Inter-kingdom alga-baktérium interakciók molekuláris mechanizmusainak feltárása és hasznosítása új antimikrobiális hatóanyagok azonosításában  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
123899
típus FK
Vezető kutató Maróti Gergely
magyar cím Inter-kingdom alga-baktérium interakciók molekuláris mechanizmusainak feltárása és hasznosítása új antimikrobiális hatóanyagok azonosításában
Angol cím Molecular actors and mechanisms of inter-kingdom algal-bacterial interactions. Discovering the potential of these interactions as sources of novel antimicrobial agents.
magyar kulcsszavak eukarióta zöldalgák, mikrobaközösség, interakció, antimikrobiális peptidek, metatranszkriptomika
angol kulcsszavak eukaryotic green algae, microbial community, interactions, antimicrobial peptides, metatranscriptomics
megadott besorolás
Növénykórtan, molekuláris növénykórtan (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
zsűri Komplex agrártudomány
Kutatóhely Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők Farkas Attila
Lakatos Gergely
Nagy Ildikó Katalin
Pap Bernadett
Shetty Prateek
projekt kezdete 2017-12-01
projekt vége 2022-08-31
aktuális összeg (MFt) 39.475
FTE (kutatóév egyenérték) 14.50
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat általános célja alga-baktérium interakciók molekuláris hátterének vizsgálata, illetve ezen interakciókban specifikusan termelődő antimikrobiális hatóanyagok vizsgálata. Eukarióta zöld algák és természetes illetve mesterségesen hozzáadott baktérium partnereik kölcsönhatását fogjuk vizsgálni, a kölcsönhatás során termelődő másodlagos alga metabolitokat, illetve a kölcsönhatás által indukáltan kifejeződő antimikrobiális peptideket keresünk.

A pályázat specifikus céljai:
- az alga-baktérium együttélést szabályozó molekuláris elemek azonosítása
- a ko-kultúrákban egyedien kifejeződő alga genomi régiók részletes in silico elemzése
- az azonosított interakció-specifikus gének és termékeik illetve működési mechanizmusuk direkt jellemzése (funkció kiütéses módszerekkel)
- az alga-baktérium vegyes kultúrákban termelődő antimikrobiális hatású vegyületek azonosítása, izolálása és karakterizálása

Az alkalmazott főbb módszerek:
- axénikus és vegyes algakultúrák részletes fiziológiai jellemzése, folyadéktér analízisek (HPLC), gáztérelemzések (GC)
- a kölcsönható partnerek globális expressziós profiljainak összehasonlítása tiszta és vegyes kultúrák esetében nagy áteresztőképességű Illumina RNS szekvenálással
- az RNS szekvenálás alapján kiválasztott gének csendesítése "RNA silencing" módszerrel illetve a CRISPR-Cas genomszerkesztés alkalmazása algákra
- új antimikrobiális hatóanyagok izolálása és karakterizálása (folyadékkromatográfia, standard MBC és MIC tesztek, hatásmechanizmus vizsgálatok)

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdései:

Lehetséges-e, hogy a kiválasztott alga-baktérium közösségek tagjai kizárólag az együttélés során képesek antimikrobiális hatású vegyületek előállítására?
Amennyiben igen, mennyire specifikus a termelő tulajdonság a partnerek összetételére? (függ a baktérium partnertől?)
Az interakcióban résztvevő partnerek mely génjei és metabolikus útvonalai indukálódnak szelektíven?
Milyen molekuláris mechanizmusok szabályozzák a partnerek kölcsönhatását, együttélését, hogyan tesznek különbséget az alga partnerek a hasznos és káros bakteriális partnerek között?
Milyen típusú antimikrobiális komponenseket termel az alga partner? (másodlagos metabolitok, riboszómálisan szintetizálódó peptidek, stb.)

