Search for Bioactive Compounds with Antioxidant and Antibacterial Activity in Seaweed Species From the Portuguese Coast

Abstract

The Portuguese coast has an enormous diversity of seaweed species, which offer great potential for the study of bioactive compounds. Of this bioactivity, compounds with antioxi- dant and antibacterial activity are the focus of our work due to their important role in human health. Antioxidant compounds protect against oxidative damage, which can induce cell death, while the antibacterial compounds present in algae can help fight antibiotic-resistant strains. Algae are known to contain molecules that have antibacterial properties. However, these are often left unidentified or only classified in terms of their class.

In this work, seven species of algae were selected (based on their abundance and avail- ability on the Portuguese coast) and collected: Chondrus crispus, Codium adhaerens, Codium tomentosum, Cystoseira tamariscifolia, Fucus spiralis, Porphyra umbilicalis and Ulva intesti- nalisfor screening bioactive compounds, namely those with antioxidant power and antibacte- rial activity. The samples were collected at “Magoito” beach and “Avencas - Parede” beach (Portugal) during low tide.

One of the most important steps in researching bioactive compounds is choosing the most suitable and efficient extraction method(s) for the target compound classes. Therefore, in the first phase, various extraction methods were tested and optimized (e.g. aqueous, meth- anolic, microwave-assisted-extraction (MAE) and Soxhlet). The extracts obtained were then analyzed in a preliminary phase using qualitative phytochemical tests. From this initial screen- ing, a profile was obtained regarding the presence of a series of classes of compounds (e.g. alkaloids, carbohydrates, coumarins, flavonoids, glycosides, phenols, phytosterols, among others). The antioxidant potential of the extracts was then characterized using the FRAP, DPPH and ABTS assays. The results showed variability depending on the type of assay. For instance, in the DPPH assay, a greater antioxidant power was observed in Ulva sp. in extracts obtained through MAE and in C. tamariscifolia in extracts with hexane obtained by Soxhlet. However, in the FRAP assay, C. tamariscifolia showed greater reducing power in methanolic and methanol extracts obtained by Soxhlet extraction, greater than the other species analyzed. Antibacterial activity assays (inhibition zone assay) showed antibacterial activity in ethyl acetate extracts (Soxhlet) in all algae species analyzed. However, in C. tamariscifolia meth- anolic extracts also showed antibacterial activity. Results of the soluble protein content per- formed by Bradford and Lowry assays showed different results, also depending on the extrac- tion procedure. Overall, higher protein content was determined by Lowry method in C. tamariscifolia and P. umbilicalis extracts aqueous and MAE, respectively. Regarding the total phe- nolic content, results show that C. tamariscifolia has the highest content in most of the extrac- tion procedures. Moreover, C. tomentosum showed the highest content in lipids. Based on the previous results three seaweed species ( C. tamariscifolia U. intestinalis, P. umbilicalis), were selected for further GC-MS (FAMES and other compounds) and proteomic analyses. The GC- MS analyses identified 18 FAMES in U. intestinalis, 29 in C. tamariscifolia and 23 in P. umbilicalis. Additionally, Soxhlet extracts allowed to putatively identify several other compounds, some of them related to antioxidant and antibacterial activity but als mmatory or anticancer activity, among others. The proteomic results show that most of the proteins identified in the three selected species are mainly related with translation, biosynthetic and metabolic processes. Proteins related to heat shock stress were found in all seaweed species and proteins related to antioxidant activity were also identified in all seaweed species.

Alternate abstract:

