain null mutants for cosS and cosY genes, the plasmids pCCSII pCCYII were constructed, the transformation of the wild strain with pCCSII result in SoDS mutant, deficient in production of cosmomycin. The analyses of the obtained products from the expression of both genes showed an effect in reducing cosmomycin levels and suppression of various intermediates in the antitumor complex.

O objetivo deste projeto foi estudar a produção de retamicina em biorreatores de bancada por Streptomyces olindensis ICB20 em cultivos contínuos, visando avaliar a influência da freqüência de agitação (N=300, 500 ou 700rpm), da concentração de oxigênio dissolvido (OD=20, 50 ou 80%) e da velocidade específica de crescimento (µ=0,05, 0,15 ou 0,25 h-¹), segundo um planejamento fatorial completo (três fatores, N, OD e µ, em dois níveis) com seis repetições no ponto central. Os ensaios no ponto central serviram para avaliar a significância da curvatura nos modelos estatísticos e a variabilidade do processo. Buscou-se correlacionar a concentração de retamicina com estes fatores, com o diâmetro dos halos de inibição, determinados em testes de atividade biológica e com a morfologia do microrganismo, classificada em hifas, clumps ou pellets. Melhores resultados para a concentração de retamicina foram obtidos para N = 300 rpm e µ = 0,05 h-¹. A análise estatística mostrou que a concentração de oxigênio dissolvido não exerce influência sobre o processo na faixa estudada. Modelos estatísticos foram calculados, por regressão linear múltipla, para correlacionar a concentração celular, de retamicina, os fatores de conversão, a produção e as produtividades com os fatores N, OD e µ em unidades codificadas. A curvatura foi significativa (\'alfa\' = 10%) para a concentração de retamicina. Um modelo fenomenológico relacionando a concentração de retamicina à freqüência de agitação (N) e à velocidade específica de crescimento (µ) em estado estacionário foi determinado: Ret = (1005/N)*exp(-12,79*µ) R² = 0,97. Este modelo foi validado com ensaios além dos previstos no planejamento fatorial e também com os resultados obtidos por Pamboukian (2003). A correlação entre a concentração da retamicina e o diâmetro do halo de inibição (\'fi\'), determinada em testes de atividade biológica, foi: Ret = 0,2889 * \'fi\' - 1,4437 R² = 0,93 ( em mm). Com relação à morfologia, apenas a porcentagem de hifas, em relação a área total, sofreu influência de N, µ e das interações N*µ e N*OD* µ. Um modelo estatístico em unidades não codificadas foi calculado e combinado ao modelo fenomenológico. Este novo modelo considera a adição da porcentagem de clumps à de pellets, formando uma classe denominada de aglomerado (AGL): Ret = [(34 + 100*µ)/(83 - %AGL - 116* µ)] * (exp(-12,79*µ)) R² = 0,95. Foi possível correlacionar a produtividade específica de retamicina à área média dos aglomerados (AM): Pret / Xc = 0,015 * [((AM - 3,75)/AM) + exp(-0,3 * (AM - 3,75)2)] R² = 0,8. Foram testados diferentes corantes para identificar partes viáveis da célula. Apenas o corante BacLight® apresentou bons resultados, porém não foi possível concluir estes estudos por atraso no processo de importação dos filtros de fluorescência. / The aim of this project was to study the production of retamycin in bench-top bioreactors by Streptomyces olindensis ICB20 in continuous cultures in order to evaluate the influence of the agitation rate (N=300, 500 or 700 rpm), the dissolved oxygen concentration (20%, 50% or 80%) and the specific growth rate (µ=0.05, 0.15 or 0.25 h-¹). A full factorial experimental design (three factors, two levels) was used to perform these experiments, including six runs at the central point, to analyse the significance of the curvature of the statistical models and variability of the process. Models to calculate retamycin concentration in function of these factors, growth inhibition diameter, determined by disc diffusion tests and the morphology of the microrganism, grown as filaments, clumps or pellets were investigated. Best results were achieved for retamycin concentration when N = 300 rpm and µ = 0.05 h-¹. Statistical analysis showed no influence of the dissolved oxygen concentration in the range studied. Statistical models were calculated by multiple linear regression for the responses of interest (biomass, reatmycin and glucose concentration, conversion yields and productivities) in function of N, OD and µ in coded units. Curvature was significant (\'alfa\' = 10%) for retamycin concentration. A phenomenological model for retamycin concentration in function of the agitation rate (N) and specific growth rate (µ) in steady state was determined: Ret = (1005/N)*exp(-12.79*µ) R² = 0.97. This model was checked by calculation with data of all runs included in this project and also of some continuous experiments reported by Pamboukian (2003), when 0.05 µ 0.25 h-¹. A correlation between retamycin concentration as a function of the diameter of the growth inhibitory area (\'fi\') was determined (biological activity tests): Ret = 0.2889 * \'fi\' - 1.4437 R² = 0.93, ( in mm). It was not possible to establish a correlation between either clumps or pellets percentage and the factors of the experimental design. Filaments percentage was related to N, µ and the interactions N*µ and N*OD* µ. A statistical model in uncoded units was calculated and combined with the phenomenological model. In this case the percentage of clumps was added to the percentage of pellets; this morphological class was identified as AGL: Ret = [(34 + 100*µ)/(83 - %AGL - 116* µ)] * (exp(-12.79*µ)) R² = 0.95. Another model relating the specific retamycin productivity to the average area of AGL was proposed: Pret / Xc = 0,015 * [((AM - 3.75)/AM) + exp(-0,3 * (AM - 3.75)2)] R² = 0.8. Different dyes were tested to identify non-viable cells. Good results were achieved using BacLight® . Unfortunatelly it was not possible to conclude these experiments due to some delay occurred in the process to import specific fluorescense filters.