A tervezett kutatás során természetes és mesterségesen előállított alga-baktérium közösségeket vizsgálunk. Kutatjuk az esetleges koordinált génexpressziós jelenségeket, a géntermékek megosztásának módját, különös figyelmet szentelünk az antimikrobiális hatású vegyületeknek, melyek vélhetően kulcsszerepet játszanak az alga-baktérium kölcsönhatások szabályozásában, fenntartásában.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Minden élő szervezet kölcsönhatásban áll más élőlényekkel, a legtöbb élőlény komplex közösségekben él, melyekben a résztvevő szervezetek különböző típusú és erősségű interakciókban állnak egymással. A komplex közösségek működését még napjainkban is alig ismerjük, még a jobban tanulmányozott modellrendszerek (pl. pillangósvirágú növények és rhizobium baktériumok szimbiózisa) is számos felfedezendő titkot rejtenek. A nagy áteresztőképességű genomikai és rendszerbiológiai megközelítések hatalmas adatmennyiséget generáltak ezen a kutatási területen is és minőségi segítséget jelentenek a komplex interakciók molekuláris mechanizmusainak megismerése terén. Az interakciók a résztvevő szervezetek alábbi tulajdonságait befolyásolják elsősorban: tápanyagokhoz való hozzáférés, védekező funkciók, reprodukció. A tervezett pályázat elsősorban a közösségek tagjainak védekező funkcióira fókuszál, az egyes tagok (jelen esetben az eukarióta zöld algák) védekező mechanizmusait, konkrétan az antimikrobiális ágens termelő képességüket kívánjuk vizsgálni különböző közösségi összetételek mellett. Ezzel a stratégiával várhatóan azonosítani és jellemezni tudunk új antimikrobiális vegyületeket, új védekezési mechanizmusokat, és a stratégia általánosan, más közösségek esetében is, alkalmazható lesz új, természetes antimikrobiális hatóanyagok felkutatására.

A tervezett kutatásban résztvevő kutatók széleskörű tapasztalatokkal bírnak mind antimikrobiális ágensek (elsősorban természetes növényi peptidek) mind komplex mikroorganizmus közösségek vizsgálatában. A kettő kombinációját kívánjuk hasznosítani a tervezett kutatás során.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A társadalom számára égető szükséggé vált újfajta, hatékony antimikrobiális hatóanyagok kutatása, alkalmazása a hagyományos antibiotikumok mellett. Ezt elsősorban a baktériumokban megfigyelhető, a jelenlegi antibiotikumokkal szembeni, rezisztencia-mechanizmusok rendkívül gyors kialakulása indokolja, mely a világ egészségipara számára az egyik legnagyobb kihívás napjainkban.
Antimikrobiális hatóanyagokat szinte minden élő szervezet termel a baktériumoktól kezdve a rovarokon és növényeken keresztül a gerinces állatokig. Ezek a hatóanyagok kémiailag rendkívül sokfélék lehetnek, szerves savaktól kezdve a peptid típusú molekulákig. Az egyes szervezetek ezen anyagokat jól meghatározott körülmények között, szigorú szabályozás mellett állítják elő és alkalmazzák elsősorban védekezési célból.
Tervezett vizsgálataink célpontjai az élőlényközösségek, okkal feltételezhető, hogy a legtöbb antimikrobiális hatóanyag a közösségeken belüli komplex interakciók során fejeződik ki. Minden élőlény közösségekben él a természetben, és erősebb vagy gyengébb interakciókat alakít ki a környezetében élő egyéb organizmusokkal. Célunk a kizárólag az élő szervezetek közti kölcsönhatások során megjelenő természetes antibiotikumok azonosítása, karakterizálása. A tervezett projektben az eukarióta zöldalgák baktériumokkal alkotott közösségeit kívánjuk vizsgálni.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The general goal of this proposal is the assessment of algal-bacterial interactions as exclusive sources of antimicrobial agents. Mutualistic associations between eukaryotic green algae and their bacterial partners (either natural or engineered) will be investigated and interrogated for antimicrobial compounds (secondary metabolites, ribosomally synthesized peptides, etc.). This is a goal with remarkable intrinsic risks, however, the possible ground-breaking basic findings and invaluable novel compounds might outweigh these risks.

