New tools for determining bioactivities and properties of hydrolysable tannins and their interactions with other compounds: implications for antimicrobial activities

Abstract

Tannins are a diverse class of polyphenols, found in plants, with thousands of individual structures belonging to three tannin subgroups: hydrolysable tannins (HTs), proanthocyanidins and phlorotannins. Of these, HTs are a particularly interesting group for study, as they include both small monomers and large oligomers and polymers with varying structures, and also, compared to two other tannin subgroups, it has been possible to purify individual compounds. HTs exhibit various bioactivities, including the ability to form complexes with macromolecules and exhibit oxidative activity, among others. However, the relationship between these bioactivities, the structures of the compounds and their antimicrobial activities has not been clarified broadly.

To achieve better understanding of these bioactivities, properties and interactions between different HTs, additional complementary methods for measuring the properties are needed. In addition, the results of existing and utilized methods should be updated to include new HTs that to achieve greater resolution and variation in the tested tannin properties and bioactivities. Therefore, in this work a new method was developed to study the interactions between HTs and nylon. In addition, the study utilized established microplate methods involving polyethylene glycol (PEG) and bovine serum albumin (BSA), liquid-liquid extractions using three solvent combinations, and the Petri dish-based radial diffusion assay. The results of these methods were updated either with the full HT series used in the study or an oligomer series of tellimagrandin I. Structure-bioactivity correlations were established using the results of the above methods, with the antimicrobial activity of HTs measured using bacterial assays, that were newly developed by two other students.

The freshly developed nylon method is fast, sensitive, consumes only milligrams of compound and adds resolution to the activity library. It also enables the study of synergistic interactions between HTs and other compounds using combinatorial mixtures. In addition, the results of established methods were successfully updated with new compounds. For example, these provided a preliminary link between the ability of tannins to form complexes with proteins and their inhibition of the growth of various microbes. These findings will serve as the cornerstone of a large structure-bioactivity fingerprint library to be developed in the future, which can be continuously updated. The fingerprint library has the potential to increase our understanding of the antimicrobial activity of HTs, and who knows if someday tannins may offer the solution to a global, socioeconomic problem: antibiotic resistance.

Tanniinit muodostavat monimuotoisen kasveista löytyvän polyfenoliluokan, johon kuuluu tuhansia yhdisteitä. Ne jaetaan kolmeen alaryhmään: hydrolysoituvat tanniinit (HT), proantosyanidiinit ja florotanniinit. Näistä HT:t ovat erityisen kiinnostava tutkimuskohde, sillä ryhmä kattaa sekä pienikokoisia monomeerejä että suuria oligo- ja polymeerejä. Merkittävä ero muihin alaryhmiin verrattuna on se, että HT:ita voidaan puhdistaa yksittäisinä yhdisteinä, ei pelkästään yhdisteseoksina. HT:t ilmentävät monenlaisia bioaktiivisia sekä fysikaaliskemiallisia ominaisuuksia, kuten kykyä muodostaa komplekseja proteiinien kanssa ja osallistua oksidatiivisiin reaktioihin. Näiden aktiivisuuksien, yhdisteiden rakenteiden ja antimikrobiaktiivisuuden välisiä riippuvuuksia ei kuitenkaan ole vielä kattavasti kartoitettu.

Jotta HT:iden bioaktiivisuuksia, ominaisuuksia ja keskinäisiä vuorovaikutuksia voitaisiin ymmärtää paremmin, tarvitaan uusia, toisiaan täydentäviä menetelmiä näiden ominaisuuksien mittaamiseksi. Lisäksi olemassa olevien menetelmien tuloksia on tärkeää päivittää uusilla yhdisteillä, jotta saavutetaan parempi resoluutio analysoitavien ominaisuuksien antamien tulosten sisällä. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusi menetelmä HT:iden ja nailonin välisten vuorovaikutusten tutkimiseksi. Lisäksi työssä hyödynnettiin polyetyleeniglykolia (PEG) ja naudan seerumin albumiinia (eng. bovine serum albumin, BSA) hyödyntäviä 96-kuoppalevymenetelmiä, neste-nesteuuttoja käyttäen kolmea eri liuotinkombinaatiota ja petrimaljapohjaista säteittäistä diffuusiotestiä (eng. radial diffusion assay, RDA). Näiden menetelmien tuloksia täydennettiin joko koko HT-sarjan tai tellimagrandiini I:n oligomeerisarjan avulla. Tuloksista muodostettiin korrelaatiosuhteita HT:iden antimikrobiaktiivisuuden suhteen, joita mitattiin kahdella eri, kahden muun opiskelijan kehittämällä menetelmällä.

Uusi nailonmenetelmä osoittautui nopeaksi ja herkäksi, ja se vaatii vain muutamia milligrammoja ainetta. Menetelmä lisäsi aktiivisuuskirjaston resoluutiota ja mahdollisti synergisten vuorovaikutusten tutkimisen yhdisteseoksia hyödyntämällä. Uuden menetelmän kehittämisen lisäksi, vakiintuneesti käytössä olevien menetelmien tuloksia päivitettiin onnistuneesti uusilla yhdisteillä. Niiden avulla saatiin luotua esimerkiksi alustava korrelaatio HT-proteiini-kompleksinmuodostumisen ja antimikrobiaktiivisuuden välille. Nämä havainnot muodostavat pohjan tulevaisuudessa kehitettävälle laajalle rakenne-bioaktiivisuussormenjälkikirjastolle, jonka avulla voidaan syventää ymmärrystä HT:iden antimikrobiaktiivisuudesta. Ehkäpä tulevaisuudessa juuri tanniinit tarjoavat ratkaisun maailmanlaajuiseen, vakavaan sosioekonomiseen ongelmaan: antibioottiresistenssiin.