Antimicrobial, anti-protease and immunomodulatory activities of secondary metabolites from Caribbean sponges and their associated bacteria | Sekundärmetabolite mit antimikrobiellen, Protease-hemmenden und immunmodulatorischen Aktivitäten aus karibischen Schwämmen und assoziierten Bakterien

English. Marine sponges and their associated bacteria have been proven to be a rich source of novel secondary metabolites with therapeutic usefulness in infection and autoimmunity. This Ph.D. project aimed to isolate bioactive secondary metabolites from the marine sponges Amphimedon compressa, Aiolochroia crassa and Theonella swinhoei as well as from bacteria associated with different Caribbean sponges, specifically actinomycetes and sphingomonads. In this study, amphitoxin was isolated from the crude methanol extract of the sponge A. compressa and it was found to have antibacterial and anti-parasitic activities. Amphitoxin showed protease inhibitory activity when tested against the mammalian protease cathepsin B and the parasitic proteases rhodesain and falcipain-2. Furthermore, miraziridine A was identified in the dichloromethane extract of the sponge T. swinhoei collected offshore Israel in the Red Sea. Miraziridine A, a natural peptide isolated previously from the marine sponge Theonella aff. mirabilis, is a potent cathepsin B inhibitor with an IC50 value of 1.4 g/mL (2.1 M). Secondary metabolites from sponge-derived bacteria were also isolated and identified. A total of 79 strains belonging to 20 genera of the order Actinomycetales and seven strains belonging to two genera of the order Sphingomonadales were cultivated from 18 different Caribbean sponges and identified by 16S rRNA gene sequencing. Seven of these strains are likely to represent novel species. Crude extracts from selected strains were found to exhibit protease inhibition against cathepsins B and L, rhodesain, and falcipain-2 as well as immunomodulatory activities such as induction of cytokine release by human peripheral blood mononuclear cells. The isolates Sphingobium sp. CO105 and Lapillicoccus sp. BA53 were selected for cultivation, extraction and purification of bioactive metabolites based on initial bioactive screening results. The isoalloxazine isolumichrome was isolated from the strain Sphingobium sp. CO105 which inhibited the protease rhodesain with an IC50 of 0.2 M. The strain Lapillicoccus sp. BA53 was found to produce p-aminosalicylic acid methyl ester, which showed activity against the proteases cathepsins B and L, falcipain-2 and rhodesain. These results highlight the significance of marine sponge-associated bacteria to produce bioactive secondary metabolites with therapeutic potential in the treatment of infectious diseases and disorders of the immune system.

German. Marine Schwämme und damit assoziierte Bakterien stellen eine wertvolle Quelle für neuartige Sekundärmetabolite mit therapeutischer Bedeutung für Infektion und Autoimmunität dar. Ziel dieser Doktorarbeit war die Isolierung bioaktiver Sekundärmetabolite aus den marinen Schwämmen Amphimedon compressa, Ailochroia crassa und Theonella swinhoei sowie von Bakterien, die mit verschiedenen karibischen Schwämmen assoziiert sind, wie z. B. Actinomyceten und Sphingomonaden. Amphotoxin wurde in dieser Studie aus dem methanolhaltigen Rohextrakt des Schwammes A. compressa isoliert. Es konnte sowohl eine antibakterielle als auch antiparasitäre Aktivität nachgewiesen werden. Der Einfluss von Amphotoxin auf die humane Protease Cathepsin B und die parasitären Proteasen Rhodesain und Falcipain-2 wurde ebenfalls getestet und es zeigte sich eine inhibitorische Wirkung gegenüber diesen Proteasen. Darüber hinaus wurde aus dem Dichlormethanextrakt des Schwammes T. swinhoei, der aus dem Roten Meer in Israel gewonnen wurde, Miraziridin A isoliert. Dieses natürliche Peptid war bereits aus dem marinen Schwamm Theonella aff. mirabilis isoliert worden. Miraziridin A ist ein starker Cathepsin B Inhibitor, der IC50 Wert beträgt 1.4 mg/mL (2.1 M). Sekundärmetabolite von aus Schwämmen gewonnenen Bakterien wurden ebenfalls isoliert und identifiziert. Es konnten 79 Stämme, die zu 20 verschiedenen Gattungen der Ordnung Actinomycetales, sowie sieben Stämme, die zu zwei Gattungen der Ordnung Sphingomonadales gehören, isoliert werden. Diese Bakterienstämme wurden aus ingesamt 18 verschiedenen karibischen Schwämmen kultiviert und mit Hilfe der 16S rRNA Sequenzierung bestimmt. Sieben dieser Stämme stellen wahrscheinlich neue Arten dar. Rohextrakte ausgewählter Stämme zeigten eine Proteasehemmung gegen die Cathepsine B und L, Rhodesain, Falcipain-2 sowie immunmodulatorische Wirkungen wie z.B. die Induktion der Cytokinfreisetzung durch menschliche periphere mononukleäre Blutzellen. Die Isolate Sphingobium sp. CO105 und Lapillicoccus sp. BA53 wurden für die Kultivierung, Extraktion und Aufreinigung von bioaktiven Metaboliten aufgrund der ersten vielversprechenden bioaktiven Testergebnisse ausgewählt. Das Isoalloxazin Isolumichrom wurde aus dem Stamm Sphingobium sp. CO105 isoliert, welches die Protease Rhodesain mit einem IC50-Wert von 0.2 M inhibiert. Für den Stamm Lapillicoccus sp. BA53 konnte nachgewiesen werden, dass er p-Aminosalicylsäuremethylester produziert, der eine Aktivität gegen die Proteasen Cathepsin B und L, Falcipain-2 und Rhodesain zeigt. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung mariner, Schwamm-assoziierter Bakterien, die bioaktive sekundäre Metabolite mit therapeutischem Potential für die Behandlung von Infektionskrankheiten und Funktionsstörungen des Immunsystems produzieren.