Specific research goals:
- identification of molecular elements regulating the algal-bacterial mutualistic associations
- throughout investigation of the algal genomic regions specifially expressed in the interactions
- direct study of the mechanisms and roles of the identified interaction-specific genes and proteins
- identification, isolation and characterization of the association-specific antimicrobial agents

Main methods:
- physiological studies with axenic and co-cultures including detailed HPLC analysis of the liquid cultures and Gas Chromatography assessment of the headspace of the batch systems
- comparison of the global expression profiles of the interacting partners (Illumina RNA-Seq), genome re-annotation
- RNA silencing and application of the CRISPR-Cas genome editing approach for algal genomic regions
- Isolation and characterization of novel interaction-specific antimicrobial compounds (chromatography and standard MBC/MIC tests, mode of action studies)

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Basic questions:

Are the partners of selected mutualistic microbial interactions able to produce antimicrobial agents that are exclusively produced in the interaction?
If yes, is the producing algae phenotype characteristic for the composition of the community? (specific for partner bacterial species?)

Which genes and pathways are selectively induced in the associations?

What are the molecular mechanisms in regulating the interactions, in discriminating between beneficial and harmful microbial encounters?

What is the nature of the interaction-specific antimicrobial compounds (secondary metabolites, peptides)?

The proposed research will focus on natural and engineered algal-bacterial communities, on the coordination of gene expression and gene product sharing across partners with a special emphasis on the induction/expression and roles of potential interaction-specific antimicrobial compounds that have a presumptive key function in regulating the partnership.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Mutualistic living interactions are ubiquitous. However, we are only at an early stage to resolve major patterns of complex living associations (including well-studied symbiotic settings, e.g. plant-rhizobia symbiosis). Whole-genome sequencing has recently introduced a surge of data into the field, post-genomic and systems biology approaches are also emerging as powerful techniques to investigate complex interactions, both at the molecular level of the species interface and at the global scale. Interactions affect the partners' nutrient acquisition, defense and immunity functions as well as development or reproduction. This study will closely investigate the defense and immunity functions of the partners in various algal-bacterial interactions compared to those observed in pure cultures. This strategy will be pursued to identify and characterize novel antimicrobials as representatives of the regulatory and defense mechanisms of the interacting partners. The proposed study will open a complete new field in the hunt for antimicrobial agents of natural origin.

