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Marine Sponges:
Potential for Biotechnological
Applications
Ana I. S. Esteves
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
As Esponjas Marinhas
Bactérias
Cianobactérias
Archea
Eucariotas
Vírus
Animais Multicelulares Primitivos
Alimentação por filtração
Sem diferenciação celular
<0,1%
6%
5%
3%
Totipotência
86%
Elevada densidade génica
Grande diversidade de morfologias e habitats
Extremamente sociáveis!
Defesa essencialmente química
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Biotecnologia Marinha
As esponjas são os mais prolíficos produtores de novos compostos
Diversas Aplicações:
- Farmacêutica
Actividades antivirais, antitumorais, antibióticas, analgésicas, anti-inflamatórias
- Tecnológica
Anti-’fouling’, biomateriais, bioremediação
Problema de ‘scale-up’
Blunt et. al. 2009 Nat. Prod. Rep. 26, 170-244
Hospedeiro ou Simbionte?
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Aplicações Biotecnológicas
Dois casos de estudo:
1.Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
2. Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e
Inibição do VIH-1
Extracção e isolamento de macromoléculas com actividade anti-VIH
Potencial aplicação farmacêutica
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
VIH e SIDA
“AIDS continues to be a major global health priority.” UNAIDS 2009
1 nova infecção/12s
1 morte/15s
UNAIDS – AIDS Epidemic Report 2009
Urgente!!! Novos fármacos, novos alvos terapêuticos, vacinas.
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
1951-Werner Bergman extrai os análogos de nucleósidos
Spongotimidina e Spongouridina, da esponja Tethya crypta
AZT
(zidovudine)
Até 2003, reportadas:
- 35 espécies de esponja com metabolitos anti-VIH;
- 15 classes distintas de compostos;
- 9 actividades de inibição diferentes.
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
‘Screening’ actividade anti-VIH
% Inibição do VIH-1
inhibition %
100
100
95
94
90
94
90
86
90
80
77
80
67
70
60
56
60
55
56
48
50
40
34
36
34
29
30
23
20
7
10
0
5
0
6
5
1
0
0
Erylus discophorus
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
M.M. > 2000 kDa
Natureza glicídica
Molécula aniónica
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
Conclusões:
Actividade ‘Species-specific’ e independente da localização
Inibição do VIH-1 ao nível da fusão
Molécula (parcialmente?) glicídica, hidrofílica,
M.M.>2000 kDa, aniónica a pH = 6.0
Perda de actividade:
-efeito sinergístico
- problema de concentração
- perda de estabilidade
- impedimento estereoquímico
Esteves A.I.S., Nicolai M., Humanes M., Goncalves J. “Sulfated Polysaccharides in Marine Sponges:
Extraction Methods and Anti-HIV Activity.” Marine Drugs. 2011; 9(1):139-153.
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Erylus discophorus e Inibição do VIH-1
Perspectivas futuras:
Elucidação da origem biológica: hospedeiro ou simbionte?
Testes de toxicidade; aplicação em géis vaginais
Actividade antiviral de largo espectro?
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e
Bioacumulação de Níquel
Estudo do mecanismo de bioacumulação
Potencial aplicação em bioremedição
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Estados oxidação mais comuns: Ni2+, Ni3+
Ni2+ poderoso oxidante
raio iónico Ni2+ semelhante a Zn2+
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Reacções redox na célula podem danificar
proteínas, lípidos e ADN
Entrada, transporte, armazenamento
e concentração intracelular de níquel altamente reguladas!
Transportadores
Metalochaperon
e
Proteína
reguladora
Permeases
Metalochaperones
Ni2+
Permeases
Proteínas reguladoras
Apoenzima
Transportadores
Enzima de Níquel
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Cataliza reacções metabólicas essenciais
6 enzimas de níquel bem estudados
Glioxalase I, aciredutona dioxigenase, cis/trans-isomerase
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Esponjas marinhas como bioindicadores
de contaminação ambiental
Acumulação de metais:
Poluição ou bioacumulação?
