Bacterial symbionts associated with the stingless bee Melipona scutellaris as sources of bioactive natural products

Os produtos naturais desempenham fundamental importância na descoberta de novos fármacos. Muitos destes fármacos originaram-se de produtos naturais microbianos o que demonstra uma extrema eficiência na habilidade dos micro-organismos de sintetizar substâncias químicas com elevado potencial biológico. Sabe-se que os insetos sociais estão sujeitos a condições climáticas e populacionais que aumentam sua susceptibilidade a parasitas. Assim, estes insetos desenvolveram um mecanismo de defesa evolutivo que consiste na associação simbiótica a bactérias capazes de biossintetizar produtos antimicrobianos contra os patógenos. Dispondo dessas informações, o presente trabalho contribuiu com o estudo dos produtos naturais biossintetizados pela bactéria Paenibacillus polymyxa ALLI-03-01, provável simbionte da espécie de abelha sem ferrão Melipona scutellaris. Os micro-organismos foram isolados de colônias mantidas no Departamento de Biologia da FFCLRP-USP. Todas as linhagens foram testadas contra dois fungos entomopatogênicos - Beauveria bassiana e Metarhizium anisopliae; os que apresentaram atividade antifúngica tiveram seus extratos em acetato de etila e metanol preparados e foram avaliados em ensaios antiparasitários contra Trypanosoma cruzi e Leishmania donovani. A bactéria ALLI-03-01, isolada do alimento larval, foi escolhida para os estudos químicos, pois apresentou satisfatória atividade antifúngica e proeminente atividade antiparasitária. Este micro-organismo foi identificado pelo sequenciamento do gene 16S rRNA como sendo a bactéria Paenibacillus polymyxa, conhecida pela alta capacidade de produção de metabólitos secundários. Para conhecer seu metabolismo, esta bactéria foi cultivada em meio ISP-2 ágar e líquido e do extrato em acetato de etila do cultivo fermentativo de P. polymyxa ALLI-03-01 foi isolado o ácido L-3-fenil lático. As atividades antifúngicas dos padrões comerciais dos ácidos D-(+)- e L-(-)- 3-fenil lático foram testadas frente ao fungo entomopatogênico B. bassiana e apenas o enantiômero L apresentou atividade antifúngica. Do extrato em metanol do cultivo em meio sólido do mesmo micro-organismo foram identificados em mistura, principalmente por MALDI-TOF MS/MS, nove diferentes ciclolipodepsipeptídeos, da classe das Fusaricidinas. As fusaricidinas são conhecidas por apresentarem alta atividade anti-microbiana, que foi comprovada quando duas frações compostas por diferentes fusaricidinas foram testadas frente ao fungo entomopatogênico Metarhizium anisopliae e contra a bactéria patogênica Paenibacillus larvae. As frações apresentaram resultados satisfatórios de inibição contra ambos os patógenos, dessa maneira as fusaricidinas e a produção seletiva do ácido L-3-fenil lático por esta bactéria podem ser vias de proteção da colônia, evitando que patógenos destruam-na e permitindo o desenvolvimento sadio de larvas. Sendo assim, este trabalho relata pela primeira vez a possível relação simbiótica existente entre o micro-organismo Paenibacillus polymyxa ALLI-03-01 e a colônia de abelhas Melipona scutellaris, bem como a produção por este micro-organismo de compostos com alta atividade antimicrobiana que podem exercer o controle de parasitas dentro da colônia, estabelecendo assim, uma possível relação ecológica entre o micro-organismo destacado e as abelhas Melipona scutellaris.Natural products play an important role in drug discovery. Several drugs have been discovered or developed from microbial natural products hits and leads showing a great efficiency of microorganisms to synthesize compounds with high biological potential. It is known that social insects are subjected to climate and population conditions that increase their susceptibility to parasites. Therefore, these insects have developed an evolutionary defense mechanism consisting in symbiotic association with bacteria capable of biosynthesize antimicrobial products against pathogens. In this context, this study contributed to the knowledge of natural products biosynthesized by the bacterium Paenibacillus polymyxa ALLI-03-01, a probable symbiont of the stingless bee Melipona scutellaris. Microorganisms were isolated from colonies maintained at the Department of Biology of FFCLRP-USP. All strains were tested against two entomopathogenic fungi - Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae; strains that showed antifungal activity had their ethyl acetate and methanol extracts prepared and evaluated against the parasites Trypanosoma cruzi and Leishmania donovani. The bacterium ALLI-03-01, isolated from larval food, was selected for chemical studies, due to its satisfactory antifungal activity and outstanding antiparasitic activity. This microorganism was identified by gene 16S rRNA sequencing as Paenibacillus polymyxa, a bacterium recognized for its ability of biosynthesize secondary metabolities. This bacterium was cultivated in ISP-2 agar and liquid medium and from the ethyl acetate extract of P. polymyxa ALLI-03-01 cultivated in liquid medium L-3-phenyllactic acid was isolated. The antifungal activity of comercial standards of D-(+)- and L-(-)-phenyllactic acid were tested against entomopathogenic fungus B. bassiana and only the L enantiomer presented antifungal activity. Nine cyclo lipodepsipeptides known as fusaricidins were identified in mixture using MALDI-TOF-MS/MS from the methanol extract of ALLI-03-01. The fusaricidins are recognized for their high antimicrobial activity, which was confirmed when two fractions composed by different fusaricidins were tested against the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae and the pathogenic bacterium Paenibacillus larvae. The fractions showed satisfactory inhibition against both pathogens. Therefore, fusaricidins and selective production of L-3-phenyllactic acid by the bacterium may be colony protection resources, preventing the action of pathogens and allowing healthy larvae development. Therefore, this study reports for the first time a possible symbiotic relationship between Paenibacillus polymyxa ALLI-03-01 and the colony of M. scutellaris bees, as well as production of compounds with high antimicrobial activity by this microorganism that might act as parasite control agents within the colony, establishing a possible ecological relationship between the bacterium and M. scutellaris bees