Cosmomicina é um antibiótico antitumoral produzido pela bactéria Streptomyces olindensis DAUFPE 5622. Estudos de expressão gênica demonstraram que genes cuja expressão esta relacionada a condições de estresse (dnaJ e 18hsp), assim como genes associados a via biossintética de cosmomicina, são expressos sob condições de produção do antibiótico. Genes que ainda tinham a função desconhecida foram selecionados (cosS e cosY) e foram realizados análises bioinformáticas destes atribuindo-lhes a função de regulador transcricional e ornitina ciclodesaminase, respectivamente. Um cassete para inativação desses genes foi construído visando a futura obtenção de mutantes nulos. Genes de glicosiltransferase (cosK e cosG) também apresentaram diferenças na expressão na presença do antibiótico. Neste trabalho, foi revelada a presença de uma hipotética glicosiltransferase que tem homologia com a B-daunosamine daunomy, glicosiltransferase envolvida na transferência de açúcares na biossíntese do antibiótico daunomicina. / Cosmomycin is an antitumoral antibiotic produced by the soil bacteria Streptomyces olindensis DAUFPE 5622. Gene expression studies established that stress condition genes like dnaJ and 18hsp, and cosmomycin biosynthetic pathways genes are expressed under antibiotic production. Also the genes cosS and cosY (unknowns function), were selected and analyzed by bioinformatics techniques attributing a transcriptional regulator and ornithine cyclodeaminase functions, respectively. A cassette was constructed in order to inactivate these two selected genes and generating void mutants. Another gene cosK, with glycosiltransferase function, also presented differences in its expression when the antibiotic is produced. We described in this work the presence of a hypothetical glycosiltransferase related with B-daunosamine daunomy, which transfers sugar molecules in the biosynthesis of daunomycin antibiotic.

As espécies patogênicas do gênero Colletotrichum apresentam importância mundial, pois causam danos a várias culturas de interesse agronômico. Diversas medidas de controle são empregadas, mas estas nem sempre são eficazes devido à ocorrência de linhagens resistentes. Desta forma, se faz necessário a busca por novos compostos que possam ser utilizados no manejo integrado desta doença. Os produtos naturais isolados de micro-organismos podem ser uma alternativa para o desenvolvimento de novos defensivos agrícolas. Dentre os micro-organismos, as actinobactérias são conhecidas pela produção de inúmeros compostos antimicrobianos. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo o isolamento e a identificação de compostos antifúngicos produzidos por actinobactérias da rizosfera de guaranazeiros. Para isto, a seleção de actinobactérias foi baseada em dois ensaios. No primeiro, as 65 actinobactérias foram avaliadas em ensaio de cultivo pareado frente ao fitopatógeno Colletotrichum gloeosporioides. Destas, os isolados mais promissores foram AM1 (43,78 % de inibição do crescimento micelial), AM3 (43,98 %), AM18 (37,86 %), AM25 (43,17 %), AM30 (47,12 %), AM61 (40,12 %) e AM68 (47,94 %). No segundo ensaio, estes isolados foram cultivados em meio BD e, após o cultivo, o meio metabólico foi submetido a três métodos de extração: (a) partição líquido-líquido com n-butanol; (b) partição líquido-líquido com acetato de etila e (c) coluna sílica gel C18. As frações obtidas a partir das três metodologias foram avaliadas pelo método de difusão em disco de papel contra C. gloeosporioides. Neste ensaio de difusão em disco foram selecionadas as linhagens AM1(n-butanol), AM3 (acetato de etila) e AM25 (C18) para o estudo de bioprospecção. Estas foram identificadas por técnicas moleculares como pertencentes ao gênero Streptomyces. A partir do extrato bruto da Streptomyces sp. AM1 foi isolado um composto análogo do ácido proclavamínico, o qual apresentou atividade mínima inibitória (MIC) de 1,25 mg mL-1 contra o fitopatógeno C. gloeosporioides. Da linhagem Streptomyces sp. AM3 foi isolado o composto streptimidona que apresentou MIC de 1,25 mg mL-1. Já no estudo de Streptomyces sp. AM25 um composto não identificado apresentou MIC de 2,50 mg mL-1. Estes três compostos apresentaram atividade superior aos fungicidas Captan SC® (Captana) e Dithane NT® (Mancozeb), e inferior ao Score® (Difenoconazol). A atividade antifúngica destes compostos ao C. gloeosporioides está sendo relatada pela primeira vez. / The pathogenic species of the genus Colletotrichum present importance worldwide because they cause damage to numerous crops of agronomic interest. Several control methods are employed, but they are not always effective due to the occurrence of resistant strains. Thus, it is necessary searching for new compounds that can be used in the integrated management of this disease. Natural products isolated from microorganisms can be an alternative for the development of new agricultural pesticides. Among microorganisms, actinobacteria are known to produce numerous antimicrobial compounds. In this context, the present study aimed to isolate and identify antifungal compounds produced by actinobacteria from guarana rhizosphere. For this, the selection of actinobacteria was based on two tests. In the first one, the 65 actinobacteria were evaluated in paired cultivation test against the plant pathogen Colletotrichum gloeosporioides. Among them, the most promising isolates were AM1 (43.78% inhibition), AM3 (43.98%), AM18 (37.86%), AM25 (43.17%), AM30 (47.12%), AM61 (40.12%) and AM68 (47.94%). In the second assay, these isolates were cultured in BD medium and, after culturing, the metabolic medium was subjected to three extraction methods: (a) liquid-liquid partition with n-butanol; (B) liquid-liquid partition with ethyl acetate and (c) silica gel column C18. The fractions obtained from the three methodologies were evaluated by paper disc diffusion method against C. gloeosporioides. In this disk diffusion assay, the strains AM1 (n-butanol), AM3 (ethyl acetate) and AM25 (C18) were selected for the bioprospecting study. These were identified by molecular techniques as belonging to the genus Streptomyces. From the crude extract of Streptomyces sp. AM1 the analogous compound proclavaminic acid was isolated, which presented minimal inhibitory activity (MIC) of 1.25 mg mL -1 against the plant pathogen C. gloeosporioides. From Streptomyces sp. AM3, the compound streptimidone was isolated, which presented MIC of 1.25 mg mL-1. In the study of Streptomyces sp. AM25 an unidentified compound had MIC of 2.50 mg mL-1. These three compounds presented superior activity to the fungicides Captan SC® (Captan) and Dithane NT® (Mancozeb), and inferior to the Score® (Difenoconazole). The antifungal activity of these compounds to C. gloeosporioides is being reported here for the first time.

