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Unique metal-microbe interactions of the extreme thermoacidophile Metallosphaera sedula and the extreme radioresistant Deinococcus radiodurans
Denise Kölbl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Genetik und Entwicklungsbiologie
Betreuer*in
Annette Rompel
Mitbetreuer*in
Tetyana Milojevic
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.70111
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16407.36910.171570-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Das Metalle mobilisierende Archaeon Metallosphaera sedula wächst und vermehrt sich unter extremen Bedingungen (73°C, pH 2) während es dabei u.a. metallhaltige Substrate wie Mineralien transformiert. Eine erstaunliche physiologische Vielseitigkeit erlaubt es diesem Mikroorganismus auf unterschiedlichsten terrestrischen oder extraterrestrischen Materialien chemolithotroph zu leben und sich zu vermehren. Die wissenschaftlichen Gegenstände der folgenden Arbeit befassten sich mit der Untersuchung der Fähigkeit des Wachstums von M. sedula auf synthetischem Mars Regolith, sowie der Gewinnung von Metallen aus diesen. Weiters wurden Aspekte von ultrastrukturellen und spektroskopischen Fingerabdrücken nach der Kultivierung mit M. sedula auf synthetischem Mars Regolith und dem gewöhnlichen chondrititschen Meteoriten NWA 1172 untersucht. M. sedula Zellen waren in der Lage erfolgreich die synthetischen Mars Regolith Mineralien zu besiedeln und gleichzeitig wertvolle Metalle daraus löslich zu machen („Bioleaching“). Rasterelektronenmikroskopische und spektroskopische Untersuchungen zeigten uns eine deutliche Veränderung der soliden mineralischen Oberfläche nach der Kultivierung. Zusätzlich wurde eine Technik entwickelt um Ultradünnschnitte von auf extraterrestrischem Material kultivierte Mikroben zu erhalten welche in Zukunft zur tiefergehenden Aufklärung vom Zusammenspiel zwischen Mineralien und Mikroorganismen dienen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern uns weitere Anhaltspunkte für die zukünftige Detektion von Biosignaturen und Fingerabdrücken, die von Mikroben auf extraterrestrischem Material hinterlassen wurden. Ebenfalls könnte die Fähigkeit unlösliche Metalle aus Mineralien zu extrahieren in Zukunft auch auf anderen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem angewandt werden. Deinococcus radiodurans ist ein polyextremophiles Gram-positives Bakterium welches gegen immense ionisierende Strahlungsdosen, Austrocknung, sowie andere oxidierende Agentien resistent ist. Diese Eigenschaften machen D. radiodurans zu einem hervorragenden Kandidaten um tiefere Erkenntnisse über dessen Abwehr- und Schutzmechanismen während des interplanetaren Transfers zu gewinnen (Panspermie). D. radiodurans stellt einen vielversprechenden Modellorganismus zur Erforschung der Hypothese der Panspermie dar, welche besagt, dass sich Mikroorganismen über große Distanzen durch das Weltall bewegen. Bevor Mikroorganismen den realen Bedingungen des Weltalls am Japanischen Modul der Internationalen Weltraumstation (ISS) im Rahmen der Tanpopo Mission ausgesetzt werden, müssen Simulationsexperimente (z.B., UVC und Vakuum Exposition) durchgeführt werden. Ein Blick mittels Rasterelektronenmikroskop auf Weltraum-exponierte Deinococci zeigt eine unveränderte Morphologie der mehrschichtig gelagerten Zellen, sowie den Erhalt von zellulärer Integrität trotz simulierten Weltraumbedingungen. Zusammen mit einer integrativen Proteomics und Metabolomics Methode verweisen unsere Resultate auf eine komplexe und vielschichtige Stressantwort, welche eine große Menge Energie benötigt um die Zellen in einem morphologisch unveränderten Zustand zu erhalten, auch unter Weltraumbedingungen.
Abstract
(Englisch)
The metal-mobilizing archaeon Metallosphaera sedula thrives under the extreme conditions (73°C, pH 2) while transforming its metal bearing substrates, e.g., minerals. Physiological versatility allows this microorganism to grow in a chemolithotrophic mode where cells propagate supplemented with either terrestrial or extraterrestrial materials. For this work we investigated the growth capacity, metal extraction abilities as well as ultrastructural and spectroscopic fingerprints left upon M. sedulas cultivation on Martian Regolith Simulants (MRSs) and the ordinary chondrite meteorite NWA 1172. M. sedula cells actively colonized both mineral materials while solubilizing metals out of the MRSs into the medium. Scanning electron microscopy revealed surface alterations of the solid MRSs after cultivation along with distinct mineralogical fingerprints uncovered by spectroscopy. Additionally, a technique to produce ultrathin sections of microbes grown on genuine extraterrestrial mineral material was developed to promote our future examinations of mineral-microbial interactions. The obtained results provide a deeper knowledge about the detection of biosignatures and microbial fingerprints on extraterrestrial material and the future implementation of bioleaching on other celestial bodies in our solar system. Deinococcus radiodurans is a polyextremophilic gram-positive bacterium, resistant to high doses of ionizing radiation, desiccation and other oxidizing agents. Due to these characteristics this microorganism is a prime candidate to further investigate its remarkable defense and protection mechanisms during interplanetary transfer. D. radiodurans poses an interesting model organism to investigate the possibility of the panspermia theory which proposes the interplanetary transfer of microbes through space. Before Deinococci cells are exposed to real outer space conditions at the Japanese module on the International Space Station (ISS) in frames of the Tanpopo mission, a variety of simulation experiments (e.g., UVC and vacuum) have been performed. A look on the morphology and cellular integrity of the exposed cells via electron microscopy showed that multi-layers of cells are well protected despite being exposed to space simulating conditions. Along with an integrative proteometabolomic approach, these results present that stress response in D. radiodurans is a multi-layered process and it requires high amounts of energy to preserve cellular integrity and morphology in a simulated outer space environment.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Extremophiles archaea bacteria interplanetary transfer panspermia astrobiology biosignatures fingerprints
Schlagwörter
(Deutsch)
Extremophile Archaeen Bakterien Interplanetarer Transfer Panspermie Astrobiology Biosignaturen Fingerabdrücke
Autor*innen
Denise Kölbl
Haupttitel (Englisch)
Unique metal-microbe interactions of the extreme thermoacidophile Metallosphaera sedula and the extreme radioresistant Deinococcus radiodurans
Paralleltitel (Deutsch)
Einzigartige Metall-Mikroben-Wechselwirkungen des extremen thermoacidophilen Archaeons Metallosphaera sedula und dem extrem strahlenresistenten Bakerium Deinococcus radiodurans
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
74 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Annette Rompel
Klassifikationen
42 Biologie > 42.22 Exobiologie ,
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC15325367
Utheses ID
49917
Studienkennzahl
UA | 066 | 877 | |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1