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1 Please note: This is a scientific communication for personal use only. All data is an intellectual property of Ana I. S. Esteves. Please do not copy or use without consent. For more info or to obtain permission, please email me at aidsesteves@gmail.com Thank you

2 Marine Sponges: Potential for Biotechnological Applications Ana I. S. Esteves 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

3 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas As Esponjas Marinhas Animais Multicelulares Primitivos Sem diferenciação celular Totipotência Alimentação por filtração Elevada densidade génica Grande diversidade de morfologias e habitats Defesa essencialmente química Extremamente sociáveis! 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

4 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Biotecnologia Marinha Blunt et. al. 2009 Nat. Prod. Rep. 26, 170-244 As esponjas são os mais prolíficos produtores de novos compostos Diversas Aplicações: Diversas Aplicações: - Farmacêutica Actividades antivirais, antitumorais, antibióticas, analgésicas, anti-inflamatórias - Tecnológica Anti-’fouling’, biomateriais, bioremediação Problema de ‘scale-up’ Hospedeiro ou Simbionte? 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

5 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Aplicações Biotecnológicas 1.E rylus discophorus e Inibição do VIH- 1 2. Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Dois casos de estudo: 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

6 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 Extracção e isolamento de macromoléculas com actividade anti-VIH Potencial aplicação farmacêutica 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

7 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 UNAIDS – AIDS Epidemic Report 2009 VIH e SIDA 1 nova infecção/12s 1 morte/15s Urgente!!! Novos fármacos, novos alvos terapêuticos, vacinas. “AIDS continues to be a major global health priority.” UNAIDS 2009 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

8 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas 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. 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

9 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 Erylus discophorus ‘Screening’ actividade anti-VIH 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

10 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 Molécula aniónica Natureza glicídica M.M. > 2000 kDa 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

11 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 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 Conclusões: 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. 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

12 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH-1 Elucidação da origem biológica: hospedeiro ou simbionte? Testes de toxicidade; aplicação em géis vaginais Actividade antiviral de largo espectro? Perspectivas futuras: 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

13 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Estudo do mecanismo de bioacumulação Potencial aplicação em bioremedição 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

14 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Estados oxidação mais comuns: Ni 2+, Ni 3+ Ni 2+ poderoso oxidante raio iónico Ni 2+ semelhante a Zn 2+ 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

15 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas 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 Permeases Metalochaperones Proteínas reguladoras Ni 2+ Permeases Transportadores Metalochaperon e Apoenzima Enzima de Níquel Proteína reguladora 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

16 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Cataliza reacções metabólicas essenciais 6 enzimas de níquel bem estudados Glioxalase I, aciredutona dioxigenase, cis/trans-isomerase 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

17 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Esponjas marinhas como bioindicadores de contaminação ambiental Acumulação de metais: Poluição ou bioacumulação? ? 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

18 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Specie 1234567891011 n=3 n=1n=5n=2n=4 n=3 n=2n=5 Al (%)0.04-0.07n.d.-0.02n.d.n.d.-0.140.12-0.400.27-0.76n.d.-0.320.10-0.86n.d.-0.400.30-0.910.11-0.49 Si (%)13.16-7.830.74-10.3310.646.49-10.569.81-10.320.18-0.790.95-6.430.17-1.200.40-1.474.04-6.850.20-1.35 K (%)0.64-0.700.19-0.720.780.76-1.360.43-0.540.49-0.610.73-0.910.48-0.680.61-1.380.59-1.160.21-0.91 Ca (%)0.58-0.890.10-0.470.350.50-0.560.31-0.950.57-1.250.61-1.500.54-1.451.15-3.131.06-4.520.85-2.18 Ti15-22<1014<10-2610-42n.d.-1439-100n.d.-2114-13995-222n.d.-56 Mn45-102<101115-20<10-1221-3412-95n.d.-10078-76739-5736-118 Fe3600-5300102-317156154-218170-569285-1800523-3200260-4900816-19002100-12500354-15900 Ni2700-3500<10-123530-4662-8919-3213-2822-3437-6814-2117-59 Cu12-1611-371510-13<10-1117-2814-2920-2531-3518-2525-66 Zn4700-670049-584231-56255-36240-9734-8137-8071-10824-8360-89 As25-3212-477360-9916-2133-6547-8347-6464-11931-6514-134 Br (%)0.14-0.230.07-0.110.060.05-0.080.27-0.290.53-0.580.17-0.360.39-0.500.18-0.320.16-0.250.35-0.62 Rb25-3413-2711<10-2337-4137-6853-10146-6140-6360-11826-99 Sr108-13039-715767-8429-9761-11158-12356-97145-25998-368102-195 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 Composição elementar de esponjas marinhas recolhidas na Reserva Natural das Berlengas (EDXRF) 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

19 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas 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(%)0.580.531.51.4 Al(%)2.032.118.07.2 Si(%)15.0714.4127.324.5 P464208700670 S(%)0.350.31-- Cl(%)0.480.44-- K(%)1.742.032.72.0 Ca(%)18.6819.022.26.6 Ti(%)0.0250.0200.50.4 Cr20179072 Mn3529850770 Fe(%)0.350.144.74.1 Ni<10 6852 Cu<10 4533 Zn12<1095 As<10 138 Br2021-- Rb8490-- Sr12001100140320 Y<10 -- Zr1325160150 I154--- Pb 13 <10 20 19 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

20 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de NíquelBioacumulação: Mineral - grânulos - adsorção Orgânica - metalotioninas, fitoquelatinas, etc. 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

21 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Estratégia de Fraccionamento Extracto bruto Extracto com choque térmico (h.s.e.) Cromatografia de filtração em gel Composição Elementar (ICP-AES) SDS-PAGE Migração ≈ NiCl 2 Simes, D. C.; Bebiano, M. J.; Moura J. J. (2003) Aquat.Toxicol. 63(3): 307-18 Ni-Mt 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

22 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Composição Elementar (ICP-AES) Na Cliona viridis ̴1425 mg Ni/kg esponja Fracção tem ̴66% do conteúdo inicial de Ni na esponja Fracção tem ̴87% do Ni presente no h.s.e. 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

23 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel “Complexo Cliona viridis” – esponjas bioerosivas da família Clionidae com zooxanthellae associados Symbiodinium sp. potencial acumulador de Ni ? 98% homologia entre sequências deste estudo 86% com sequências da base de dados (NCBI) 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

24 Teores médios de níquel ~ 1 300 ppm; >100 xs acima das concentrações nos sedimentos Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de NíquelConclusões Bioacumulação de níquel em esponjas do “Complexo Cliona viridis” independente da localização e contaminação Bioindicador de contaminação ambiental 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? 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

25 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Conclusões Gerais 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

26 Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Conclusões Gerais Extensão da plataforma continental portuguesa: 3 027 408 km 2 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 inspiração molecular no tratamento de águas e solos contaminados 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

27 Microbial Ecology and Evolution

28 “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 Pseudovibrio (125) Ruegeria (44) Vibrio (36) Sarcotragus spinosulus most diverse sponge PKS+ => Biotechnological Potential Microbial Ecology and Evolution “Unlocking the bacterial diversity encrypted in the metagenomes of marine sponges”

29 Microbial Ecology and Evolution 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 “Unlocking the bacterial diversity encrypted in the metagenomes of marine sponges”

30 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 €€€€ FCT €€€€€ SFRH/BD/17874/2004 PTDC/MAR/101431/2008 CCMAR Rodrigo Costa Prof. Margarida Reis Jorge Gonçalves & Group CCMAR/BPD/​0002/2011

31 Thank You!