O gênero Streptomyces tem sido estudado nas últimas décadas, pela sua capacidade de produzir vários produtos naturais bioativos. Os microrganismos produtores de antibióticos exigem um ou mais mecanismos de resistência durante a produção destes. Streptomyces olindensis DAUFPE 5622 produz o antitumoral cosmomicina D que faz parte da família das antraciclinas. Neste estudo, se apresenta um modelo de resistência que é expresso conjuntamente com a biossíntese do antibiótico. Os três mecanismos incluem uma bomba de efluxo, um mecanismo enzimático envolvido na resposta a espécies reativas de oxigênio, e um mecanismo envolvido no reparo do DNA, pela ação da proteína homóloga UvrA. Os genes de resistência de S. olindensis foram clonados e expressos em S. albus, contendo o plasmídeo de expressão PEM4A com o promotor constitutivo ermE*p. Avaliou-se a capacidade de resistência à diferentes concentrações das antraciclinas cosmomicina D e doxorubicina. A expressão de cada um dos mecanismos de resistência incrementou a resposta às antraciclinas. / Streptomyces produce various bioactive natural products and possess resistance systems for these metabolites, which are co-regulated with antibiotic biosynthesis genes. Antibiotic producer microorganisms require one or more self-resistance determinants to survival during antibiotic production. Streptomyces olindensis DAUFPE 5622 produces the antitumoral Cosmomycin D, a member of the anthracycline family. In this study we show the resistance genes in Cosmomycin D biosynthetic cluster that provide self-resistance, including an ATP-dependent efflux pump, resistance to DNA damage through UvrA class IIa protein, and response to reactive oxygen species by the enzyme Glutathione peroxidase. We cloned and expressed the resistance genes from S. olindensis in <i.S. albus, containing the expression plasmid PEM4A with the constitutive promoter ermE*p. We evaluated the capacity of resistance to different concentrations of anthracyclines Cosmomycin D and the commercial Doxorubicin. The expression of each resistance component increment the response to anthracyclines.

O objetivo deste trabalho foi estudar a produção do antitumoral retamicina por células imobilizadas de Streptomyces olindensis ICB20 em biorreatores. A imobilização das células foi conseguida após uma etapa inicial de cultivo em erlenmeyers (reativação e pré-imobilização) e posterior envolvimento em gel, utilizando-se alginato de cálcio 3%; as esferas produzidas tinham diâmetro médio de 3,0 ± 0,2 mm. Foram utilizados neste trabalho os biorreatores tipo cesta (2,4 L de volume útil) e coluna de bolhas (1,6 L de volume útil), efetuando-se cultivos em batelada simples, bateladas repetidas e contínuos, visando-se uma comparação dos diferentes sistemas empregados. Também foram realizados alguns cultivos com células livres, a fim de efetuar uma comparação com os sistemas com células imobilizadas nos diferentes biorreatores. Os ensaios consistiram em empregar diferentes condições de agitação (300 e 500 rpm) e aeração (0,4 e 1 vvm) para o biorreator cesta em sistema com células imobilizadas, assim como diferentes vazões de aeração no biorreator coluna de bolhas (1, 2 e 3 vvm). Os cultivos em bateladas repetidas e contínuos foram operados a partir das melhores condições obtidas nos cultivos descontínuos. Foram aplicadas nos sistemas contínuos com células imobilizadas, as vazões específicas de alimentação de 0,05 e 0,2 h -1 no biorreator cesta e vazões de 0,015 a 0,05 h -1 no biorreator coluna de bolhas. A comparação entre os sistemas com células livres e imobilizadas mostrou que as limitações difusionais afetaram significativamente as cinéticas dos ensaios com células imobilizadas, considerando-se apenas uma batelada. A operação do biorreator cesta em sistema de bateladas repetidas apresentou os maiores valores de produção da retamicina (em torno de 1,5 a 1,7 UA), porém sua operação foi possível por apenas três bateladas. O sistema contínuo operado com vazão específica de alimentação de 0,03 h-1, com células imobilizadas no biorreator coluna de bolhas, mostrou ser o mais adequado dentre todos os ensaios realizados com células imobilizadas, apresentando estabilidade na produção, em torno de 0,8 UA, durante 96 horas de alimentação (cerca de três tempos de residência). / The purpose of this study was to investigate the production of the antitumor antibiotic retamycin by immobilized cells of Streptomyces. olindensis ICB20 in bioreactors. Cells were immobilized by entrapment in Ca-alginate gel (3%) after being grown in Erlenmeyers (reactivation and pre-immobilization cultures). The average diameter of the Ca-alginate beads was 3.0 ± 0.2 mm. Aiming to compare different cell systems, immobilized cell cultures were carried out in a 2.4L working volume basket-type stirred tank reactor (BSTR) and a 1.6 L working volume bubble column reactor (BCR) in batch, repeated-batch and continuous modes. Free cell suspension cultures were also performed and the results obtained compared to those in immobilized cell systems. Different agitation rates (300 and 500 rpm) and air flow rates (0.4 and 1.0 v.v.m.) were employed in the BSTR immobilized cell experiments.The BCR cultures were conducted at 1.0, 2.0 and 3.0 v.v.m. The optimal operating conditions for the batch mode were used in the repeated-batch and continuous cultures. Immobilized cells were grown in continuous mode at feed dilution rates of 0.05 and 0.2 h-1 in the BSTR and at 0.015 and 0.05 h-1 in the BCR. The comparative evaluation of the batch cultures with free and immobilized cells showed that diffusion limitations had affected the kinetics of cell growth and retamycin production in the immobilized cell systems. The highest average values of retamycin content (from 1.5 to 1.7 AU) were achieved in repeated batch cultures conducted in the basket-type reactor (BSTR) in spite of a limited number of batches (3 batches). Of all the systems, the continuous cell immobilized culture carried out in the BCR at a dilution rate of 0.03 h-1 proved to be the most adequate for retamycin production as retamycin levels remained stable (around 0.8 AU) over 96 hours (about 3 residence times).

