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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1604 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Scheuermayer, Matthias |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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