?
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Composição elementar de esponjas marinhas
recolhidas na Reserva Natural das Berlengas (EDXRF)
Specie
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
n=3
n=3
n=1
n=5
n=2
n=4
n=4
n=3
n=3
n=2
n=5
Al (%)
0.04-0.07
n.d.-0.02
n.d.
n.d.-0.14
0.12-0.40
0.27-0.76
n.d.-0.32
0.10-0.86
n.d.-0.40
0.30-0.91
0.11-0.49
Si (%)
13.16-7.83
0.74-10.33
10.64
6.49-10.56
9.81-10.32
0.18-0.79
0.95-6.43
0.17-1.20
0.40-1.47
4.04-6.85
0.20-1.35
K (%)
0.64-0.70
0.19-0.72
0.78
0.76-1.36
0.43-0.54
0.49-0.61
0.73-0.91
0.48-0.68
0.61-1.38
0.59-1.16
0.21-0.91
Ca (%)
0.58-0.89
0.10-0.47
0.35
0.50-0.56
0.31-0.95
0.57-1.25
0.61-1.50
0.54-1.45
1.15-3.13
1.06-4.52
0.85-2.18
Ti
15-22
<10
14
<10-26
10-42
n.d.-14
39-100
n.d.-21
14-139
95-222
n.d.-56
Mn
45-102
<10
11
15-20
<10-12
21-34
12-95
n.d.-100
78-767
39-57
36-118
Fe
3600-5300
102-317
156
154-218
170-569
285-1800
523-3200
260-4900
816-1900
2100-12500
354-15900
Ni
2700-3500
<10-12
35
30-46
62-89
19-32
13-28
22-34
37-68
14-21
17-59
Cu
12-16
11-37
15
10-13
<10-11
17-28
14-29
20-25
31-35
18-25
25-66
Zn
4700-6700
49-58
42
31-56
255-362
40-97
34-81
37-80
71-108
24-83
60-89
As
25-32
12-47
73
60-99
16-21
33-65
47-83
47-64
64-119
31-65
14-134
0.14-0.23
0.07-0.11
0.06
0.05-0.08
0.27-0.29
0.53-0.58
0.17-0.36
0.39-0.50
0.18-0.32
0.16-0.25
0.35-0.62
Rb
25-34
13-27
11
<10-23
37-41
37-68
53-101
46-61
40-63
60-118
26-99
Sr
108-130
39-71
57
67-84
29-97
61-111
58-123
56-97
145-259
98-368
102-195
Br (%)
Species:
1 - Cliona viridis; 2 - Cliona celata; 3 - Myriastra anancora; 4 - Erylus discophorus; 5 - Adocia sp; 6 - Spongia nitens; 7 - Spongia agaricina;
8 - Spongia officinalis; 9 - Cacospongia scalaris; 10 - Ircinia fasciculata; 11 - Sarcotragus spinosula
n.d. = not detected
n = number of samples
Araújo, M. F., Conceição, A., Barbosa, T., Lopes, M. T., Humanes, M. (2003) X-Ray Spectrom., 32:428-433
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Elemental composition of sediments in mg kg-1, unless otherwise stated
Sediment I
Sediment II
Average shale
Mean Sediment
Mg
(%)
0.58
0.53
1.5
1.4
Al
(%)
2.03
2.11
8.0
7.2
Si
(%)
15.07
14.41
27.3
24.5
464
208
700
670
P
S
(%)
0.35
0.31
-
-
Cl
(%)
0.48
0.44
-
-
K
(%)
1.74
2.03
2.7
2.0
Ca
(%)
18.68
19.02
2.2
6.6
Ti
(%)
0.025
0.020
0.5
0.4
Cr
20
17
90
72
Mn
35
29
850
770
0.35
0.14
4.7
4.1
Ni
<10
<10
68
52
Cu
<10
<10
45
33
Zn
12
<10
95
95
As
<10
<10
13
8
Br
20
21
-
-
Rb
84
90
-
-
Sr
1200
1100
140
320
Y
<10
<10
-
-
Zr
13
25
160
150
I
154
-
-
-
13
<10
20
19
Fe
Pb
(%)
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Bioacumulação:
• Mineral
- grânulos
- adsorção
• Orgânica
- metalotioninas, fitoquelatinas, etc.
