Isolation and identification of bioactive metabolites from marine-derived microorganisms

In the recent years, a growing interest has been noticed in the chemistry of marine organisms, as the scientific community has recognized the immense potential of marine organisms. This interest can be attributed, in part, to the constantly increasing need for new and multifunctional bioactive compounds that could be utilized for pharmaceutical applications. As a result, a plethora of marine species have been analyzed for their biological activity, and a high number of bioactive molecules with specialized activity and unique structural properties, have been isolated. Within the framework of this PhD thesis, which was aiming at the isolation and identification of new natural products with biological activity, the chemical composition of the organic extracts from two fungal and four bacterial strains of marine origin was investigated. Specifically, the fungal strains FI0013 and FI0107 that were selected for the present study, were isolated from specimens of the red algae Laurencia sp. and the sponge Ircinia variabilis, respectively, whereas the bacterial strains BI0344, BI0618, BI0944, and BI1033, were isolated from marine sediments collected in the Aegean and Ionian Sea. These strains were selected for in depth analysis on the basis of their interesting chemical profiles as revealed during the preliminary small-scale investigation of their organic extracts by NMR spectroscopy and liquid chromatography (HPLC-PDA and LC-MS).The organic extracts obtained from the large-scale cultivation of the selected fungal and bacterial strains, after a series of chromatographic separations, led to the isolation and structure elucidation of 59 different secondary metabolites. Among them, two were new natural products, five were isolated for the first time from a natural source, and one was isolated for the first time from a marine source. Specifically, from the fungal strain Penicillium sp. FI0013, 12 secondary metabolites were isolated and identified: eight 2,5-diketopiperazines, two simple aromatic molecules and two linear polyols. From the fungal strain Aspergillus sp. FI0107, 21 secondary metabolites were isolated and identified: twelve 2,5-diketopiperazines, four pseurotins, one of which is a new natural product and one was isolated for the first time from a natural source, and five sesquiterpenes, two of which were isolated for the first time from a natural source. From the bacterial strain Bacillus sp. BI0344, 15 secondary metabolites were isolated and identified: eight 2,5-diketopiperazines, three nitrogenous compounds, one of which was isolated for the first time from a natural source, one indole derivative, and four simple aromatic molecules. From the bacterial strain Nocardiopsis aegyptia BI0618, 16 secondary metabolites were isolated and identified: eleven 2,5-diketopiperazines, one small polyketide, one tetralone derivative, and three δ-lactone derivatives, among which one is a new natural product and one was isolated for the first time from a natural source. From the bacterial strain Pseudomonas sp. BI0944, two secondary metabolites were isolated and identified: one polyketide and one quinolizine derivative. From the bacterial strain Streptomyces sp. BI1033, 15 secondary metabolites were isolated and identified: six 2,5-diketopiperazines, one indole derivative, which was isolated for the first time from a marine natural source, two nucleoside derivatives, three γ-lactone derivatives, one nitrogenous compound, one simple aromatic molecule, and one methacrylic acid derivative.Τα τελευταία χρόνια, έχει σημειωθεί αυξημένο ενδιαφέρον προς την χημεία θαλάσσιων οργανισμών, καθώς ο επιστημονικός κόσμος έχει αναγνωρίσει την χημειοποικιλότητα των θαλάσσιων οργανισμών. Το ενδιαφέρον αυτό οφείλεται, εν μέρει, στην συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για την ανακάλυψη νέων και πολυδυναμικών βιοδραστικών ενώσεων, που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές της φαρμακευτικής βιομηχανίας. Ως εκ τούτου, μια πληθώρα θαλάσσιων ειδών έχει μελετηθεί με σκοπό την αξιολόγηση της βιολογικής δραστικότητάς των μεταβολιτών τους με αποτέλεσμα ένας μεγάλος αριθμός από βιοδραστικά μόρια, που ξεχωρίζουν για την εξειδικευμένη δράση και τις μοναδικές δομικές τους ιδιαιτερότητες να έχει απομονωθεί. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, στόχος της οποίας ήταν η απομόνωση και ταυτοποίηση νέων φυσικών προϊόντων με βιολογική δράση, μελετήθηκε η χημική σύσταση των οργανικών εκχυλισμάτων δύο μυκητιακών και τεσσάρων βακτηριακών στελεχών θαλάσσιας προέλευσης. Συγκεκριμένα, προς μελέτη επιλέχθηκαν τα μυκητιακά στελέχη FI0013 και FI0107, τα οποία απομονώθηκαν από δείγματα του ροδοφύκους Laurencia sp. και του σπόγγου Ircinia variabilis, αντίστοιχα, και τα βακτηριακά στελέχη BI0344, BI0618, BI0944 και BI1033, τα οποία απομονώθηκαν από θαλάσσια ιζήματα που συλλέχθηκαν στο Αιγαίο Πέλαγος. Βασικό κριτήριο επιλογής των συγκεκριμένων στελεχών ήταν το ενδιαφέρον χημικό προφίλ που παρουσίασαν τα οργανικά τους εκχυλίσματα κατά τον προκαταρκτικό έλεγχο με φασματοσκοπία 1H NMR και με υγρή χρωματογραφία (HPLC-PDA και LC-MS).Aπό τα οργανικά εκχυλίσματα που παραλήφθηκαν έπειτα από υγρή καλλιέργεια των επιλεγμένων μυκητιακών και βακτηριακών στελεχών σε μεγάλη κλίμακα απομονώθηκαν κατόπιν σειράς χρωματογραφικών διαχωρισμών 59 διαφορετικοί δευτερογενείς μεταβολίτες και ταυτοποιήθηκε η χημική τους δομή μέσω φασματοσκοπικών μεθόδων NMR και MS. Εξ αυτών, δύο ήταν νέα φυσικά προϊόντα, πέντε απομονώθηκαν για πρώτη φορά από φυσική πηγή και ένα απομονώθηκε για πρώτη φορά από φυσική πηγή θαλάσσιας προέλευσης. Συγκεκριμένα, από το μυκητιακό στέλεχος Penicillium sp. FI0013 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 12 δευτερογενείς μεταβολίτες: οκτώ 2,5-δικετοπιπεραζίνες, δύο απλά αρωματικά μόρια και δύο γραμμικές πολυόλες. Από το μυκητιακό στέλεχος Aspergillus sp. FI0107 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 21 δευτερογενείς μεταβολίτες: δώδεκα 2,5-δικετοπιπεραζίνες, τέσσερις ψευροτίνες, εκ των οποίων μία είναι νέο φυσικό προϊόν και μία απομονώθηκε για πρώτη φορά από φυσική πηγή, και πέντε σεσκιτερπένια, εκ των οποίων δύο απομονώθηκαν για πρώτη φορά από φυσική πηγή. Από το βακτηριακό στέλεχος Bacillus sp. BI0344 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 15 δευτερογενείς μεταβολίτες: οκτώ 2,5-δικετοπιπεραζίνες, τρεις αζωτούχες ενώσεις, εκ των οποίων μία απομονώθηκε πρώτη φορά από φυσική πηγή, ένα παράγωγο ινδολίου, και τέσσερα απλά αρωματικά μόρια. Από το βακτηριακό στέλεχος Nocardiopsis aegyptia BI0618 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 16 δευτερογενείς μεταβολίτες: έντεκα 2,5-δικετοπιπεραζίνες, ένα μικρό πολυκετίδιο, ένα παράγωγο τετραλόνης και τρία παράγωγα δ-λακτόνης, εκ των οποίων ένα είναι νέο φυσικό προϊόν και ένα απομονώθηκε για πρώτη φορά από φυσική πηγή. Από το βακτηριακό στέλεχος Pseudomonas sp. BI0944 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν δύο δευτερογενείς μεταβολίτες: ένα πολυκετίδιο και ένα παράγωγο κιναζολίνης. Από το βακτηριακό στέλεχος Streptomyces sp. BI1033 απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 15 δευτερογενείς μεταβολίτες: έξι 2,5-δικετοπιπεραζίνες, ένα παράγωγο ινδολίου, το οποίο απομονώθηκε για πρώτη φορά από θαλάσσια φυσική πηγή, δύο νουκλεοσιδικά παράγωγα, τρία παράγωγα γ-λακτόνης, μία αζωτούχος ένωση, ένα απλό αρωματικό μόριο και ένα παράγωγο μεθακρυλικού οξέος

New Chlorinated 2,5-Diketopiperazines from Marine-Derived Bacteria Isolated from Sediments of the Eastern Mediterranean Sea

From the organic extracts of five bacterial strains isolated from marine sediments collected in the East Mediterranean Sea, three new (15, 16, 31) and twenty-nine previously reported (1–14, 17–30, 32) metabolites bearing the 2,5-diketopiperazine skeleton were isolated. The structures of the chlorinated compounds 15, 16, and 31 were elucidated by extensive analysis of their spectroscopic data (NMR, MS, UV, IR). Compounds 15 and 16 were evaluated for their antifungal activity against Candida albicans and Aspergillus niger but were proven inactive. The relevant literature is supplemented with complete NMR assignments and revisions for the 29 previously reported compounds