Os micro-organismos são profícuas fontes de produtos naturais bioativos. Diversos fármacos de importância clínica são de origem microbiana, sendo que a maioria dos antibióticos usados clinicamente é produzida por actinobactérias, principalmente do gênero Streptomyces. A resistência a múltiplas drogas por microorganismos patogênicos e também pelas células tumorais leva à necessidade por novos fármacos antibacterianos e antitumorais. Actinobactérias endofíticas têm demonstrado grande potencial para a busca de produtos naturais bioativos. O presente trabalho relata o estudo químico de duas linhagens de actinobactérias endofíticas, Streptomyces sp. RTd 22 e Streptomyces sp RTd 31, isoladas das raízes de Tithonia diversifolia. As frações ativas nos ensaios biológicos foram fracionadas para a identificação dos compostos bioativos, sendo eles os antibióticos macrolídeos concanamicinas A (S31-1) e B (S31-2), anidro-agliconas das concanamicinas A (S31-3) e B (S31-4), todos produzidos por Streptomyces sp RTd31, e o ionóforo poliéter grisorixina (S22-2), produzido por Streptomyces sp. RTd22. Foi realizado o monitoramento da produção desses compostos bioativos por UPLC-MS através do modo SIM. As concanamicinas A e B tiveram um máximo de produção com 96h, já a grisorixina obteve um máximo com 192h. Outros compostos identificados por desreplicação dos extratos butanólicos de ambas as actinobactérias foram os sideróforos norcardamina (S31-7) e desoxi-nocardamina (S31-8), já o sideróforo desferrioxamina B (S31-9) foi identificado apenas nos extratos butanólicos de Streptomyces sp RTd31. Experimentos de variação do meio de cultivo e co-cultura com bactérias patogênicas foram empregados a fim de estimular a biossíntese de novos compostos, porém nenhum novo metabólito foi identificado. O sequenciamento genético da actinobactéria Streptomyces sp. RTd22 permitiu verificar a presença de vários clusters biossintéticos nesse micro-organismo através da análise feita pelo antiSMASH. Foi possível identificar o cluster da himastatina (S22-4) e da coeliquelina (S22-5), sendo que ambos os compostos não foram biossintetizados nas condições de cultivo utilizadas. O cluster biossintético da grisorixina foi determinado e o experimento de recombinação homóloga para a deleção do gene análogo a flavina mono-oxigenase da nigericina nigC foi realizado. Dois mutantes foram obtidos e um deles foi cultivado para a análise do perfil metabólico por espectrometria de massas. Não houve a produção da grisorixina nem do seu possível precursor pelo mutante, mas outros metabólitos foram produzidos / Microorganisms are prolific sources of bioactive natural products. Several clinically important drugs have microbial origin, and most of the therapeutically used antibiotics are produced by actinobacteria, mainly from the genus Streptomyces. The multidrug resistance observed in pathogenic microorganisms and tumor cells lead to the need for new antibacterial and antitumor drugs . Endophytic actinobacteria have shown great potential in the search for bioactive natural products. This work describes the chemical study of two endophytic actinobacteria strains: Streptomyces sp. RTd 22 and Streptomyces sp RTD 31, isolated from Tithonia diversifolia roots. Active fractions in biological assays were further fractionated for identifying the bioactive compounds, which are: the macrolide antibiotics concanamycins (S31-1) and B (S31-2), anhydrous aglycones of concanamycins A (S31-3) and B (S31-4), all four produced by Streptomyces sp. RTd31, and the ionophore polyether grisorixin (S22-2), produced by Streptomyces sp. RTd22. The production of these bioactive compounds was monitored by UPLC-MS via the SIM mode. Concanamycins A and B had maximum production at 96 h, and grisorixin at 192 h. Other compounds identified by the dereplication of buthanolic extracts of both actinobacteria were the siderophore norcardamine (S31-7) and deoxy-nocardamine (S31-8), the siderophores desferrioxamine B (S31-9) was identified only in buthanolic extracts of Streptomyces sp RTd31. Experiments varying media and co-culture were tested to stimulate the biosynthesis of novel compounds, but nothing new was identified. By genome sequencing of Streptomyces sp RTd22 and antiSMASH analysis it was possible to verify the presence of several biosynthetic clusters in the genome of this strain. It was possible to identify the biosynthetic clusters of himastatin (S22-4) and its analogous compound coelichelin (S22-5); however, these compounds were not biosynthesized in the culture conditions used. The grisorixin biosynthetic cluster was determined, and homologous recombination was performed for deleting the analogue gene of nigericin flavin monooxygenase nigCI. Two mutants were obtained, and one of them was cultured for analyzing its metabolic profile by mass spectrometry. There was no production of grisorixin or its possible precursor by the mutant, but others compounds were produced.

