Induction of secondary metabolism of some marine derived Streptomyces species, and isolation and identification of their bioactive secondary metabolites

Abstract

Secondary metabolites are natural products with low molecular weight produced by different organisms. These metabolites have a wide variety of bioactivities because of their adaptive roles in the nature. These properties make secondary metabolites important source in drug discovery studies. Streptomyces genus, on the other hand, attracts attention due to their ability to produce many secondary metabolites for the treatment of various diseases, especially infectious diseases and cancer. However, secondary metabolism is not fully expressed under standard laboratory conditions as in nature. This phenomenon limits the discovery of new/novel bioactive molecules from the microbial sources. In this study, a previously studied marine derived actinobacterium, namely Streptomyces cacaoi, was investigated further to discover new antimicrobial metabolites via medium and temperature optimization using Box Behnken design. As a result, GPM medium containing 2.25% glycerol, 1% peptone water, 0.2% CaCO3, 0.1% MgCl2 in distilled water was found to provide the highest chemical diversity with potent bioactivity at 30oC. In subsequent studies, inductive effects of some microorganisms and inorganic compounds on secondary metabolism were also determined. Using optimized conditions, a larger fermentation study was undertaken (25 L) followed by extraction and isolation procedures. Sixteen metabolites were purified by chromatographic methods, and structures of the isolates were elucidated by spectral methods. Thirteen compounds, five of which were new, were members of polyketide-type polyether antibiotics. The structures of other molecules were determined as cyclo(Thr-Trp), 6-hydroxy-6-methyloctanoic acid, and 5-hydroxy-1,6-diazacycloundec-5-en-2-one, and all were found to be new. In antimicrobial tests, most polyethers were found to be active against Gram-positive bacteria. In particular, two new polyethers SC-EG-05 and SC-EG-07 showed higher antimicrobial activity than widely used antibiotic vancomycin

İkincil metabolitler birçok farklı organizma tarafından üretilen düşük molekül ağırlıklı doğal ürünlerdir. Bu moleküller doğada gösterdikleri adaptif rolleri nedeniyle çeşitli biyoaktivitelere sahiptirler. Bu özellikleriyle ikincil metabolitler ilaç keşfi çalışmalarında çok önemli bir kaynak durumundadırlar. Streptomyces türü bakteriler ise enfeksiyonlar ve kanser başta olmak üzere çeşitli hastalıkların tedavisi için umut vaat eden biyoaktif metabolitlerin üreticisi olarak ilgi çekmektedirler. Ancak ikincil metabolizma, standart laboratuvar şartlarında tümüyle ifade edilmemektedir. Bu durum mikrobiyal kaynaklardan yeni/özgün biyoaktif moleküllerin keşfini kısıtlamaktadır. Bu çalışmada, daha önce çalışılmış bir denizel türevli aktinobakteri olan Streptomyces cacaoi'den, Box-Behnken tasarım ile besiyeri ve sıcaklık optimizasyonu yapılarak yeni antimikrobiyal metabolitlerin elde edilmesi amaçlanmıştır. Sonuç olarak, distile suda %2.25 gliserol, %1 peptone-water, %0.2 CaCO3, %0.1 MgCl2 içeren GPM besiyerinin 30oC sıcaklıkta en fazla kimyasal çeşitliliği ve en yüksek biyoaktiviteyi sağladığı görülmüştür. İleri çalışmalarda ise bazı mikroorganizmaların ve inorganik bileşiklerin ikincil metabolizma üzerine indükleyici etkileri tespit edilmiştir. Optimize koşullar kullanılarak büyük ölçekte fermentasyon (25 L) gerçekleştirilmiş, ekstraksiyon ve izolasyon çalışmaları yapılmıştır. Kromatografik yöntemlerle 16 metabolit saflaştırılmış ve spektral yöntemlerle yapıları aydınlatılmıştır. Metabolitlerin 13'ünün poliketit tipi polieter antibiyotik oldukları ve bunların beş tanesinin literatür için yeni oldukları anlaşılmıştır. Diğer üç molekülün yapılarının ise siklo(Thr-Trp), 6-hidroksi-6-metiloktanoik asit ve 5-hidroksi-1,6-diazasikloundek-5-en-2-on olduğu belirlenmiş ve tümünün yeni olduğu anlaşılmıştır. Yapılan antimikrobiyal testlerde polieterlerin Gram-pozitif bakterilere karşı aktif oldukları tespit edilmiştir. Özellikle, yeni oldukları anlaşılan SC-EG-05 ve SC-EG-07 kodlu polieterler, antibiyotik olarak sıklıkla kullanılan vankomisinden daha yüksek antimikrobiyal aktivite göstermiştir.