A costa portuguesa apresenta uma enorme diversidade de espécies de algas marinhas, que oferecem um grande potencial para o estudo de compostos bioativos. Desta bioatividade, compostos com atividade antioxidante e antibacteriana são o foco do presente trabalho devido ao seu importante papel na saúde humana. Os compostos antioxidantes protegem contra os danos oxidativos, que podem induzir a morte celular, enquanto os compostos com atividade antibacteriana presentes nas algas podem ajudar a combater estirpes resistentes aos antibióti- cos. Sabe-se que as algas contêm moléculas com propriedades antibacterianas. No entanto, muitas vezes não são identificadas ou são classificadas apenas em termos de sua classe. Neste trabalho foram selecionadas sete espécies de algas (com base na sua abundância e disponibilidade na costa portuguesa) e recolhidas: Chondrus crispus, Codium adhaerens, Co- dium tomentosum, Cystoseira tamariscifolia, Fucus spiralis, Porphyra umbilicalis e Ulva in- testinalis para averiguar a presença de compostos bioativos, nomeadamente aqueles com ati- vidade antioxidante e antibacteriana. As amostras foram recolhidas na praia do “Magoito” e na praia das “Avencas - Parede” (Portugal) durante a maré baixa. Uma das etapas mais importantes na pesquisa de compostos bioativos é escolher o(s) método(s) de extração mais adequado(s) e eficiente(s) para as classes de compostos alvo. Por- tanto, na primeira fase, vários métodos de extração foram testados e otimizados (por exemplo, aquoso, metanólico, assistida por micro-ondas (MAE) e Soxhlet). Os extratos obtidos foram então analisados numa fase preliminar através de testes fitoquímicos qualitativos. A partir desta triagem inicial, foi obtido um perfil quanto à presença de uma série de classes de com- postos (e.g. alcaloides, carboidratos, cumarinas, flavonoides, glicosídeos, fenóis, fito esteróis, entre outros). O potencial antioxidante dos extratos foi então caracterizado por ensaios FRAP, DPPH e ABTS. Os resultados mostraram variabilidade dependendo do tipo de ensaio. Por exemplo, no ensaio com DPPH, foi observado maior poder antioxidante em U. intestinalis em extratos obtidos por MAE e em C. tamariscifolia em extratos com hexano obtidos por Soxhlet. Porém, no ensaio FRAP, C. tamariscifolia apresentou maior poder redutor nos extratos me- tanólicos e metanólicos obtidos por extração Soxhlet, superior às restantes espécies analisadas. Ensaios de atividade antibacteriana (ensaio de zona de inibição) mostraram atividade antibac- teriana em extratos de acetato de etilo (Soxhlet) em todas as espécies de algas analisadas. Po- rém, em C. tamariscifolia os extratos metanólicos também apresentaram atividade antibacte- riana. Os resultados do teor de proteína solúvel realizados pelos ensaios de Bradford e Lowry apresentaram resultados diferentes, dependendo também do procedimento de extração. No geral, o maior teor de proteína foi determinado pelo método Lowry nos extratos aquoso e MAE de C. tamariscifolia e P. umbilicalis, respetivamente. Em relação ao teor de fenólicos totais, os resultados mostram que C. tamariscifolia apresenta o maior teor na maioria dos pro- cedimentos de extração. Além disso, a mesma espécie também apresenta o maior teor de lipí- dios. Com base nos resultados anteriores, três espécies de algas marinhas ( C. tamariscifolia U. intestinalis, P. umbilicalis) foram selecionadas para posterior análise por GC-MS (FAMES e outros compostos) e análise proteómica. As análises de GC-MS identificaram 32 FAMES em U. intestinalis, 23 em C. tamariscifolia e 18 em P. umbilicalis. Adicionalmente, os extratos de Soxhlet permitiram identificar vários compostos, alguns deles relacionados com atividade an- tioxidante e antibacteriana, mas também com atividade anti-inflamatória ou anticancerígena, entre outros. Os resultados de análise proteómica mostram que a maioria das proteínas iden- tificadas nas três espécies selecionadas estão principalmente relacionadas com processos de tradução, biossíntese e metabolismo. Proteínas relacionadas com o stress por choque térmico foram encontradas em todas as espécies de algas marinhas e proteínas associadas com ativi- dade antioxidante foram também encontradas em toda as algas analisadas com. Assim, o presente trabalho contribui com informações relevantes sobre a presença de compostos bioativos em algas da costa portuguesa. Os resultados obtidos permitem selecionar as espécies mais promissoras para a realização de trabalhos futuros em termos de elucidação e purificação de compostos de interesse para a indústria farmacêutica ou alimentar, por exemplo.