The participants of the proposed study has extensive research experience both in the field of natural antimicrobial peptides as well as in the high-throughput study of complex microbial ecosystems (see attached publications). This unique combination provides specific advantage for the applicants to successfully implement the proposed research.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
There is a permanently growing need in the human society for the discovery of novel antimicrobial drugs. This need is justified by the rapid spread of various multi-resistant bacteria, which represents a major challenge in medicine. Another serious reason is the increase of the human population on Earth, which requires higher and more predictable food production in a standard and safe quality in agriculture.
Novel antimicrobial drugs might have essential role in providing solutions for both issues. Highly selective and strong antimicrobial effect is a major priority along with low toxicity and ability to avoid the development of resistance mechanisms causing serious limitations in the usability of present antibiotics.
All organisms live in ecosystems and are engaged in weaker or stronger interactions with other representatives of the communities. Most microbes are also interacting with several organisms including other microbes as well as higher eukaryotes. The significance of these interactions are clearly shown in a few cases (e.g. symbiotic microbe-plant interactions), however, the surface has only been scratched, much work has to be done in order to get a deeper understanding of complex ecosystems.
This proposal aims the discovery of the potential of algal-bacterial interactions as sources of novel antimicrobial compounds. Interactions between eukaryotic green algae and their natural and/or engineered bacterial partners will be investigated and interrogated, novel drug candidates will be characterized and screened for future applications in medicine and agriculture.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
Több nemzetközi publikációt eredményezett az alga-baktérium kombinációk növényi biostimuláns és antimikrobiális hatásainak vizsgálata. Részletesen vizsgáltuk a kezelt növények növekedési paramétereit, a vegetatív szervek szerkezetét és biomasszáját, a virágzás időpontját illetve a termések paramétereit. Kimutattuk, hogy a biostimuláns hatásokért elsősorban az algák által termelt extracelluláris poliszacharidok a felelősek, melyek mennyiségét az alga kultúrákban befolyásolni tudjuk az algák mellett alkalmazott partner baktériumok és gombák jelenlétével. Mindvégig nagy hangsúlyt fektettünk az alga-baktérium közösségek szennyvíztisztításban történő hasznosíthatóságára. A szennyvíztisztítás során az algák elsősorban a nitrogén és foszfortartalom csökkentésében játszanak kiemelt szerepet, illetve a vizek, szennyvizek sótalanításában is jól tudjuk alkalmazni őket. Az algák által elért tisztítási hatékonyság növelése mellett vizsgáltuk azt is, hogyan alakítják át a kívülről a rendszerhez adott algák a szennyvizekben aktív mikrobiális közösségeket. A szennyvíztisztítás illetve a sótűrés a molekuláris hátterét genomikai, proteomikai, fiziológiás illetve mikroszkópiás módszerek kombinációjával kutattuk. Fontos új eredményeket értünk el az alga-baktérium alapú hidrogéntermelés kutatásában, mind definiált közegben, mind valós szennyvíz szubsztrátként történő alkalmazásával. Igazoltuk, hogy az algák hidrogéntermelését direkt módon befolyásolják a partnerként alkalmazott baktériumok.
kutatási eredmények (angolul)
The scientific programme resulted in 17 international peer-reviewed scientific publications in the 4 year and 9 months. The total impact factor of these project-related publications is 74.27. Our research group participated in other related projects as cooperation partner, these projects resulted in further publications (more than 15). Thus, the specific NKFI project supported the publication of more than 30 scientific publications in total. The results were obtained in the following fields: Algal-bacterial communities in biohydrogen production - Important new results were obtained in the field to prove the direct role of partner bacteria in channeling excess electrons (in both direct and indirect photolytic ways) to the algal hydrogenase enzymes. Algal-bacterial communities in wastewater treatment and bioremediation - The roles of algae were shown in the efficient use of dissolved nitrogen and phosphorous compounds of wastewater. The specific effects of algae addition on the restructuring of wastewater microbial communities were investigated in detail. Use of algae as plant biostimulants and source of antimicrobial agents - Clear plant biostimulatory activities of selected algae were described on both model and plants and crops (tomato). The significance of algal EPS molecules, which can be regulated by partner bacteria was described.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=123899
