Zooming into the sponge microbiome in the omics era

Abstract

Marine sponges (phylum Porifera) are the oldest extant metazoans and play crucial ecological roles in benthic environments due to their high filtration capacity. They also harbor diverse and dense microbial communities spanning all three domains of life, forming complex holobionts. However, the majority of sponge-associated microorganisms remain uncultured, limiting our understanding of their functional roles. This thesis explores the interplay between sponges and bacteria by integrating cultivation-dependent and -independent approaches. The study highlights the metabolic versatility of sponge-associated Flavobacteriaceae, which exhibit genomic potential for gliding motility, carbohydrate degradation, and secondary metabolite production, though phenotypic assays revealed silent gene expression under in vitro conditions. Further, genome mining and bioactivity screening of sponge-derived Proteobacteria and Actinobacteria identified antimicrobial and cytotoxic compounds, linking biosynthetic gene clusters to observed bioactivities. Focusing on uncultured sponge symbionts, the research describes a novel candidate genus Candidatus Thalassonella within Tectomicrobia, which shares metabolic traits with Ca. Entotheonella, a known ‘superproducer’ of bioactive metabolites. Additionally, the study resolves the phylogeny and metabolic capabilities of sponge-associated Ca. Dadabacteria (‘Desulfobacterota__D’), uncovering a sponge-specific order (Ca. Nemesobacterales) enriched in genes related to host adaptation and secondary metabolism. Using fluorescence in situ hybridization, Ca. Nemesobacterales were visualized within sponge bacteriocytes, supporting their symbiotic lifestyle. In conclusion, this thesis bridges the gap between omics-derived insights and functional understanding of sponge-microbe interactions. The findings suggest that sponge symbionts contribute to heterotrophy, metabolite exchange, and chemical defense, reinforcing their intimate relationship with the host. Future research should integrate cultivation-based and genomic approaches to further elucidate the ecological and biotechnological potential of sponge-associated microbiomes.

Οι θαλάσσιοι σπόγγοι (φύλο Porifera) είναι οι αρχαιότεροι ζώντες μεταζωικοί οργανισμοί και διαδραματίζουν κρίσιμο οικολογικό ρόλο στα βενθικά οικοσυστήματα λόγω της υψηλής ικανότητάς τους στη διήθηση νερού. Επιπλέον, φιλοξενούν πυκνές και ποικιλόμορφες μικροβιακές κοινότητες που ανήκουν και στους τρεις τομείς της ζωής, σχηματίζοντας πολύπλοκα holobionts. Ωστόσο, η πλειονότητα των σπόγγων-συμβιωτών παραμένει ακαλλιέργητη, περιορίζοντας την κατανόηση των λειτουργικών τους ρόλων. Η παρούσα διατριβή διερευνά τη σχέση μεταξύ σπόγγων και βακτηρίων μέσω της ενσωμάτωσης καλλιεργητικών και μη καλλιεργητικών μεθόδων. Η μελέτη αναδεικνύει τη μεταβολική ευελιξία των Flavobacteriaceae που σχετίζονται με τους σπόγγους, τα οποία εμφανίζουν γονιδιωμακή ικανότητα για κινητικότητα ολίσθησης, αποδόμηση υδατανθράκων και παραγωγή δευτερογενών μεταβολιτών, αν και τα φαινοτυπικά πειράματα υπέδειξαν σιωπηρή γονιδιακή έκφραση υπό in vitro συνθήκες. Επιπλέον, η ανάλυση γονιδιωμάτων και η βιοδραστική δοκιμή βακτηρίων προερχόμενων από σπόγγους (Proteobacteria και Actinobacteria) αποκάλυψαν την παρουσία αντιμικροβιακών και κυτταροτοξικών ενώσεων, συνδέοντας βιοσυνθετικά γονιδιακά συμπλέγματα με τις παρατηρούμενες βιοδραστικότητες. Εστιάζοντας σε σπόγγους-συμβιώτες που δεν έχουν καλλιεργηθεί στο εργαστήριο, η έρευνα περιγράφει ένα νέο υποψήφιο γένος, το Candidatus Thalassonella, εντός του φύλου Tectomicrobia, το οποίο μοιράζεται μεταβολικά χαρακτηριστικά με το Ca. Entotheonella, έναν γνωστό «υπερπαραγωγό» βιοδραστικών μεταβολιτών. Επιπλέον, η μελέτη αποσαφηνίζει τη φυλογένεση και τις μεταβολικές δυνατότητες των σπόγγων-συμβιωτών Ca. Dadabacteria (‘Desulfobacterota__D’), αποκαλύπτοντας μία ειδική για σπόγγους τάξη (Ca. Nemesobacterales) εμπλουτισμένη σε γονίδια που σχετίζονται με την προσαρμογή στον ξενιστή και τον δευτερογενή μεταβολισμό. Με τη χρήση φθορίζουσας in situ υβριδοποίησης, τα Ca. Nemesobacterales οπτικοποιήθηκαν εντός των βακτηριοκυττάρων των σπόγγων Geodia barretti, υποστηρίζοντας τον συμβιωτικό τους τρόπο ζωής. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ των γνώσεων που προκύπτουν από τις ομικές επιστήμες και της λειτουργικής κατανόησης των αλληλεπιδράσεων σπόγγων-μικροβίων. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι συμβιωτικοί μικροοργανισμοί των σπόγγων συμβάλλουν στην ετεροτροφία, την ανταλλαγή μεταβολιτών και την χημική άμυνα, ενισχύοντας τη στενή σχέση τους με τον ξενιστή. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να ενσωματώσει τόσο καλλιεργησιακές όσο και γονιδιωματικές προσεγγίσεις για την περαιτέρω διερεύνηση του οικολογικού και βιοτεχνολογικού δυναμικού των μικροβιωμάτων των σπόγγων.