Na natureza, os metabolitos secundários microbianos são responsáveis por uma miríade de funções fisiológicas e ecológicas, incluindo interações microrganismo–microrganismo, desempenhando um papel crucial no equilíbrio ecológico do mundo microbiano. As cianobactérias são um grupo diversificado e amplamente distribuído de bactérias Gram-negativas capazes de realizar fotossíntese oxigénica, sendo também conhecidas por serem prolíficas produtoras de metabolitos secundários únicos. Na natureza, as cianobactérias são geralmente encontradas em agregados microbianos, como parte de biofilmes fototróficos, nos quais diferentes estirpes de cianobactérias coabitam juntamente com membros de outros filos bacterianos. As cianobactérias podem produzir substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e mucilagem polissacarídica, que criam um microambiente favorável ao crescimento das comunidades microbianas (designado também por cianosfera). Mesmo em condições laboratoriais, as cianobactérias são normalmente mantidas como culturas unicianobacterianas não axénicas, devido à impossibilidade de crescerem em axenicidade, o que evidencia as intrincadas interações entre as cianobactérias e o microbioma da cianosfera.

Apesar da sua relevância biotecnológica, incluindo a produção de NP clinicamente importantes, a bioprospeção de cianobactérias tem sido maioritariamente limitada a estirpes cultiváveis ou a biofilmes de regiões tropicais, a partir dos quais é possível obter grandes quantidades de biomassa. A composição do microbioma dos biofilmes de cianobactérias nestes estudos não é, contudo, um ponto central, pelo que permanecem por esclarecer questões sobre a diversidade de cianobactérias que compõem os biofilmes em diferentes ambientes e sobre quais membros de outros filos bacterianos são encontrados concomitantemente. Além disso, a forma como a comunidade no biofilme interage e regula a produção de NP cianobacterianos ainda não está completamente compreendida. Os NP são produzidos por clusters de genes biossintéticos (BGCs), conjuntos de genes fisicamente agrupados que codificam as enzimas biossintéticas responsáveis pela via metabólica do NP. Os avanços nas tecnologias de sequenciação de alto débito (HTS) e nos estudos “ómicos” revelaram uma grande diversidade de BGCs cianobacterianos não associados a NP conhecidos. Isto ocorre não só pela revelação de diversidade cianobacteriana desconhecida e não cultivada e da sua maquinaria biossintética associada, mas também devido à existência de BGCs crípticos e da necessidade de estímulos para ativar clusters genéticos silenciosos ou reprimidos, que geralmente estão ausentes nas condições de cultivo laboratoriais. Nos biofilmes de cianobactérias, prevê-se que a interação entre os diferentes membros da comunidade possa desempenhar um papel proeminente na expressão dos BGCs cianobacterianos, incluindo dos próprios metabolitos secundários.

Para responder a estas questões, o CYANOBioMe pretende: i) realizar uma análise sistemática de biofilmes dominados por cianobactérias, em vários habitats, para determinar a sua composição microbiana e o seu potencial biossintético (ativo), recorrendo à metagenómica e metatranscriptómica; e ii) aplicar análises comparativas de metatranscriptómica e metabolómica a biofilmes de cianobactérias (simulados), para inferir de que forma as interações entre espécies podem funcionar como potenciais estímulos para a expressão de BGCs e produção de metabolitos. Para alcançar estes objetivos, propomos explorar uma compreensão holística dos biofilmes ambientais de cianobactérias, desde a composição do microbioma até ao seu funcionamento. Serão integradas abordagens interdisciplinares, desde estratégias “ómicas” dirigidas ao metagenoma, metatranscriptoma e metaboloma de biofilmes ambientais de cianobactérias até estudos laboratoriais de co-cultivo de estirpes unicianobacterianas. A experiência multidisciplinar da equipa em microbiologia (AR, AV, MC), ecologia química (AR, AV, MC), bioinformática (AR, MC), biossíntese (MC, SF) e química de produtos naturais (SF) permitirá integrar e compreender dados multi-ómicos e apoiar o cumprimento dos objetivos do projeto.

Globalmente, o CYANOBioMe poderá abrir novas vias para facilitar a descoberta de novos NP, ao abordar fatores intervenientes e limitações-chave de cultivo que condicionam o crescimento de cianobactérias em laboratório e ao identificar estímulos para a expressão de BGCs cianobacterianos e produção de metabolitos.