<p style="text-align: justify;">Jedno od najvećih dostignuća u dvadesetom veku je bio pronalazak antibiotika i njihova primena u humanoj medicini. Međutim, vremenom se pokazalo da su izazivači bolesti mikroorganizmi koji &ldquo;uče&rdquo; i imaju sposobnost da se &ldquo;menjaju&rdquo;, &scaron;to neminovno dovodi do pojave antibiotske rezistencije, a čemu ide u prilog &scaron;iroko rasprostranjena upotreba antibiotika u lečenju pacijenata i primena humanih antimikrobnih lekova u veterini i fitofarmaciji. Razvoj novih i unapređenje postojećih farmaceutika zahteva ogromna ulaganja koja se mogu ali i ne moraju vratiti godinama. Prvi korak u razvoju novog farmaceutika je identifikacija ciljanog antibiotskog delovanja metabolita izabranog proizvodnog mikroorganizma, nakon čega sledi optimizacija uslova biosinteze u smislu sastava medijuma za proizvodnju.<br />Osnovni cilj ove doktorske disertacije je optimizacija formulacije medijuma za kultivaciju prirodnog izolata Streptomyces hygroscopicus u pogledu izvora makronutrijenata i njihovih količina, kako bi se metabolička aktivnost primenjenog proizvodnog mikroorganizma, u definisanim proizvodnim uslovima, usmerila ka sintezi antibiotika sa ciljanim delovanjem.<br />Optimizacijom formulacije medijuma za kultivaciju prirodnog izolata <em>Streptomyces hygroscopicus</em>, u primenjenim eksperimentalnim uslovima, odabrani su najpogodniji izvori makronutrijenata i definisane su njihove optimalne koncentracije za proizvodnju antibiotika sa ciljanim delovanjem. Utvrđeno je da je biosinteza baktericida efikasnih protiv <em>B. cereus</em> ATCC 10876, <em>S. aureus</em> ATCC 11632 i P. <em>aeruginosa</em> ATCC 27853 najizraženija u medijumu sa fruktozom, sojinim bra&scaron;nom i fosfatnim solima, dok je za dobijanje fungicida koji deluju na <em>C. albicans</em> ATCC 10231 i <em>A. niger</em> ATCC 16404 najadekvatnije primeniti medijum sa glukozom kao izvorom ugljenika i već pomenutim izvorima azota i fosfora pri čemu je odnos navedenih sastojaka medijuma specifičan za svaki test mikroorganizam. Sa tehnolo&scaron;kog aspekta, rezultati ovih istraživanja predstavljaju pouzdan izvor informacija za unapređenje proizvodnih karakteristika primenjenog biokatalizatora, izbor tehnike kultivacije, definisanje toka i optimizaciju postupka proizvodnje baktericida i fungicida sa krajnjim ciljem uvećanja razmera posmatranog bioprocesa.</p> / <p>One of the greatest achievements in the twentieth century was the invention of antibiotics and their application in human medicine. However, over time, it has been proven that disease susceptors are &quot;learning&quot; microorganisms and have the ability to &quot;change&quot;, which inevitably leads to the emergence of antibiotic resistance, which is in favor of widespread use of antibiotics in the treatment of patients and the application of human antibiotics in veterinary medicine and phytopharmacy. The development of new and the advancement of existing pharmaceuticals requires huge investments that may or may not be back for years. The first step in the development of a new pharmaceutical is the identification of the target antibiotic activity of the metabolite of the selected production microorganism, followed by the optimization of the conditions of biosynthesis in terms of composition of the production medium.<br />The main goal of this PhD thesis is the optimization of the formulation of the medium for the cultivation of the natural isolate Streptomyces hygroscopicus in terms of the source of macronutrients and their amounts, in order to direct the metabolic activity of the applied production microorganism, in the defined production conditions, towards the synthesis of antibiotics with targeted action. By optimizing the formulation of the medium for the culture of the natural isolate Streptomyces hygroscopicus, in the applied experimental conditions, the most suitable sources of macronutrients were selected and their optimal concentrations for the production of antibiotics with targeted action were defined. The biosynthesis of bactericides was found to be effective against B. cereus ATCC 10876, S. aureus ATCC 11632 and P. aeruginosa ATCC 27853 most pronounced in the medium with fructose, soy flour and phosphate salts, while for the production of fungicides acting on C. albicans ATCC 10231 and A. niger ATCC 16404 most appropriately apply a glucose medium as carbon source and already mentioned sources of nitrogen and phosphorus wherein the ratio of said ingredients to the medium is specific to each test microorganism. From a technological point of view, the results of these studies represent a reliable source of information for improving the production characteristics of the applied biocatalyst, a selection of cultivation techniques, defining the flow and optimizing the production of bactericides and fungicides with the ultimate goal of increasing the size of the observed bioprocess.</p>