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Gitau MM., Farkas A., Ördög V. and Maróti G.: Evaluation of the biostimulant effects of two Chlorophyta microalgae on tomato (Solanum lycopersicum)., Journal of Cleaner Production 364: 132689, 2022
Hupp B., Pap B., Farkas A. and Maróti G. Development of a microalgae-based continuous starch-to-hydrogen conversion approach.: Development of a microalgae-based continuous starch-to-hydrogen conversion approach., Fermentation, 8:294., 2022
Farkas A., Pap B., Kondorosi É. and Maróti G: Antimicrobial activity of NCR plant peptides strongly depends on the test assays, Frontiers in Microbiology, October 2018, Vol.9, Article 2600, DOI: 10.3389/fmicb.2018.02600, 2018
Lakatos G., Balogh D., Farkas A., Ördög V., Nagy P.T., Bíró T, Maróti G: Factors influencing algal photobiohydrogen production in algal-bacterial co-cultures, Algal Research 28:161-171, doi: 10.1016/j.algal.2017.10.024, 2017
Horváth N., Katona Sz., Berthold D., Molnar Z., Bálint P., Ördög V., Pap B., Maróti G., Bánáti F.Szenthe K., Vörös L., Kilgore C., Laughinghouse H.: The reclassification of 37 strains from The Mosonmagyaróvár Algal Culture Collection, Hungary, which were previously identified as Anabaena (Cyanobacteria, Nostocaceae)., South African Journal of Botany, 2019
Katona Sz., Bánáti F., Vörös L., Szenthe K., Laughinghouse H., Pap B., Berthold D., Maróti G., Horvath N., Balint P., Kilgore C., Molnár Z. and Ördög V.: Phylogenetic re-evaluation of previously identified Chlamydomonas (Chlorophyta, Chlamydomonadaceae) strains from The Mosonmagyaróvár Algal Culture Collection, Hungary, us, South African Journal of Botany, 2019
Shetty P., Boboescu I.Z., Pap B., Wirth R., Kovács K.L., Bíró T., Futó Z., White III R.A. and Maróti G.: Exploitation of Algal-Bacterial Consortia in Combined Biohydrogen Generation and Wastewater Treatment., Frontiers in Energy Research, 2019
Wirth R., Böjti T., Lakatos G., Maróti G., Bagi Z., Rákhely G and Kovács KL.: Characterization of core microbiomes and functional profiles of mesophilic anaerobic digesters fed with Chlorella vulgaris green microalgae and maize silage., Frontiers in Energy Research, 2019
Shetty P., Gitau MM. and Maróti G.: Salinity stress responses and adaptation mechanisms in eukaryotic green microalgae., Cells. doi: 10.3390/cells8121657, 2020
Wirth R., Pap B., Böjti T., Shetty P., Lakatos G., Bagi Z., Kovács KL. and Maróti G.: Chlorella vulgaris and its phycosphere in wastewater: microalgae-bacteria interactions during nutrient removal., Front. Bioeng. Biotechnol., 2020
Rani V. and Maróti G.: Assessment of Nitrate Removal Capacity of Two Selected Eukaryotic Green Microalgae, Cells 10:2490., 2021
Szuhaj M., Wirth R., Bagi Z., Maróti G., Rákhely G. and Kovács KL.: Development of stable mixed microbiota for high yield power to methane conversion., Energies 14:7336., 2021
Wirth R., Pap B., Dudits D., Kakuk B., Bagi Z., Shetty P., Kovács KL. and Maróti G.: Genome-centric investigation of anaerobic digestion using sustainable second and third generation substrates., Journal of Biotechnology 339:53–64, 2021
Shetty P., Farkas A., Pap B., Hupp B., Ördög V., Bíró T., Varga T. and Maróti G.: Comparative and phylogenomic analysis of nuclear and organelle genes in cryptic Coelastrella vacuolata MACC-549 green algae., Algal Research 58:102380, 2021
Kakuk B., Wirth R., Maróti G., Szuhaj M., Rákhely G., Laczi K., Kovács KL. and Bagi Z.: Early response of methanogenic archaea to H2 as evaluated by metagenomics and metatranscriptomics, Microbial Cell Factories, 2021
Gitau MM., Farkas A., Balla B., Ördög V., Futó Z. and Maróti G.: Strain-Specific Biostimulant Effects of Chlorella and Chlamydomonas Green Microalgae on Medicago truncatula., Plants 10, 1060., 2021
Stirk WA., Bálint P., Maróti G., Varga Z., Lantos Zs., van Staden J and Ördög V.: Comparison of monocultures and a mixed culture of three Chlorellaceae strains to optimize biomass production and biochemical content in microalgae grown in a greenhouse., Journal of Applied Phycology, 2021
Knisz J., ShettyP., Wirth R., Maróti G., Karches T., Dalkó I., Bálint M., Vadkerti E. and Bíró T.: Genome-level insights into the operation of an on-site biological wastewater treatment unit reveal the importance of storage time., Science of The Total Environment, 2021
Kakuk B., Bagi Z., Rákhely G., Maróti G., Dudits D. and Kornél L. Kovács: Methane production from green and woody biomass using short rotation willow genotypes for bioenergy generation., Bioresource Technology, 2021
Soós V., Shetty P., Maróti G., Incze N., Badics E., Bálint P., Ördög V. and Balázs E.: Biomolecule composition and draft genome of a novel, high-lipid producing Scenedesmaceae microalga., Algal Research 54: 102181., 2021




 

Projekt eseményei

  
2018-06-05 15:41:18
Résztvevők változása
2017-10-13 10:44:59
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Genomikai kutatócsoport (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Növénybiológiai Intézet (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont).



vissza »