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

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

Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Biotecnologia Marinha Blunt et. al Nat. Prod. Rep. 26, 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

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

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

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 º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Erylus discophorus e Inibição do VIH 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

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

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

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): º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

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

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

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

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

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

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

Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Família Clionidae e Bioacumulação de Níquel Specie n=3 n=1n=5n=2n=4 n=3 n=2n=5 Al (%) n.d.-0.02n.d.n.d n.d n.d Si (%) K (%) Ca (%) Ti15-22<1014< n.d n.d n.d.-56 Mn45-102< < n.d Fe Ni < Cu < Zn As Br (%) Rb < Sr 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 : Composição elementar de esponjas marinhas recolhidas na Reserva Natural das Berlengas (EDXRF) 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

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(%) Al(%) Si(%) P S(%) Cl(%) K(%) Ca(%) Ti(%) Cr Mn Fe(%) Ni< Cu< Zn12<1095 As< Br Rb Sr Y<10 -- Zr I Pb 13 < º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

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

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): Ni-Mt 6º Ciclo Seminários CCMAR, 16 Março 2011

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

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

Teores médios de níquel ~ 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

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

Esponjas Marinhas: Potenciais Aplicações Biotecnológicas Conclusões Gerais Extensão da plataforma continental portuguesa: 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

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 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”

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”

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

Thank You!