Sponges and cyanobacteria symbiotic relationships in the North Aegean Sea

Τα κυανοβακτήρια έχουν κυρίαρχη θέση ανάμεσα στους μικροοργανισμούς που αναπτύσσουν συμβιωτικές σχέσεις με τους σπόγγους. Η συμβιωτική σχέση που αναπτύσσουν οι σπόγγοι με τα κυανοβακτήρια αποτελεί μια από τις αρχαιότερες γνωστές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ζώων και μικροοργανισμών. Ένα μεγάλο μέρος της υπάρχουσα γνώσης για την ποικιλότητα, την οικολογία και τη λειτουργία των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων είναι «κρυμμένο» σε έρευνες μεταγονιδιωματικής που εξετάζουν ολόκληρη τη μικροβιακή κοινότητα ενός σπόγγου στο ταξινομικό επίπεδο του Φύλου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει να διερευνήσει τις συμβιωτικές σχέσεις σπόγγων-κυανοβακτηρίων, σε μια περιοχή όπου αυτές οι συμβιωτικές σχέσεις παραμένουν ανεξερεύνητες, το Βόρειο Αιγαίο, με μια προσέγγιση βασισμένη στην απομόνωση των βακτηρίων σε καλλιέργειες. Πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση της ποικιλότητας των συμβιωτικών σχέσεων σπόγγων-κυανοβακτηρίων. H ανασκόπηση αποκάλυψε ότι η ποικιλότητα των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων φαίνεται να μην είναι καλά γνωστή κυρίως λόγω της προσέγγισης στη διερεύνηση της ποικιλότητας του μικροβιώματος των σπόγγων, δηλαδή διερεύνηση στη βαθμίδα του Φύλου (μικροβιωτών). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εφαρμόστηκε μια προσέγγιση που είχε στόχο την απομόνωση συμβιωτικών κυανοβακτηρίων από σπόγγους στο Βόρειο Αιγαίο. Απομονώθηκαν 15 στελέχη συμβιωτικών κυανοβακτηρίων, τα οποία σχημάτιζαν νέους κλάδους εντός των Τάξεων Synechococcales και Pleurocapsales. Προκειμένου να διερευνηθεί η νέα ποικιλότητα των κυανοβακτηρίων που απομονώθηκαν από σπόγγους, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον πολυφασικό χαρακτηρισμό τους (αναλύσεις μοριακών, μορφολογικών, και οικολογικών δεδομένων) σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις στην ταξινόμηση των κυανοβακτηρίων. Η ανάλυση των παραπάνω δεδομένων οδήγησε στην περιγραφή έξι νέων γενών (Leptothoe, Rhodoploca, Cymatolege, Metis, Aegeococcus και Thalassoporum) και 10 νέων ειδών (Le. sithoniana, Le. spongobia, Le. kymatousa, R. sivoneniae, C. spiroidea, C. isodiametrica, M. fasciculata, A. anagnostidisii, A. thuretii, T. komarekii) εντός της τάξης Synechococcales, καθώς και ενός νέου είδους εντός της τάξης Pleurocapsales (Xenococcus spongiosum). Ο μεγάλος αριθμός νέων τάξων που περιγράφηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή υπογραμμίζει την αναγκαιότητα για την εφαρμογή προσεγγίσεων που βασίζονται στην απομόνωση με σκοπό την αποκάλυψη της πραγματικής ποικιλότητας των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων. Τα στελέχη των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων διερευνήθηκαν για τη δυνατότητα να παράγουν βιοδραστικές ενώσεις και πραγματοποιήθηκε εκτίμηση της βιοδραστικότητας των εκχυλισμάτων τους (αντιμικροβιακής και αντικαρκινικής). Στα στελέχη συμβιωτικών κυανοβακτηριών ανιχνεύτηκαν γονίδια που εμπλέκονται στη μη ριβοσωμική πολυκετιδική σύνθεση (PKS). Στελέχη που ανήκουν στα γένη Leptothoe, Metis και Aegeococcus εμφάνισαν ενδιαφέρουσες βιοδραστικότητες (αντιμικροβιακές ή/και αντικαρκινικές). Με σκοπό να κατανοήσουμε καλύτερα τη βιολογία των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων, αλληλουχήθηκαν τα γονιδιώματα των στελεχών που παρουσίασαν το μεγαλύτερο μεταβολικό δυναμικό και ανήκουν στο γένος Leptothoe (Le. kymatousa TAU-MAC 1615 and Le. spongobia TAU-MAC 1115), και πραγματοποιήθηκε συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση με άλλα στελέχη του ίδιου γένους (είτε συμβιωτικά με άλλους οργανισμούς, είτε μη συμβιωτικά). Στα γονιδιώματα των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων παρατηρήθηκαν χαρακτήρες που σηματοδοτούν έναν συμβιωτικό τρόπο διαβίωσης, όπως η μείωση του μεγέθους του γονιδιώματος, αλλά και η παρουσία πρωτεϊνών που ομοιάζουν με αυτές των ευκαρυωτών. Μέσω αναλύσεων εξόρυξης γονιδιώματος (genome mining) εντοπίστηκε στα γονιδιώματα του γένους Leptothoe μεγάλος αριθμός συστοιχιών γονιδίων που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση ενώσεων (περισσότερες από 100 συστοιχίες). Συμπερασματικά, υπογραμμίζεται το μεταβολικό δυναμικό των στελεχών του γένους και η ανάγκη για περαιτέρω διερεύνηση με σκοπό την ανακάλυψη νέων ενώσεων με φαρμακευτικό ενδιαφέρον.