As cianobactérias são microorganismos fotoautotróficos ubíquos conhecidos por produzirem uma vasta variedade de produtos naturais valiosos. Estes compostos possuem diversas aplicações biotecnológicas e biomédicas devido, por exemplo, às suas atividades antibacterianas e anticancerígenas ou ao seu potencial como biocatalisadores. Os produtos naturais produzidos pelas cianobactérias abrangem grupos de péptidos ou lipopéptidos, alcalóides, terpenos, policetídeos e híbridos dos mesmos.
Grupos taxonómicos de cianobactérias pouco explorados constituem uma fonte promissora para expandir o conhecimento da diversidade química de produtos naturais. Tendo isto em consideração, as coleções de culturas representam recursos biológicos inexplorados para a descoberta de novos compostos bioativos. Por exemplo, a LEGEcc, a coleção de culturas no CIIMAR, contém uma diversidade filogenética única de mais de 1000 estirpes de cianobactérias, das quais apenas 6% têm os seus genomas sequenciados e disponíveis. Para além disso, a maioria dos genes que codificam as enzimas responsáveis pela produção dos metabolitos secundários, denominados conjuntos de genes biossintéticos (BGCs), são considerados órfãos, ou seja, não está determinada a sua correspondência com o metabolito que produz. A desorfanização dos BGCs através de engenharia genética é um processo lento e complicado, ou mesmo impossível, dado que a maioria das estirpes de cianobactérias não são geneticamente transformáveis. De forma a ultrapassar este problema, os BGCs das cianobactérias têm sido desorfanizados recorrendo à expressão heteróloga usando a Escherichia coli como hospedeiro. No entanto, a expressão heteróloga de compostos complexos é mais eficiente quando realizada em hospedeiros mais próximos ao organismo produtor original.
No CyanOrphan, propomos uma robusta linha de investigação para descobrir novos compostos desorfanizando BGCs de cianobactérias da LEGEcc usando, pela primeira vez, chassis de cianobactérias. A abordagem começará pela avaliação do potencial biossintético dos genomas disponíveis de cianobactérias da LEGEcc. BGCs com potencial para nova química serão considerados para a seleção, que irá alavancar este projeto e outros no futuro. Para além disso, o CyanOrphan contribuirá para aumentar o número de genomas de cianobactérias da LEGEcc que ficarão disponíveis para utilização em investigações futuras. A informação genética dos BGCs selecionados será combinada com ferramentas genéticas previamente caracterizadas para posteriormente ser transformada em duas estirpes de cianobactérias modelo, Synechocystis sp. PCC 6803 e Anabaena sp. PCC 7120. Será usada uma abordagem de metabolómica comparativa para identificar novos compostos e a escala de cultivo das culturas de cianobactérias será aumentada gradualmente de forma a incrementar a produção de biomassa necessária para o processo de isolamento dos compostos. A estrutura química dos compostos será elucidada e alguns ensaios de bioatividade serão realizados, usando plataformas disponíveis no CIIMAR. Finalmente, a expressão do produto natural mais interessante, do ponto de vista da aplicação, será otimizada para a sua produção à escala industrial.
O CyanOrphan reúne investigadores do CIIMAR, formando uma equipa colaborativa com experiência em fisiologia de cianobactérias, mineração de genomas, análise filogenética, procedimentos de clonagem, engenharia genética de cianobactérias, identificação, isolamento e elucidação estrutural de compostos, cultivo em larga escala, assim como ensaios de bioatividade com produtos naturais. Todas estas áreas são cruciais para alcançar os objetivos propostos. Esta é uma proposta altamente multidisciplinar que levará à formação avançada de estudantes para diversas competências, num ambiente totalmente colaborativo.
Resumindo, o CyanOrphan irá explorar um recurso único – LEGEcc – e organismos fotoautotróficos como hospedeiros heterólogos para desorfanizar BGCs, permitindo o estudo da função de metabolitos secundários e da diversidade biológica e química associada, com a descrição de novos bioprodutos para futuras aplicações biotecnológicas (por exemplo, na biomedicina ou nas áreas alimentar, ambiental ou cosmética). Em suma, o projeto CyanOrphan terá um impacto extremamente relevante na nossa compreensão dos produtos naturais das cianobactérias.
