Απομόνωση και ταυτοποίηση βιοδραστικών δευτερογενών μεταβολιτών από βακτήρια θαλάσσιας προέλευσης

Abstract

Due to the uniqueness of the marine environment, natural products isolated from marine organisms often present differentiated chemical structures exhibiting a wide range of biological activities through specialized mechanisms. Several pharmaceutical drugs with the active substance being of marine origin are already on the market, while a significant number is currently in preclinical and clinical trials. In addition, marine natural products find applications in the fields of cosmetology, nutrition, biotechnology and materials science. In recent years, marine microorganisms have attracted constantly increasing attention as they have been proven to be a rich source of novel bioactive molecules with novel carbon skeletons or uncommon functional groups. In the framework of the present PhD thesis, the chemical composition of the organic extracts obtained after large scale cultivation of four selected bacterial strains isolated from marine sediments collected in the Aegean (Milos) and Ionian (Kefalonia and Kerkyra) Seas was investigated. The extracts were subjected to a series of chromatographic separations to result in the isolation of their secondary metabolites, the chemical structures of which were elucidated on the basis of the analysis of their spectroscopic data (mainly NMR and MS). In total, 78 different secondary metabolites were isolated, 75 of which have so far been identified. Among these, 12 are new natural products, while 6 were isolated for the first time from a natural source.Twenty-five secondary metabolites were isolated and identified from Bacillus endophyticus BI0327 strain, including: (i) nine 2,5-diketopiperazines (2,5-DKPs), (ii) three indole derivatives, (iii) one naphthoquinone, (iv) two triterpenes, (v) eight simple aromatic derivatives and (vi) two methacrylic acid derivatives, two of which are new natural products, whereas one was isolated for the first time from a natural source. Two secondary metabolites were isolated and identified from Streptomyces althioticus BI0850 strain, including one 2,5-DKP and one simple nitrogenous compound. Forty-four secondary metabolites were isolated and identified from Streptomyces smyrnaeus BI0918 strain, including: (i) twenty-four 2,5-DKPs, one of which is a new natural product, (ii) seven benzodiazepine derivatives, four of which are new natural products, whereas two were isolated from the first time from a natural source, (iii) an indole derivative, (iv) two nucleoside derivatives, (v) two other nitrogen compounds, one of which was isolated for the first time from a natural source, (vi) a simple sulfur-containing compound, (vii) two derivatives of benzoic acid, (viii) one simple glycerol derivative, (ix) a methacrylic acid derivative which is a new natural product and (x) three high molecular weight polyether metabolites. Thirty-four secondary metabolites were isolated and identified from Bacillus subtilis strain BI0980, including: (i) nineteen 2,5-DKPs, two of which are new natural products and one was isolated for the first time from a natural source, (ii) three indole derivatives, (iii) one nucleoside derivative, (iv) one flavonoid, (v) five benzoic acid derivatives, (vi) four metabolites of different chemical classes, two of which are new natural products and one was isolated for the first time from a natural source and (vii) a methacrylic acid derivative. The evaluation of the biological activity of the metabolites isolated in sufficient quantities is currently in progress.