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Estratégia de Fraccionamento
Composição
Elementar (ICP-AES)
Ni-Mt
Migração ≈ NiCl2
Extracto bruto
Extracto com choque
térmico (h.s.e.)
SDS-PAGE
Cromatografia de
filtração em gel
Simes, D. C.; Bebiano, M. J.; Moura J. J. (2003)
Aquat.Toxicol. 63(3): 307-18
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Composição Elementar (ICP-AES)
Na Cliona viridis ̴1425 mg Ni/kg esponja
Fracção tem 6
̴ 6% do conteúdo inicial de Ni na esponja
Fracção tem 8
̴ 7% do Ni presente no h.s.e.
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
“Complexo Cliona viridis” – esponjas bioerosivas
da família Clionidae com zooxanthellae associados
98% homologia entre
sequências deste estudo
86% com sequências da
base de dados (NCBI)
?
Symbiodinium sp.
potencial
acumulador de Ni
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel
Conclusões
Bioacumulação de níquel em esponjas do “Complexo Cliona viridis” independente
da localização e contaminação
Bioindicador de contaminação ambiental
Teores médios de níquel ~1300 ppm; >100xs acima das concentrações nos sedimentos
Níquel na forma íonica livre ou associado a molécula de baixa M.M. (<3000 Da),
catiónica, não proteíca, provavelmente extracelular
Níquel acumulado por dinoflagelados?
Função de defesa?
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Conclusões Gerais
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Conclusões Gerais
Extensão da plataforma
continental portuguesa:
3 027 408 km2
10ª maior ZEE do mundo!
Faz sentido a exploração científica dos recursos marinhos!
Erylus discophorus e actividade anti-VIH:
aplicação profiláctica em géis ou lubrificantes
Família Clionidae e bioacumulação de níquel:
utilização de microrganismo bioacumulador ou
inspiração molecular no tratamento de águas e solos contaminados
Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas
6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011
Microbial Ecology and Evolution
Microbial Ecology and Evolution
“Unlocking the bacterial diversity encrypted in the metagenomes of marine sponges”
Irciniidae in a bottle: culturable bacteria from
Ircinia sp. and Sarcotragus sp.
353 Isolates
1.67%
2.68%
0.33%
5.69%
Alphaproteobacteria - 182 sequences
Gammaproteobacteria - 86 sequences
28.76%
60.87%
Pseudovibrio (125)
Ruegeria (44)
Vibrio (36)
Flavobacteria - 17 sequences
Bacilli - 8 sequences
Actinobacteria - 5 sequences
Sarcotragus spinosulus
most diverse sponge
Sphingobacteria - 1 sequence
PKS+ =>
Biotechnological
Potential
Microbial Ecology and Evolution
“Unlocking the bacterial diversity encrypted in the metagenomes of marine sponges”
Future Research:
Explore the biotechnological
potential of marine sponge isolates
-PKS/NRPS Screening
- Antagonistic Activity
- Fractionation, isolation and characterization of metabolites
from most promising isolates
Agradecimentos
BIOINMAR – DQB/CQB FCUL
Prof. Madalena Humanes
Marisa Nicolai
André Natálio
Rute André
ICAT/BIOFIG FCUL
Prof. Rogério Tenreiro
Sandra Chaves
URIA-CPM FFUL
João Gonçalves
Biólogos de estimação:
Joana Xavier
Sven Zea
Jean Vacelet
Emma Cebrian
CCMAR
Rodrigo Costa
Prof. Margarida Reis
Jorge Gonçalves & Group
CCMAR/BPD/​0002/2011
€€€€ FCT €€€€€
SFRH/BD/17874/2004
PTDC/MAR/101431/2008
Thank You!