Biologicky aktivní látky produkované sinicemi

Sinice produkují nepřeberné množství chemických látek. Jejich syntéza probíhá v sinicových buňkách za pomoci versatilních drah. Exotické chemické struktury nacházené v sinicích byli pravděpodobně evolucí pozměňovány tak, aby byli schopné interagovat z širokou škálou buněčných procesů a proto řada těchto látek nachází aplikaci v biotechnologických či farmaceutických aplikacích. Na druhou stranu mohou tyto látky být velmi důležité z ekotoxikologického hlediska a ovlivňovat zdraví okolních organismů včetně člověka. Biosyntetické dráhy těchto látek jsou organizovány v biosyntetických genových klastech, což umožňuje vyhledávání nových metabolitů v rámci genomických screeningů a také vytváření nových analogů pomocí metod syntetické biologie.

Naše výzkumná skupina se zaměřuje na mechanismy působení sinicových metabolitů v lidských buňkách jak z farmakologického, tak toxikologického hlediska. V širším kontextu se též zabýváme výskytem těchto metabolitů v okolním prostředí a jejich funkcí ekosystému.

Vyhledávání sinicových metabolitů s protirakovinným potenciálem

Rakovina je celosvětově jednou z nejčastějších příčin úmrtí. Z důvodu špatné prognózy některých rakovinných onemocnění a získaných rezistencí je vývoj nových léčiv nutností. Mikroorganismy jsou bohatým zdrojem bioaktivních látek, z nichž řada je již používána v klinické praxi. Klíčovou vlastností látek použitelných v léčbě rakoviny je jejich schopnost indukovat v cílových buňkách řízenou buněčnou smrt (např. apoptózu). Naše laboratoř se dlouhodobě snaží nalézt nové induktory apoptózy a za tímto účelem jsme provedli řadu screeningových studií. V rámci těchto studií jsme identifikovali a charakterizovali nové organické látky (například první přírodní oxadiazin nocuolin A) indukující apoptózu v rakovinných buňkách. V současné době se zaměřujeme na využití metod „high-troughput screeningu“ pro vyhledávání selektivních induktorů apoptózy s použitím knihovny frakcí připravené ze sinicových extraktů. Ve spolupráci se screeningovým pracovištěm CZ-Openscreen jsme provedli profilování 1600 frakcí na 18 rakovinných lidských liniích společně s třemi primárními lidskými liniemi. Znalost přesného působení a molekulárního cíle dané protirakovinné látky je zásadní pro vyhodnocení její použitelnosti při léčbě. Proto v současné době využíváme společně s našimi spolupracujícími partnery kombinaci moderních technik molekulární biologie, genomiky, metabolomiky a analytické chemie, zejména celogenomový CRISPR-Cas9 screening a „Thermal Proteome Profiling“, k detailní charakterizaci místa působení nově nalezených metabolitů.

Naši spolupracovíci:

• Prof. Andreas Villunger (University of Innsbruck, Rakousko)
• Dr. André Mueller (Centre for molecular medicine in Vienna, Rakousko)
• Dr. Dorit Avni (MIGAL research Institute, Israel)
• Dr. David Sedlák (CZ-Openscreen)

Aktuálně běžící projekt: Nové sinicové metabolity s chemoterapeutickým potenciálem získané metodou velkokapacitního screeningu: mechanismus a cíle jejich působení.

Pokud máte zájem o bližší informace k tomuto tématu, kontaktujte: RNDr. Pavel Hrouzek, Ph.D. (hrouzek@alga.cz, +420 384 340 470).

Potencionální terapeutika nebo environmentální toxiny?

Díky velkému úsilí věnovanému výzkumu v oblasti sekundárních metabolitů sinic máme dnes detailní informace o toxickém působení řady sinicových toxinů. Jedná se zejména o hepatotoxické microcystiny a cylindrospermopsiny a neurotické anatoxiny a saxitoxiny. Obrovská strukturní diversita sinicových metabolitů však nasvědčuje, že mezi dosud necharakterizovanými sinicovými metabolity mohou být látky relevantní z ekotoxikologického hlediska.

