Marine sponge-associated actinomycetes are reservoirs of diverse natural products with novel biological activities. Their antibiotic potential has been well explored against a range of Gram positive and negative bacteria. However, not much is known about their anti-infective or anti-virulence potential against human pathogens. This Ph.D. project aimed to investigate the anti-infective (anti-Shiga toxin and anti-biofilm) potential of sponge-derived actinobacteria through identification and isolation of their bioactive metabolites produced and characterizing their mechanism of action by transcriptomics. This thesis is divided into three studies with the overall objective of exploring the anti-infective efficacy of actinomycetes-derived extracts and compound(s) that could possibly be used as future therapeutics.
The first study deals with investigation on the anti-Shiga toxin effects of sponge-associated actinomycetes. Diarrheal infections pose a huge burden in several developing and developed countries. Diarrheal outbreaks caused by Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) could lead to life-threatening complications like gastroenteritis and haemolytic uremic syndrome (HUS) if left untreated. Shiga toxin (Stx) produced by EHEC is a major virulence factor that negatively affects the human cells, leading them to death via apoptosis. Antibiotics are not prescribed against EHEC infections since they may enhance the risk of development of HUS by inducing the production and release of Stx from disintegrating bacteria and thereby, worsening the complications. Therefore, an effective drug that blocks the Stx production without affecting the growth needs to be urgently developed. In this study, the inhibitory effects of 194 extracts and several compounds originating from a collection of marine sponge-derived actinomycetes were evaluated against the Stx production in EHEC strain EDL933 with the aid of Ridascreen® Verotoxin ELISA assay kit. It was found that treatment with the extracts did not lead to significant reduction in Stx production. However, strepthonium A isolated from the culture of Streptomyces sp. SBT345 (previously cultivated from the Mediterranean sponge Agelas oroides) reduced the Stx production (at 80 μM concentration) in EHEC strain EDL933 without affecting the bacterial growth. The structure of strepthonium A was resolved by spectroscopic analyses including 1D and 2D-NMR, as well as ESI-HRMS and ESI-HRMS2 experiments. This demonstrated the possible application of strepthonium A in restraining EHEC infections.
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In the second study, the effect of marine sponge-associated actinomycetes on biofilm formation of staphylococci was assessed. Medical devices such as contact lenses, metallic implants, catheters, pacemakers etc. are ideal ecological niches for formation of bacterial biofilms, which thereby lead to device-related infections. Bacteria in biofilms are multiple fold more tolerant to the host immune responses and conventional antibiotics, and hence are hard-to-treat. Here, the anti-biofilm potential of an organic extract derived from liquid fermentation of Streptomyces sp. SBT343 (previously cultivated from the Mediterranean sponge Petrosia ficiformis) was reported. Results obtained in vitro demonstrated its anti-biofilm (against staphylococci) and non-toxic nature (against mouse macrophage (J774.1), fibroblast (NIH/3T3) and human corneal epithelial cell lines). Interestingly, SBT343 extract could inhibit staphylococcal biofilm formation on polystyrene, glass and contact lens surfaces without affecting the bacterial growth. High Resolution Fourier Transform Mass Spectrometry (HR-MS) analysis indicated the complexity and the chemical diversity of components present in the extract. Preliminary physio-chemical characterization unmasked the heat stable and non-proteinaceous nature of the active component(s) in the extract. Finally, fractionation experiments revealed that the biological activity was due to synergistic effects of multiple components present in the extract.
In the third study, anti-biofilm screening of 50 organic extracts generated from solid and liquid fermentation of 25 different previously characterized sponge-derived actinomycetes was carried out. This led to identification of the anti-biofilm organic extract derived from the solid culture of Streptomyces sp. SBT348 (previously cultivated from the Mediterranean sponge Petrosia ficiformis). Bioassay-guided fractionation was employed to identify the active fraction Fr 7 in the SBT348 crude extract. Further purification with semi-preparative HPLC led to isolation of the bioactive SKC1, SKC2, SKC3, SKC4 and SKC5 sub-fractions. The most active sub-fraction SKC3 was found to be a pure compound having BIC90 and MIC values of 3.95 μg/ml and 31.25 μg/ml against S. epidermidis RP62A. SKC3 had no apparent toxicity in vitro on cell lines and in vivo on the greater wax moth Galleria melonella larvae. SKC3 was stable to heat and enzymatic treatments indicating its non-proteinaceous nature. HR-MS analysis revealed the mass of SKC3 to be 1258.3 Da. Structure elucidation of SKC3 with the aid of 1D and 2D-NMR data is currently under investigation. Further, to obtain insights into the mode of action of SKC3 on S. epidermidis RP62A, RNA sequencing was done. Transcriptome data revealed that SKC3 was recognized by RP62A at 20 min and SKC3 negatively interfered with the central metabolism of staphylococci at 3 h. Taken
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together, these findings suggest that SKC3 could be a lead structure for development of new anti-staphylococcal drugs.