Neste estudo foi acessada a diversidade taxonômica e potencial biológico de actinobactérias isoladas de três biomas brasileiros com atividade antagônica contra Sclerotinia sclerotiorum. No total, 354 isolados foram obtidos da Coleção de Microrganismos de Importância Agrícola e Ambiental (CMAA) da Embrapa - Meio Ambiente. A atividade antagônica contra S. sclerotiorum foi avaliada por meio de ensaio in vitro. Foram selecionados 55 isolados, que apresentaram alguma porcentagem de inibição do crescimento de S. sclerotiorum. A identificação e análise da diversidade dos isolados, usando o gene 16S rRNA, demonstrou que 49 isolados são pertences ao genêro Streptomyces, quatro ao genêro Micromonospora, um a Kocuria e um a Actinomadura. Todas as actinobactérias apresentaram compatibilidade com bactérias benéficas do solo, exceto o isolado Caat P8 35. Três isolados, 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79, inibiram tanto o crescimento micelial quanto a germinação de escleródios de S. sclerotiorum. Os isolados Bc V1 06 e 3AS4 apresentaram hidrólise dos meios de fósforo orgânico e inorgânico. Com a ideia de conhecer o possível mecanismo de ação para solubilização de fósforo, o extrato aquoso do isolado 3AS4 foi submetido à análise de HPLC e o perfil cromatográfico obtido foi similar ácido glucônico. A avaliação desse isolado em casa de vegetação evidenciou diferenças na altura das plantas de soja, após seis semanas, quando inoculadas com a 3AS4. A relação Parte-aérea/Raiz foi significativamente maior quando adicionado o fósforo junto com a actinobactéria. Plantas sem adição de fósforo e com o isolado 3AS4 evidenciaram desenvolvimento similar na Parte-aérea/Raiz quando comparadas com plantas inoculadas com 40 kg ha-1 de PR e SPT. A avaliação da atividade enzimática evidenciou nove isolados capazes de hidrolisar quitina e laminarina como único substrato, sendo que três deles, 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79, foram avaliados quantitativamente, para a atividade enzimática quitinase (&beta; 1-4 -Nacetilglucosaminidase) os resultados foram 0.03, 0.22 e 0.16 UI respectivamente, e a atividade glucanase (&beta; 1-3-glucanase) foi 0.23, 0.25 e 0.26 UI respectivamente. Extratos orgânicos das actinobacterias obtidos com diclorometano (26) e acetato de etila (15) demostraram inibição do crescimento do fungo, somente o isolado 1AS2a apresentou inibição na concentração de 165 &mu;g.mL-1. Estudos espectrométricos revelaram a prescença de um composto da família das bafilomicinas como principal composto ativo. A anotação do genoma do isolado 1AS2a revelou a presença de 33 operons gênicos envolvidos em vias biossínteticas para produção de compostos antimicrobianos, nos quais um deles, apresentou 100% de similaridade para operon de sintese de bafilomicina. Estudos taxonômicos mostraram que as características filogenéticas, morfológicas e químicas do isolado 1AS2c são consistentes com o gênero Streptomyces. Entretanto, algumas diferenças no perfil taxonômico, Hibridização DNA:DNA e análise de Multilocus confirmou o isolado 1AS2cT como linhagem tipo para uma nova espécie de Streptomyces, para qual o nome Streptomyces rhizosphaericola sp. nov. Com os resultados obtidos podemos afirmar: 1. Biomas brasileros possuem uma grande diversidade taxonômica e funcional 2. Os isolados de Actinobacteria posuem capacidade antagonica contra o fungo S. sclerotiorum 3. O isolado 3AS4 posui a capacidade de solubilização de fósforo e estimulação de crescimento vegetal do em condições de casa de vegetação 4. A efetiva produção de compostos antifúngicos do isolado 1AS2a, revelados diante o uso combiando de ferramentas espectroscopicas e bioinformaticas. Considerando todo isso, existe um enorme potencial de biocontrole em isolados de Actinobactérias de diferentes biomas do Brasil que podem ser uma nova opcão para uso na agricultura. / In this study, the taxonomic diversity and biological potential of actinobacteria isolated from different Brazilian biomes with antagonistic activity against Sclerotinia sclerotiorum were accessed. In total, 354 isolates were obtained from the Embrapa - Environment Collection of Microorganisms of Agricultural and Environmental Importance (CMAA). The antagonistic activity against S. sclerotiorum was evaluated by in vitro assay. In total, 55 isolates were obtained, all isolates showed some percentage of visible growth inhibition against S. sclerotiorum. The identification and analysis of the diversity of the isolates using the 16S rRNA gene showed that 49 isolates belong to the Streptomyces genus, 4 isolates belonging to the genus Micromonospora, 1 isolated to the genus Kocuria and 1 isolated to the genus Actinomadura. All the actinobacteria showed compatibility with the soil beneficial bacteria evaluated except the isolate Caat P8 35. Three isolates, 1AS2a, Caat P555 and Caat P8 79 inhibited both mycelia and S. sclerotiorum sclerotia. The isolates Bc V1 06 and 3AS4 showed hydrolysis using organic and inorganic phosphorus media. In order to know the possible mechanism of action for solubilization of phosphorus, the aqueous extract of the 3AS4 isolate was submitted to HPLC analysis, the chromatographic profile obtained was similar to gluconic acid. Greenhouse evaluation showed differences in height of soybean plants after 6 weeks when inoculated with 3AS4. The Shoot/Root ratio was significantly higher when the phosphorus was added along with the actinobacteria. Plants with no phosphorus addition and with 3AS4 showed similar development in the