Λόγω της ιδιαιτερότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος, τα φυσικά προϊόντα που απομονώνονται από θαλάσσιους οργανισμούς παρουσιάζουν συχνά διαφοροποιημένες χημικές δομές με ευρύ φάσμα βιολογικών δράσεων μέσω εξειδικευμένων μηχανισμών. Στο εμπόριο κυκλοφορούν ήδη αρκετά φαρμακευτικά σκευάσματα με τη δραστική ουσία να είναι θαλάσσιας προέλευσης, ενώ πολλά βρίσκονται σε στάδιο προκλινικών και κλινικών δοκιμών. Ακόμη, τα θαλάσσια φυσικά προϊόντα βρίσκουν εφαρμογή στην κοσμητολογία, στη διατροφή, στη βιοτεχνολογία και στην επιστήμη υλικών. Τα τελευταία χρόνια, οι θαλάσσιοι μικροοργανισμοί παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς έχουν αποδειχθεί πλούσιες πηγές νέων βιοδραστικών μορίων με πρωτότυπους ανθρακικούς σκελετούς ή σπάνιες δραστικές ομάδες. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η χημική σύσταση των οργανικών εκχυλισμάτων που παραλήφθηκαν έπειτα από υγρή καλλιέργεια σε μεγάλη κλίμακα τεσσάρων επιλεγμένων βακτηριακών στελεχών, τα οποία έχουν απομονωθεί από θαλάσσια ιζήματα που συλλέχθηκαν στο Αιγαίο (Μήλος) και το Ιόνιο (Κεφαλονιά και Κέρκυρα) Πέλαγος. Τα εκχυλίσματα υποβλήθηκαν σε σειρά χρωματογραφικών διαχωρισμών με σκοπό την απομόνωση των δευτερογενών μεταβολιτών τους, οι οποίοι ταυτοποιήθηκαν με βάση την ανάλυση των φασματοσκοπικών τους δεδομένων (κυρίως NMR και MS). Συνολικά, απομονώθηκαν 78 διαφορετικοί δευτερογενείς μεταβολίτες, εκ των οποίων μέχρι στιγμής έχουν ταυτοποιηθεί οι 75. Εξ αυτών, οι 12 αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα, ενώ οι 6 απομονώθηκαν για πρώτη φορά από φυσική πηγή. Από το στέλεχος Bacillus endophyticus ΒΙ0327 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 25 δευτερογενείς μεταβολίτες: (α) εννέα 2,5-δικετοπιπεραζίνες (2,5-DKPs), (β) τρία παράγωγα ινδολίου, (γ) μία ναφθοκινόνη, (δ) δύο τριτερπένια, (ε) οκτώ απλά αρωματικά παράγωγα και (στ) δύο παράγωγα μεθακρυλικού οξέος, εκ των οποίων δύο αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα, ενώ ένας απομονώθηκε πρώτη φορά από φυσική πηγή. Από το στέλεχος Streptomyces althioticus ΒΙ0850 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 2 δευτερογενείς μεταβολίτες, εκ των οποίων μία 2,5-DKP και μία απλή αζωτούχος ένωση.Από το στέλεχος Streptomyces smyrnaeus ΒΙ0918 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 44 δευτερογενείς μεταβολίτες: (α) εικοσιτέσσερις 2,5-DKPs, εκ των οποίων μία αποτελεί νέο φυσικό προϊόν, (β) επτά παράγωγα βενζοδιαζεπινών, εκ των οποίων τέσσερα αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα και δύο απομονώθηκαν πρώτη φορά από φυσική πηγή, (γ) ένα παράγωγο ινδολίου, (δ) δύο νουκλεοσιδικά παράγωγα, (ε) δύο άλλες αζωτούχες ενώσεις, εκ των οποίων μία απομονώθηκε πρώτη φορά από φυσική πηγή, (στ) μία απλή θειούχος ένωση, (ζ) δύο παράγωγα βενζοϊκού οξέος, (η) ένα απλό παράγωγο γλυκερόλης, (θ) ένα παράγωγο μεθακρυλικού οξέος, το οποίο αποτελεί νέο φυσικό προϊόν και (ι) τρεις πολυαιθερικοί μεταβολίτες μεγάλου μοριακού βάρους. Από το στέλεχος Bacillus subtilis ΒΙ0980 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 34 δευτερογενείς μεταβολίτες: (α) δεκαεννέα 2,5-DKPs, εκ των οποίων δύο αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα και μία απομονώθηκε πρώτη φορά από φυσική πηγή, (β) τρία παράγωγα ινδολίου, (γ) ένα νουκλεοσιδικό παράγωγο, (δ) ένα φλαβονοειδές, (ε) πέντε παράγωγα βενζοϊκού οξέος, (στ) τέσσερεις μεταβολίτες διαφορετικών κατηγοριών, εκ των οποίων δύο αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα και ένα απομονώθηκε πρώτη φορά από φυσική πηγή και (ζ) ένα παράγωγο μεθακρυλικού οξέος. Η αξιολόγηση της βιολογικής δράσης των μεταβολιτών που έχουν απομονωθεί σε ικανές ποσότητες βρίσκεται επί του παρόντος σε εξέλιξη.