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Peptides In Cyanobacteria Under Different Environmental Conditions
Peptides In Cyanobacteria Under Different Environmental Conditions
Ferreira Ferreira, Ana Helena
Inst. Technischen Umweltschutz
Die Hauptzielsetzungen dieser Arbeit waren unbekannte Peptide aus Cyanobakterien zu identifizieren und zu charakterisieren und den Einfluss von unterschiedlichen Umweltbedingungen (Licht, Temperatur, Nährstoffkomposition) auf die Peptidbildung zu analysieren. Drei Microcystis-Stämme und zwei Aphanizomenon-Stämme wurden auf ihre Peptidzusammensetzung untersucht. In allen Stämmen wurden schon beschriebenen Cyanopeptide gefunden. In den Aphanizomenon Stämmen wurden 2 neue noch nicht beschriebene Cyanopeptide gefunden. Diese Cyanopeptide wurden isoliert und deren chemische Struktur aufgeklärt. Zur Charakterisierung dieser Peptide wurden einige Biotests durchgeführt. Die in vitro Zelltoxizitätstests ergaben, dass die Peptide nicht cytotoxisch, mutagen oder tumorfördernd sind. Andererseits zeigten in vitro Experimente mit Daphnia magna, dass diese Peptide Trypsininhibitoren sind. Die meisten Untersuchungen, die bislang zum Einfluss der Umweltbedingungen auf die Peptidbildung durchgeführt wurden, basieren auf Strukturvarianten der gut untersuchten Cyanopeptidgruppe der Microcystine. Die Untersuchungen an Microcystinen ergaben, dass die Umweltbedingungen nur wenig Einfluss auf die Peptidbildung haben. In dieser Arbeit wurde überprüft, ob diese Aussage auch auf andere Cyanopeptide zutrifft. Acht Peptide aus fünf Cyanobakterienstämmen wurden in dieser Arbeit untersucht, Microcystin [Leu1]-desmethylated-LR, Aeruginosin 102A, Microviridin, Microginin, Anabaenopeptin F, Oscillamide Y, Aphapeptin F1 (eines der neu isolierten Cyanopeptide) und ein weiteres unbekanntes Cyanopeptid, P677. Mit diesen fünf Stämmen bzw. acht Peptiden wurden Experimente in Batch-Kultur mit unterschiedlichen Temperaturen, Lichtintensitäten und Nährstoffkonzentrationen durchgeführt. Das zentrale Resultat dieser Arbeit ist die sehr große Variabilität der Peptidmenge pro Zellbiovolumen in Reaktion auf die Umweltbedingungen für diese acht Cyanopeptide. Eine ähnlich große Variabilität wurde auch in den Fällen beobachtet, in denen die gleichen Peptide in verschiedenen Stämmen auftraten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Peptidmenge häufig durch die Umweltbedingungen Temperatur und Lichtintensität beeinflusst war. Eine Erhöhung der Temperatur oder der Lichtintensität führte in den meisten Fällen zu einer Zunahme der Peptidmenge pro Zellbiovolumen. Unterschiede in der Peptidmenge pro Zellbiovolumen zwischen verschiedenen Wachstumsbedingungen betrugen selten mehr als einen Faktor von 5. Nur in 3 Ausnahmefällen bei gleichzeitig stark reduziertem Wachstum der Kulturen wurden bei -Stickstoffmangel zwei Peptide gar nicht mehr nachgewiesen. Ein anderes interessantes Resultat ist die Erkenntnis, dass die Regulierung der Bildung dieser verschiedenen Cyanopeptide divers ist und nicht dem Muster folgt, das für Microcystin beschrieben ist. Ähnlich wie Microcystin liegen 7 dieser 8 Peptide unter den meisten Wachstumsbedingungen zu über 90% zellgebunden vor, und der im Wasser gelöste Anteil ist gering. Geringfügige Anstiege des gelösten Anteils werden für Oscillamide Y insb. im stickstoff- oder phosphatfreien Medium beobachtet. Eine Ausnahme bildet lediglich das Aeruginosin 102A, das unter fast allen Wachstumsbedingungen etwa zur hälfte im Wasser gelöst auftrat.
The main objectives of this work were to identify and characterize unknown cyanobacterial peptides and analyze the influence of different environmental conditions (temperature, light intensity, and nutrient composition) on cyanopeptide concentration. Three Microcystis strains and two Aphanizomenon strains were screened for their peptide composition. All strains contained previously described cyanopeptides, and the Aphanizomenon strains contained 2 unknown cyanopeptides. These cyanopeptides were isolated and their chemical structure was elucidated. For characterization of these peptides, some biotests were done. The in vitro cytotoxicity tests indicated that these new peptides are not cytotoxic, mutagenic or tumor promoter. However, the in vitro experiments with Daphnia magna showed that these new cyanopeptides are trypsin inhibitors. Most studies of the influence of environmental conditions on cyanopeptide concentration so far have addressed the well examined cyanopeptide group of microcystins, and they showed that environmental conditions have little influence on the microcystin concentration. The thesis presented here examined whether this statement also applies to other cyanopeptides. Eight cyanopeptide from five cyanobacterial strains were examined, i.e. microcystin [Leu1]-desmethylated-LR, aeruginosin 102A, microviridin, microginin, anabaenopeptin F, oscillamide Y, aphapeptin F1 (the new isolated cyanopeptide) and another unknown cyanopeptide P677. With these five cyanobacterial strains, i.e. eight cyanopeptides, batch culture experiments were done with different temperatures, light intensities and nutrient composition. The central result is the pronounced variability of the peptide concentration per cell biovolume in reaction to the environmental conditions for these eight cyanopeptides. A similarly large variability was found also in the cases where the same peptides were produced in different strains. The results show that the peptide concentrations were frequently affected by temperature and light intensity. In most cases an increase of temperature and of light intensity led, to an increase of the peptide concentration per biovolume. Differences in the peptide concentration per cell biovolume between different growth conditions rarely amount to more than a factor of 5. The only exception is a strain in which 3 peptides were no longer detected under nitrogen-deplete conditions. Another interesting result is the observation that the regulation of these different cyanopeptides is diverse and does not follow the pattern described for microcystin. Similarly as for microcystin, for 7 of these 8 peptides under most growth conditions more than 90% of the total pool is cell bound, and the portion dissolved in the water is small. Slight increases of the extracellular share occurred with oscillamide Y, especially in medium free of nitrogen and phosphate. The only exception is aeruginosin 102A, of which under nearly all growth conditions approximately half was found dissolved in the water.