Shoot/Root when compared to inoculated plants with 40 kg.ha-1 of PR and SPT. The evaluation of the enzymatic activity evidenced nine isolates efficient of hydrolyzing chitin and laminarin as the only carbon substrate, three of them; 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79 isolates (&beta;-1-4-N-acetylglucosaminidase) was 0.03, 0.22 and 0.16 IU respectively, however, glucanase activity (&beta;-1-3-glucanase) was 0.23, 0.25 and 0.26 IU respectively. Organic extracts of the actinobacteria obtained with dichloromethane (26) and ethyl acetate (15) demonstrated inhibition of fungus growth, only the 1AS2a isolate presented inhibition at the concentration of 165 &mu;g.mL-1. Spectrometric studies have revealed the presence of a compound of the bafilomycins family as the main active compound. The annotation of the genome of the 1AS2a isolate revealed the presence of 33 gene operons involved in biosynthetic pathways for the production of antimicrobial compounds, in which one of them presented 100% similarity to the bafilomycin synthesis cluster. Taxonomic studies have shown that the phylogenetic, morphological and chemical characteristics of the 1AS2c isolate are consistent with the genus Streptomyces. However, some differences in the taxonomic profile, DDH and Multilocus analysis confirmed the isolated 1AS2cT as a type strain for Streptomyces, for which the name Streptomyces rhizosphaericola sp. Nov. With the results obtained we can corroborate: 1. Brazilian biomes possess a great taxonomic and functional diversity 2. Detection of the antagonism of Actinobacteria isolates against S. sclerotiorum fungus 3. Phosphorus solubilization and plant growth stimulation of 3AS4 isolate under conditions of greenhouse 4. The effective antifungal compounds production of the 1AS2a isolate, revealed in the combining use of spectroscopic and bioinformatics tools. Considering all this, there is an enormous potential for biocontrol in isolates of Actinobacteria from different Brazilian biomes that may be a new option for use in agriculture.

<p style="text-align: justify;">Plodovi jabuke su tokom čitave godine prisutni u ishrani beba, dece i odraslih ljudi zbog čega je kvalitet i zdravstevena bezbednost ovih namirnica od izuzetnog značaja. Veliki broj fitopatogenih gljiva su prouzrokovači bolesti jabuka međutim, među značajnim prouzrokovačima bolesti jabuka u skladi&scaron;tima spominju se gljive iz rodova Alternaria i Fusarium. Smatra se da su zdravstveno bezbedni plodovi jabuke pre svega zdravi plodovi, bez prisustva fitopatogenih gljiva i bez ostataka fungicida. Sve veća briga oko primene sintetičkih fungicida zbog njihove toksičnosti, razvoja rezistentnosti patogena na fungicide i &scaron;tetnih efekata na životnu sredinu i zdravlje ljudi, doveli su do potrebe za pronalaženjem alternative hemijskoj za&scaron;titi, a jedno od mogućih se ogleda upravo u primeni biotehnolo&scaron;kim postupkom proizvedenih agenasa. Budući da su visoki tro&scaron;kovi biotehnolo&scaron;ke proizvodnje osnovna prepreka za &scaron;iru primenu ovih agenasa, optimizacija uslova izvođenja biosinteze predstavlja najvažniji korak ka njenom prevazilaženju. Stoga je kao cilj istraživanja u okviru ove doktorske disertacije definisana optimizacija biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom Streptomyces hygroscopicus na nivou laboratorijskog bioreaktora u pogledu odabira izvora ugljenika i azota i količina izvora ugljenika, azota i fosfora u hranljivoj podlozi za biosintezu željenih antagonističkih agenasa, kao i parametara biosinteze sa posebnim osvrtom na intenzitet primenjene aeracije i me&scaron;anja. Analizom dobijenih rezultata zaključeno je da se podloga za kultivaciju S. hygroscopicus koja je sadržala glicerol i pored već prisutnog azota u podlozi nije sadržala dodatni izvor azota, pokazala kao najpogodnija za produkciju željenih antagonističkih agenasa efikasnih protiv izolata vrsta A. alternata i F. avenaceum. Rezultati optimizacije sastava hranljive podloge ukazuju da se primenom definisanih optimalnih vrednosti ispitivanih faktora, koje su: sadržaj glicerola od 20 g/l, sadržaj (NH₄)₂SO₄ od 0,25 g/l i sadržaj K₂HPO₄ od 1,41 g/l u podlozi za biosintezu antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom S. hygroscopicus, na osnovu definisanih matematičkih modela predviđaju sledeće vrednosti parametara toka i parametara uspe&scaron;nosti biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke: rezidualni glicerol od 5,3418 g/l; rezidualni azot od 0,193 g/l; rezidualni fosfati od 0,8601 g/l; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata KA10 od 28,22 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata T1Jg3 od 36,86 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA12 od 25,54 mm i prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA13 od 26,78 mm. Rezultati dobijeni ispitivanjem uticaja različitog intenziteta aeracije i brzine me&scaron;anja na biosintezu antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom S. hygroscopicus u laboratorijskom bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa ukupne zapremine 3 l ukazuju da se primenom definisanih optimalnih vrednosti ispitivanih faktora, brzine me&scaron;anja od 100 o/min, intenziteta