Overall, the results obtained from this work underscore the anti-infective attributes of actinomycetes consortia associated with marine sponges, and their applications in natural product drug discovery programs. / Meeresschwamm-assoziierte Actinomyceten stellen ein Reservoir für verschiedene
natürliche Produkte mit neuartigen biologischen Aktivitäten dar. Ihr antibiotisches Potenzial gegenüber einer Reihe von Gram-negativen und -positiven Bakterien ist bereits intensiv erforscht worden. Wenig ist allerdings über ihre antiinfektive und antivirulente Wirksamkeit gegenüber menschlichen Pathogenen bekannt. Ziel dieser Doktorarbeit war es, die antiinfektiven Fähigkeiten (anti-Shiga-Toxin und anti-Biofilm) der aus Schwämmen isolierten Actinobakterien zu untersuchen. Hierfür wurden bioaktive Metabolite der Actinobakterien identifiziert und isoliert und abschließend wurde ihr Wirkmechanismus mit Hilfe einer Transkriptomanalyse charakterisiert. Diese Arbeit ist in drei Studien gegliedert, welche alle zum Ziel hatten die antiinfektive Wirksamkeit von aus Actinomyceten gewonnenen Extrakten und Komponente(n), welche möglicherweise als zukünftige Therapeutika dienen könnten,
zu untersuchen.
Die erste Studie befasst sich mit den anti-Shiga-Toxin Effekten der Meeresschwamm- assoziierten Actinomyceten. Durchfallinfektionen stellen in vielen Entwicklungsländern aber auch in Industrieländern eine große Gefahr dar. Durchfallerkrankungen die durch enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) hervorgerufen werden, können sich zu lebensbedrohlichen Komplikationen wie Gastroenteritis oder dem hämolytisch urenischen Syndrom (HUS) weiterentwickeln. Das von den EHEC Stämmen produzierte Shiga-Toxin (Stx) stellt hierbei den Haupt Virulenz Faktor dar, welcher die eukaryotische Proteinsynthese menschlicher Zellen negativ beeinflusst, was wiederum den Zelltod durch Apoptose zur Folge hat. Die Behandlung der EHEC-Patienten mit Antibiotika wird nicht empfohlen, da dies zu einem Anstieg von freigesetztem Stx der zersetzen Bakterien führen könnte, wodurch das Risiko für die Entwicklung des HUS ansteigt. Aus diesem Grund werden effektive Medikamente dringen benötigt, welche die Stx Produktion blockieren ohne das Wachstum der Bakterien zu beeinflussen. In dieser Studie wurden 194 Extrakte und einige isolierte Komponenten von aus Schwämmen gewonnenen Actinomyceten auf ihren negativen Einfluss auf die Stx Produktion des EHEC Stammes EDL933 mit der Hilfe des Ridascreen® Verotoxin ELISA Kits untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Zugabe der Extrakte keinen signifikanten Einfluss auf die Stx Produktion hatte. Strepthonium A auf der anderen Seite, welches aus Streptomyces sp. SBT345 isoliert wurde (vom mediterranen Schwamm
Agelas oroides) konnte die Stx Produktion von EDL933 bei einer Konzentration von 80 µM
reduzieren ohne das Wachstum des EHEC Stammes zu beeinflussen. Die Struktur von Strepthonium A wurde mittels spektroskopischer Analyse (1D- und 2D-NMR), sowie mittels ESI-HRMS und ESI-HRMS2 Experimenten entschlüsselt. Basierend auf diesen Ergebnissen könnte Strepthonium A eine mögliche Alternative oder Zusatz in der Behandlung einer EHEC Infektion darstellen.
