Bioinformatics applied to natural products discovery processes: systematization, biosynthetic evidences, and isolation of promising species

Autor: ZANIN, João Luiz Baldim
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UNIFALUniversidade Federal de AlfenasUNIFAL.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Estratégias guiadas por genoma foram utilizadas a fim de examinar o potencial biossintético de microorganismos da classe Betaproteobacteria no âmbito de Produtos Naturais. Uma estratégia capaz de ser expandida para todos os tipos de microorganismos foi criada para estimar as reações enzimáticas das Peptideo Sintetases Não Ribossomais a fim de sistematizar a e analisar suas similaridades biossintéticas. Todas as bases de dados e software user-friendly foram adotadas a fim de tornar esta estratégia simples e mais abrangente. Elas foram NCBI, KEGG, NORINE, antiSMASH, Cystoscape, Gitools, MEGA e Clustal. Os resultados tornaram possível a criação de uma stratégia, chamada XPAIRT (eXPAndable Identification of amino acids in nonRibosomal peptides Tendencies) correlacionando pares de peptídeos e seus genomas similares via Jaccard Index e filogenia. Neste contexto, espécies Betaproteobacteria mostraram sintetizar produtos naturais seguindo certa similaridade biossintética na montagem de monômeros para a construção do esqueleto peptídico. Subunidades estruturais tais como asp.ser e orn.ser foram amplamente encontradas. Essas similaridades foram correlacionados gerando índice de similaridade entre espécies e sua distribuição entre genomas semelhantes, que foram nomeados como contribuíntes. Quanto maior a identidade genômica de um cluster de gene biossintético para um produto natural de forma geral, maior a chance de um contribuínte expressar pares similares relativos ao cluster em questão. A partir de análises de contagem de clusteres de genes biossintéticos, pôde-se eleger microorganismos promissores para isolamento de amostras ambientais. Essas análises mostraram que espécies do gênero Burkholderia são as mais promissoras quando comparadas a todos os genomas disponíveis da subclasse Betaproteobacteria. Análises genômicas da espécie padrão do gênero, Burkholderia thailandensis mostraram que cromossomos 1 e 2, em comparação a uma cepa produtora de antibióticos padrão, S. coelicolor, não apresentarem mesmas informações para biossíntese de compostos, mas apresentam similaridades de classes, sendo elas, Terpenos, T1PKS, Bacteriocinas e Peptídeos Não Ribossomais. Todos os resultados não tiveram correlações com os clusteres de S. coelicolor evidenciando que B. thailandensis apresenta-se promissora para a descoberta de novos compostos. Como espécies do gênero Burkholderia foram o principal alvo neste trabalho, um método guiado por genoma foi desenvolvido para isolar tanto quanto possível cepas de amostras ambientais. O método levou em consideração as necessidades básicas de um microorganismo para sobreviver: a) o tipo de microbioma que os microorganismos de interesse se encontram, analizados através de resultados de metagenômica, b) resistência à antibióticos e metais, c) capacidade de metabolizar compostos com papel biológico, d) crescimento celular e nutrientes, e e) variações de pH e crescimento celular. Todas as análises foram cruzadas e os melhores candidatos à composição de meios de culturas celular específicos para o isolamento de microorganismos do gênero Burkholderia foram selecionados. A estratégia foi bem-sucedida para diversos tipos de amostras. Estes experimentos excepcionais demonstraram a eficácia na resolução de problemas químico-biológicos auxiliando a análise posterior de novos produtos naturais.
Genome-guided strategies were applied to examine Betaproteobacteria species potential for the biosynthesis of nonribosomal peptides. A generalizable strategy was created to track similarities in enzymatic reactions of nonribosomal peptides synthetases in order to organize their capability of assembling monomers building the peptides backbones. Databases and user-friendly software were adopted making this strategy a comprehensive one. Databases and software adopted, as well as, NCBI, KEGG, NORINE, antiSMASH, Cystoscape, Gitools, MEGA e Clustal were used for this purpose. Betaproteobacteria species showed to possess biosynthetic similarities in assembling monomers for the peptide backbone of a nonribosomal peptide. These evidences were correlated giving similarities indexes between species and their distribution between similar genomes. Predictions were fragmented in several ways, for example, monomers, pairs and triads. Correlation analyses displayed that pairs it is the best way of tracking similarities. This result turned possible to create a strategy, named XPAIRT (eXPAndable Identification of amino acids in nonRibosomal peptides Tendencies) correlating pairs of peptides and their similar genomes via Jaccard Index and phylogeny. Thought these investigations it was noticed that Betaproteobacteria species generally assemble asp.orn and orn.ser, mainly Burkholderia species, among other pairs of peptides. Further analysis showed that species from the genera Burkholderia are the most promising ones due to their Biosynthetic Gene Cluster counting for all available Betaproteobacteria genomes. These species were further analyzed and a standard strain, Burkholderia thailandensis, was used to the identification of intraspecific variation for their biosynthetic potential. A specific study on Biosynthetic Gene Cluster variation was proceeded for discovering disparities between chromosomes 1 and 2, and a standard antibiotic producer strain, S. coelicolor. Results showed that B. thailandensis have different possibilities for biosynthesizing natural products. Even thought, common classes of compounds such as, Terpenes, Bacteriocins, T1PKS and Nonribosomal Peptides were identified for all strains. As Burkholderia species were the main target in this work, a genome-guided method was developed for isolating as much strains as possible from environmental samples. This very method took into account the basic needs for a microorganism to survive: a) the type of microbiome that microorganisms of interest coexist, analyzed through metagenomics, b) resistance to antibiotics and metals, c) ability to metabolize compounds with biological role, d) cell growth related to different nutrients, and e) cell growth under pH variations. The strategy was successful for diverse types of samples. These exceptional experiments are part of a novel way of working with Natural Products, using genomic, bioinformatics and visual statistical analysis in order to access common characteristics and uniqueness of species guiding the search of medically relevant natural products.
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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