aeracije od 1,2 l/l/min i pri trajanju kultivacije od 96 h na osnovu definisanih matematičkih modela predviđaju sledeće vrednosti parametara toka i parametara uspe&scaron;nosti biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke: rezidualni glicerol od 8,2645 g/l; rezidualni azot od 0,1723 g/l; rezidualni fosfati od 0,5167 g/l; suva materija 1,5023 g/l; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata KA10 od 62,62 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata T1Jg3 od 61,09 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA12 od 45,55 mm i prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA13 od 43,02 mm. Validnost dobijenih rezultata potvrđena je izvođenjem biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke na podlozi optimalnog sastava i primenom optimalnih procesnih parametara u laboratorijskom bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa ukupne zapremine 7l, a efikasnost produkovanih antagonističkih agenasa efikasnih na izolate A. alternata (KA10 i T1Jg3) i F. avenaceum (KA12 i KA13) potvrđena je i u in planta ogledima. Ostavreni rezultati optimizacije biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom Streptomyces hygroscopicus na nivou laboratorijskog bioreaktora predstavljaju osnovu za dalje uvećanje razmera do industrijskih, &scaron;to je ključni korak ka potencijalnoj industrijalizaciji predloženog proizvodnog postupka.</p> / <p>Apple fruits are available on the market all year round and their safety is of great importance for the consumers. Unfortunately, many phytopathogenic fungi can cause apple diseases but fungi from the genera Alternaria and Fusarium are listed among important storage pathogens of apple fruits. It is considered that health-safe apple fruits are primarily healthy fruits, without the presence of phytopathogenic fungi and without the remains of fungicides. Excessive use of pesticides in modern agriculture, including those used for control of fungal phytopathogens, has led to several problems related to pollution, environmental degradation and emergence of resistant strains. Biological<br />control of plant pathogens by means of microorganisms is considered as an attractive alternative to chemical-based treatments, with minimal impact on the environment. The main lack of biotechnology production of the antifungal agents are the high costs, so the optimization of the biosynthesis conditions is the most important step towards its overcoming. Therefore, the aim of this research is to optimize the medium composition and process conditions (agitation and aeration rate) of the antagonists of storage apple pathogens biosinthesis by Streptomyces hygroscopicus in laboratory-scale bioreactor. Based on the obtained results, it can be concluded that the S. hygroscopicus cultivation medium containing glycerol as a carbon source, with no additional nitrogen source, proved to be the most suitable for the production of the A. alternate and F. avenaceum antagonistic agents. The results of the optimization of medium for biosynthesis of the antagonists of storage apple pathogens using S. hygroscopicus indicated the following optimal values of the examined factors: the content of glycerol of 20 g/l, (NH₄)₂SO₄ of 0.25 g/l and K₂HPO₄ of 1.41 g/l. By applying the defined optimal values and using the appropriate mathematical models, the following responses are predicted: residual glycerol of 5.3418 g/l; residual nitrogen of 0.193 g/l; residual phosphates of 0.8601 g/l; inhibition zone diameters of A. alternata KA10 of 28.22 mm; inhibition zone diameters of A. alternata T1Jg3 of 36.86 mm; inhibition zone diameters of F. avenaceum KA12 of 25.54 mm and inhibition zone diameters of F. avenaceum KA13 of 26.78 mm. Examining the effect of different agitation and aeration rate on the biosynthesis of antagonists of storage apple pathogens using S. hygroscopicus in a laboratory-scale bioreactor with total volume of 3 l, the following optimal values of the investigated factors are obtained: the agitation rate of 100 rpm, the aeration of 1.2 l/l/min and 96-hour as optimal time of cultivation. Bringing together the appropriate mathematical models and defined optimal values, the following responses are predicted: residual glycerol of 8.2645 g/l; residual nitrogen of 0.1723 g/l; residual phosphates of 0.5167 g/l; biomass content of 1.5023 g/l; inhibition zone diameters of A. alternata KA10 of 62.62 mm; inhibition zone diameters of A. alternata T1Jg3 of 61.09 mm; inhibition zone diameters of F. avenaceum KA12 of 45.55 mm and inhibition zone diameters of F. avenaceum KA13 of 43.02 mm. The validity of the results was confirmed by performing the biosynthesis of the antagonists of storage apple pathogens in the medium with optimal composition and the optimal process parameters in a laboratory-scale bioreactor with the total volume of 7l. The efficacy of produced antagonistic agents effective against A. alternata (KA10 and T1Jg3) and F. avenaceum (KA12 and KA13) isolates was confirmed in vitro and in planta. The results obtained within this research represents the basis for the further enlargement of the scale, which is a key step towards the potential industrialization of the proposed production process.</p>