Analysis of the biochemical properties, biological activity and biotechnological potential of secondary metabolites produced by Antarctic psychrotolerant bacteria

Celem niniejszej pracy doktorskiej była analiza właściwości biochemicznych, aktywności biologicznej i potencjału biotechnologicznego metabolitów wtórnych produkowanych przez antarktyczne bakterie psychrotolerancyjne, ze szczególnym uwzględnieniem: i) biosurfantantów, ii) syderoforów, iii) barwników karotenoidowych oraz iv) piomelaniny. Na podstawie wstępnych analiz fizjologicznych i biochemicznych 427 różnych bakterii antarktycznych wyizolowanych z próbek gleby z Wyspy Króla Jerzego [w tym gleby: (i) zanieczyszczonej związkami ropopochodnymi, wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi i metalami ciężkimi (okolice stacji badawczej); (ii) bogatej w związki żelaza (Jardine Peak) oraz (iii) ornitogenicznej (kolonia lęgowa pingwinów)] wybrano 16 szczepów wydajnie produkujących syderofory, biosurfaktanty oraz barwniki. Genomy tych bakterii poddane zostały sekwencjonowaniu, a uzyskane sekwencje nukleotydowe (drafty genomów) umożliwiły przeprowadzenie dalszych analiz bioinformatycznych. Na podstawie uzyskanych wyników, a także dalszych badań in-silico, wybrano i scharakteryzowano szczepy o wysokim potencjalne biotechnologicznym. Pierwszym etapem badań było wytypowanie bakterii o szerokim spektrum właściwości promujących wzrost roślin, w tym przede wszystkim wydajnie produkujących syderofory i biosurfaktanty. Dla trzech szczepów uzyskano bardzo obiecujące wyniki dotyczące stymulacji wzrostu lucerny, a także zwiększenia biodostępności żelaza w glebie, co wskazuje na możliwość zastosowania tych bakterii i ich metabolitów w praktykach agrotechnicznych. Drugim etapem badań było wytypowanie antarktycznych szczepów bakterii produkujących karotenoidy. Zidentyfikowano dwa szczepy produkujące apokarotenoidy i ksantofile. Optymalizacja wzrostu tych szczepów w niskich temperaturach na podłożach zawierających materiały odpadowe pozwoliła uzyskać wydajną produkcję barwników. Przeprowadzone następnie badania aktywności barwników potwierdziły ich funkcjonalność, tj. właściwości przeciwutleniające. Trzecim etapem badań było opracowanie i zoptymalizowanie heterologicznego systemu wytwarzania piomelaniny. Umożliwiło to uzyskanie wydajnej produkcji metabolitu, dzięki czemu możliwe było przeprowadzenie dalszych, kompleksowych analiz funkcjonalnych. Opracowano też innowacyjny sposób wydajnego oczyszczania związku. Poza typowymi właściwościami dla metabolitów z grupy melanin, uzyskana piomelanina cechowała się zdolnością do elicytacji kultur roślinnych in-vitro. Wyniki uzyskane w ramach niniejszej pracy doktorskiej wskazują na duży potencjał aplikacyjny badanych antarktycznych szczepów bakterii i produkowanych przez nie metabolitów wtórnych.

The aim of this dissertation was to analyze the biochemical properties, biological activity and biotechnological potential of secondary metabolites produced by Antarctic psychrotolerant bacteria, with emphasis on: i) biosurfactants, ii) siderophores, iii) carotenoids and iv) pyomelanin. Based on preliminary physiological and biochemical analyzes of 427 Antarctic bacteria isolated from soil samples collected at King George Island [including soil: (i) contaminated with petroleum compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals (research station area); (ii) rich in iron compounds (Jardine Peak) and (iii) ornithogenic (penguin breeding colony)], 16 strains efficiently producing siderophores, biosurfactants and pigments were selected. Their genomes were sequenced, and the obtained nucleotide sequences (draft genomes) were conducted to bioinformatic analyzes. Based on the obtained results, as well as further in-silico researches, strains with highest biotechnological potential were selected and characterized in detail. The first stage of the research was to select bacteria with a wide range of plant promoting properties, including these efficiently producing siderophores and biosurfactants. For three strains, very promising results were obtained regarding the stimulation of alfalfa’s growth, as well as increasing the bioavailability of iron in the soil, which indicates the possibility of using these bacteria and their metabolites in agrotechnical activities. The second stage of the research was to select Antarctic strains of bacteria that produce carotenoids. Two strains producing apocarotenoids and xanthophylls have been identified. Optimizing the growth of these strains at low temperatures using media containing waste materials resulted in efficient production of these pigments. Subsequent studies of the carotenoids' activity confirmed their functionality, i.e. antioxidant properties. The third stage of the research was the development and optimization of a heterologous system for the production of pyomelanin. This allowed for efficient biosynthesis of the metabolite, which made it possible to carry out further comprehensive functional analyzes. An innovative method for efficient purification of the compound was also developed. In addition to the typical properties for metabolites from the melanin group, the obtained pyomelanin was recognized as eliciting factor for in-vitro plant cultures. The results obtained in this doctoral dissertation indicate a high application potential of the studied Antarctic bacterial strains and their secondary metabolites.