In der zweiten Studie wurde der Einfluss der Meeresschwamm-assoziierten Actinomyceten auf die Biofilmbildung von Staphylokokken bewertet. Medizinische Produkte wie Kontakt Linsen, metallische Implantate, Katheter, Herzschrittmacher, usw. stellen optimale ökologische Nischen für die Ausbildung von bakteriellen Biofilmen dar, wodurch Infektionen im Menschen hervorgerufen werden können. Bakterien in einem Biofilm sind deutlich toleranter gegenüber der Immunantwort ihres Wirtes sowie gegenüber konventionellen Antibiotika und sind daher schwer zu bekämpfen. In dieser Studie wurde das anti-Biofilm Potential eines organischen Extrakts der flüssigen Fermentation von Streptomyces sp. SBT343 (vom mediterranen Schwamm Petrosia ficiformis) ermittelt. In vitro Ergebnisse zeigten, dass das organische Extrakt anti-Biofilm (gegenüber Staphylococci) Fähigkeiten besitzt und nicht toxisch für Maus Makrophagen (J774.1), Fibroblasten (NIH/3T3) und humane korneale Epithelzellen ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass das SBT343 Extrakt die Ausbildung eines Biofilms von Staphylokokken auf den Oberflächen von Polystyrol, Glass und Kontaktlinsen unterbinden konnte ohne das bakterielle Wachstum zu beeinflussen. Die hochauflösende Fouriertransformation-Massenspektrometrie (HR-MS) Analyse konnte die Komplexität sowie die chemische Vielfalt an Komponenten im Extrakt aufzeigen. Eine vorläufige, physio-chemische Charakterisierung deutet darauf hin, dass die aktive Komponente im Extrakt hitzestabil und nicht proteinartiger Natur ist. Abschließend konnte durch Fraktionierungsexperimente gezeigt werden, dass die biologische Aktivität auf synergistischen Effekten mehrerer Komponenten im Extrakt beruht.
In einer dritten Studie wurden 50 organische Extrakte, welche aus fester und flüssiger Fermentierung von 25 verschiedenen aus Meeresschwämmen isolierten Actinomyceten gewonnen wurden, auf anti-Biofilm-Aktivität untersucht. Hierbei wurde die anti-Biofilm Aktivität des organischen Extrakts der Festkultur von Streptomyces sp. SBT348 (vom mediterranen Schwamm Petrosia ficiformis) identifiziert. Eine Bioassay gestützte Fraktionierung führte zu der Identifikation der aktiven Fraktion Fr 7 im SBT348 Extrakt. Durch weitere Aufreinigung des Extrakts mit einer semipräparativen HPLC, konnten die bioaktiven Sub-Fraktionen SKC1, SKC2, SKC3, SKC4 und SKC5 isoliert werden. Die Sub-
Fraktion SKC3 hatte den stärksten anti-Biofilm Effekt und bestand aus einer reinen
Verbindung mit BIC90 und MIC Werten von 3,95 µg/ml und 31,25 µg/ml gegen S. epidermidis RP62A. SKC3 zeigte weder erkennbare Toxizität gegenüber Zelllinien in vitro noch gegenüber den Larven der großen Wachsmotte Galleria melonella in vivo. SKC3 war Hitze- und Enzym-resistent, was auf eine nicht proteinartige Natur hindeutet. Eine HR-MS Analyse ergab, dass die Masse von SKC3 1258,3 Da beträgt. Die Strukturanalyse von SKC3 durch 1D und 2D-NMR ist zurzeit in Bearbeitung. Um weiteres Verständnis über den anti-Biofilm Wirkmechanismus von SKC3 auf S. epidermidis RP62A zu erlangen, wurde eine RNA Sequenzierungsanalyse durchgeführt. Die Transkriptomanalyse zeigte, dass SKC3 von RP62A nach einer 20-minütigen Inkubationszeit erkannt wird und dass SKC3 den zentralen Metabolismus des Staphylokokken Stammes nach 3 h negativ beeinflusst. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass SKC3 als Leitstruktur für die Entwicklung neuer anti- Staphylokokken Medikamente dienen könnte.
Zusammenfassend heben die Ergebnisse dieser Arbeit die antiinfektiven Eigenschaften der Meeresschwamm-assoziierte Actinomyceten hervor und bieten eine Möglichkeit für die Nutzung dieser in Wirkstoffentwicklungsprogrammen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:16388 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Balasubramanian, Srikkanth |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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