Sinicové lipopeptidy

Při výzkumu cytotoxických aktivit sinicových extraktů jsme zjistili, že řada půdních a bentických sinic produkuje cytotoxické lipopeptidy, které vzkazují nespecifický efekt v řadě lidských buněk. Následně jsme charakterizovali chemickou strukturu řady nových variant sinicových lipopeptidů puwainaphycinů a ukázali, že jejich struktura způsobuje rychlé poškození buněčné membrány následované buněčnou smrtí. Vyjma toho však tyto lipopeptidy inhibují růst řady důležitých houbových patogenů rostlin.  Tyto lipopeptidy jsou produkovány sinicemi ve velkých kvantitách, ale také v nepřeberném množství strukturních variant lišících se zejména délkou mastné kyseliny a jejími substitučními skupinami. Proto se během našeho studia těchto látek snažíme charakterizovat vztah mezi strukturou a funkcí a též připravit semi-syntetické analogy těchto látek s vylepšenou anti-fungální aktivitou a sníženou cytotoxicitou.

V rámci toho tématu se zajímáme především o následující výzkumné otázky:

• Mohou tyto lipopeptidy působit jako environmentální toxiny anebo jsou využitelné jako anti-fungální látky.
• Jaký je vztah mezi strukturou a cytotoxickou respektive anti-fungální aktivitu těchto lipopeptidů.

Naši spolupracovníci:

• Prof. Herbert Riepl (Technical University of Munnich, Germany)
• Dr. David Fewer (University of Helsinki, Finland)

Pokud máte zájem o bližší informace k tomuto tématu, kontaktujte: RNDr. Pavel Hrouzek, Ph.D. (hrouzek@alga.cz, +420 384 340 470).

Sinicové beta-hydroxyaspartátové siderofory

Železo je důležitý kofaktor mnoha základních metabolických enzymů, a tudíž nepostradatelná živina pro všechny známé organismy. Kvůli svým specifickým chemickým vlastnostem a převažujícím oxidativním podmínkám na naší planetě, je tento jinak v prostředí velice hojný prvek často přítomný ve své nerozpustné nebo jinak biologicky nedostupné formě. U mikroorganismů se vyvinulo několik mechanismů, jak zajistit dodatečný přístup k železu, mimo jiné také tvorba sideroforů – nízkomolekulárních látek schopných zachytit v prostředí stopové množství železa, 

zjednodušit jeho buněčný import a předcházet konverzi železa na biologicky nedostupné formy. Podobně jako u jiných organismů (např. aktinobakterií) se dá častá produkce sideroforů očekávat také u sinic. I přesto bylo doposud u sinic popsáno jen překvapivě malé množství látek schopných vázat železo. Nedávno náš tým identifikoval novou třídu sinicových sideroforů, nazvaných cyanochelíny.  Z našich dat lze také soudit na častý výskyt této skupiny sideroforů napříč sinicemi.

V mikrobiálních společenstvech mohou siderofory zprostředkovávat komplexní vztahy mezi organismy. Siderofory mají potenciál efektivně monopolizovat zdroje železa pro organismus, který je produkuje, ale také to vypadá, že někteří další příslušníci mikrobiálního společenstva jsou závislí na sideroforech produkovaných jinými organismy. Také se ukazuje, že bakterie často používají siderofory jako látky, které poskytují řasám a rostlinám výměnou za jejich exudáty. Náš výzkum se soustředí především na fotolabilní siderofory, u kterých, na základě doposud získaných dat, očekáváme častý výskyt u sinic. Kromě extrakce železa z těžko dostupných zdrojů jsou tyto siderofory při ozáření UV světlem schopny se rozštěpit a katalyzovat redukci železa na jeho biologicky dostupnou formu (Fe2+).

Naším cílem je nyní prozkoumat vliv foto lability sideroforů na rychlost vstřebávaní železa jejich producentem a  také ostatními členy mikrobiálního společenstva. Očekáváme, že značná část foto-redukovaného železa není vstřebána producentem sideroforu, ale že uniká do prostředí ve prospěch ostatních organismů v jeho blízkosti. Chceme tyto ztráty kvantifikovat a dále identifikovat organismy, které z nich mají prospěch. Z jakého důvodu by sinice, obligátní fototrofové předurčení svojí stavbou buněk k životu na světle, produkovaly fotolabilní siderofory, pokud ne pro symbiotické partnery? Kdo jsou tihle partneři a co poskytují sinicím na oplátku? To jsou momentálně naše základní výzkumné otázky.

V této problematice spolupracujeme s:

• Dr. Jan Mareš (Hydrobiologický ústav Biologického centra AV ČR, České Budějovice)
• Dr. Roman Hobza (Biofyzikální ústav AV ČR, Brno)

Výzkum této problematiky je v současnosti podpořen GAČR v rámci projektu: "Monopolizace příjmu železa nebo služba společenstvu? Dvě tváře sinicových beta-hydroxyaspartátových sideroforů"

.