Evaluation of the antimicrobial activity from Cerâmica Cave (Portugal) bactéria : the case study of Cupriavidus sp.

Abstract

Presently, the increasing number of multidrug resistant pathogens continues to be one of the major issues to be tackled by the scientific community. This is aggravated by the inability to find antibiotics with new chemical structures and/or modes of action. Therefore, the search for novel metabolites has expanded to the prospection of bacterial drug producer’s strains in extreme environments such as caves. Caves differ from surface environments in some of their core aspects, creating an extreme and unfavourable environment for microorganisms. The absence of light, high humidity and typical lack of nutrient input creates oligotrophic niches throughout the cave, with high potential for harbouring unique and unexplored microbial populations. Caves represent, thereby, a reservoir of unknown bacterial diversity potentially with antibiotic producing organisms. Additionally, few caves have been explored with the specific focus of finding these microorganisms. Taking this into consideration, this work focused on the antimicrobial activity of bacterial strains isolated from cave systems. The specific objectives of this work were: i) to review the methods used in the isolation of drug producer strains as well as in the evaluation of in vitro antibacterial activity ii) to identify and screen for antimicrobial activity bacterial strains isolated from Cerâmica Cave, Portugal; iii) to modulate the production of antimicrobial compounds and pigments by isolate CC166 (Cupriavidus sp.) and assess their bioactivity. An extensive review was made leading to the conclusion that caves may be one of the next most promising niches for novel drug producer bacterial strains. Among the isolation methods employed, the use of supplements, a wide variety of culture media and pre-treatments has been successfully applied in the isolation of drug producer strains. Based on the literature, the disk diffusion method and the agar well diffusion assay have been successfully employed on the screening for drug producer strains. Through the tackling of the second objective, antibiotic producer bacteria belonging to several genera were revealed. These included Streptomyces, Cupriavidus, Bacillus and Paenibacillus. Regarding the third objective, the employment of several culture media revealed remarkable patterns in the antimicrobial activity as well as in the modulation of pigments by Cupriavidus sp. CC166. Notably, Cupriavidus sp. CC166 was able to inhibit all pathogenic bacteria used as test agents in this work.

Atualmente, o contínuo aumento de organismos patogénicos multirresistentes é uma das maiores problemáticas que a comunidade científica enfrenta. Isto é acentuado pela incapacidade de encontrar antibióticos com novas estruturas químicas e/ou modos de ação. Por este motivo, a procura por novos metabolitos tem vindo a expandir-se para a prospeção de novas estirpes bacterianas produtoras de antibióticos em ambientes extremos, tais como grutas. Os ambientes cavernícolas diferem dos de superfície em alguns aspetos chave, sendo responsáveis por criar um ambiente extremo e menos favorável para os microrganismos. A ausência de luz, a elevada humidade e a típica falta de nutrientes gera nichos oligotróficos, ao longo da gruta, com elevado potencial para possuir populações microbianas únicas e não exploradas. Por este motivo, estes ambientes representam um reservatório desconhecido de diversidade bacteriana, potencialmente com organismos produtores de antibióticos. Adicionalmente, poucas grutas foram exploradas com o foco específico de encontrar estes microrganismos. Por este motivo, este trabalho focou-se na atividade antimicrobiana de estipes bacterianas isoladas a partir de sistemas cavernícolas. Os objetivos específicos deste trabalho foram: i) a revisão dos métodos usados na obtenção de estirpes com atividade bacteriana, assim como nos métodos usados na avaliação das atividades antibacterianas; ii) a identificação e avaliação de atividade antimicrobiana de estipes bacterianas isoladas a partir da Gruta da Cerâmica, Portugal; iii) modular a produção de compostos antimicrobianos e pigmentos pelo isolado CC166 (Cupriavidus sp.) assim como avaliar as suas bioatividades. Foi realizada uma extensa revisão bibliográfica, que resultou na conclusão de que os ambientes cavernícolas podem ser um dos próximos nichos mais promissores para a descoberta de estirpes bacterianas produtoras de novos metabolitos. Entre os métodos de isolamento empregues, o uso de suplementos, de uma grande variedade de meios de cultura e de pré-tratamentos, têm sido aplicados com sucesso no isolamento de estirpes produtoras de antibióticos. Com base na literatura, os métodos mais aplicados na avaliação da atividade antimicrobiana das estirpes bacterianas incluem o método disco-difusão e o método de difusão em ágar por poço. Através da realização do segundo objetivo, várias bactérias produtoras de antibióticos pertencentes a diversos géneros foram reveladas. Estes incluíram os géneros Streptomyces, Cupriavidus, Bacillus e Paenibacillus. Relativamente ao terceiro objetivo, o uso de vários meios de cultura revelou padrões de atividade antimicrobiana notáveis, assim como de modulação de pigmentação por Cupriavidus sp. CC166. Notavelmente, Cupriavidus sp. CC166 demonstrou a capacidade de inibir todas as bactérias patogénicas testadas neste trabalho.