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Molecular mechanisms of Deinococcus radiodurans survivability in outer space
Emanuel Ott
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*innen
Wolfram Weckwerth ,
Tetyana Milojevic
DOI
10.25365/thesis.70695
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16860.45003.933268-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Für die meisten Lebewesen stellen Umwelteinflüsse wie Vakuum (10-4 Pa), starke UV- und ionisierende Strahlung in Kombination mit Temperaturschwankungen zwischen -100 °C und +100 °C eine lebensfeindliche Umgebung dar. Solche Bedingungen gibt es an der Außenseite der Internationale Raumstation (ISS) in der niedrigen Erdumlaufbahn. Manche Mikroorganismen sind allerdings imstande diesen extremen Einflüssen zu trotzen. Das polyextremophile Bakterium Deinococcus radiodurans wurde für ein bis drei Jahre an dem japanischen Modul Kibō der niedrigen Erdumlaufbahn ausgesetzt. Eine anschließende Analyse der Zellen auf molekularer Ebene sollte helfen zu verstehen, wie Organismen eine lange Zeit unter Weltallbedinungen überstehen können. Dafür wurden neben zellbiologischen Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) auch Analysen des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms durchgeführt. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zeigten, dass D. radiodurans für einen längeren Zeitraum außerhalb der ISS überleben kann und sich nach einer kurzen Anpassungsphase von wenigen Stunden in komplexem Medium wieder vermehrt. Daher besteht zumindest die Möglichkeit interplanetarer Reisen bestimmter Organismen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse können für zukünftige lange Weltraummissionen, sowie für Fragestellungen bezüglich dem Planetaren Schutz von Interesse sein. Da es sich bei den durchgeführten Experimenten um Stressreaktionen handelt, sind die Ergebnisse außerdem interessant für alle Bereiche, welche sich mit extremer Umgebungsbedingungen wie Vakuum, Strahlung und Temperaturzyklen befassen.
Die vorliegende Arbeit umfasst verschiedene Stressreaktionsexperimente an D. radiodurans. Neben dem Experiment in der niedrigen Erdumlaufbahn wurde D. radiodurans verschiedenen Einflüssen im Labor ausgesetzt, welche jene der niedrigen Erdumlaufbahn simulierten. Darunter befanden sich Vakuum, Vakuum mit UVC-Strahlung sowie eine Kombination aus Vakuum, UVC-Strahlung und Temperaturzyklen. Zusätzlich wurde die Auswirkungen von D. radiodurans auf Wachstum unter simulierter Mikrogravitation untersucht.
Um genügend Probenmaterial aus einer begrenzten Menge von D. radiodurans zu erhalten, wurde ein integratives Extraktionsprotokoll erstellt. Aus jedem Replikat wurden simultan mRNA, extra- und intrazelluläre Proteine und polare Metaboliten extrahiert. Die mRNA wurde auf einem Illumina HiSeq, Proteine in einem Shotgun-Proteomics-Ansatz auf einer LC-Orbitrap und polare Metaboliten auf einem GC-TOF gemessen. Bei allen Ansätzen handelte es sich um quantitative Messungen.
Kein Stressreaktionsexperiment mit D. radiodurans verursachte sichtbare Schäden an der Zellwand. Es reduzierte sich allerdings die Anzahl der überlebenden Kulturen verglichen mit Kontrollzellen. Außerdem konnten molekulare Veränderungen festgestellt werden. Alle Stressfaktoren mit Ausnahme der Mikrogravitation induzierten die Expression von Genen, die mit DNA-Reparatur in Zusammenhang stehen. Ist D. radiodurans den Bedingungen der niedrigen Erdumlaufbahn ausgesetzt, so entstehen Schäden an Nukleinsäuren, welche insbesondere durch den UvrABC-Exzisionsreparaturmechanismus repariert werden. Auch Proteine, welche oxidativem Stress entgegenwirken, wie Katalasen oder Peroxidasen, waren im Anschluss an die Zeit unter Weltallbedingungen häufiger vorhanden. Weiters wurde eine Verminderung des Gesamtgehalts an Aminosäuren und organischen Säuren festgestellt, da sie als Zwischenprodukte bei Reparaturprozessen oder als Kohlenstoff-Energiequelle verwendet werden könnten. Außerdem wurden induzierte Expressionsniveaus regulatorisch wirkender Proteine beobachtet, beispielweise Histidin Kinasen, welche an der Aktivierung von Stressreaktionen beteiligt sein können. Außerdem zeigen statistische Analysen, dass S-Layer-Proteine vermutlich an der Stressreaktion beteiligt sind
Es wurde festgestellt, dass alle durchgeführten Stressreaktionsexperimente multiple Veränderungen auf verschiedenen molekularen Ebenen verursachen. Die Kombination mehrerer experimenteller und bioinformatischer Ansätze, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, bieten neue Einblicke in komplexe Stressreaktionsmechanismen, welche durch einen längeren Aufenthalt unter Weltraumbedingungen induziert werden.
Abstract
(Englisch)
Most living entities are not able to survive under vacuum (10-4 Pa), extensive UV and ionizing radiation, combined with temperature variations between -100 °C and +100 °C. These conditions are present at the low Earth orbit (LEO), the location of the International Space Station (ISS). However, some microorganisms manage to withstand such harsh environmental conditions for years. One example is the polyextremophile bacterium Deinococcus radiodurans, which was sent to the ISS for exposure between one and three years on the Japanese Exposure Module Kibō. Molecular analysis of the cells after exposure may help understanding how organisms can survive long term exposure to space conditions. Analysing tools include survival assays, cellular characterization by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and interpretation of molecular adaptions via transcriptomic, proteomic and metabolomic approaches. Results of the conducted experiments showed that D. radiodurans indeed can survive long-term exposure outside the ISS and after a short lag phase of few hours in complex medium, it proliferates again. This indicates that an interplanetary travel of certain organisms might be possible. Results presented in this dissertation can be interesting for future space exploration and planetary protection, however, as it similarly important for areas involving stress response from extreme environmental conditions, such as vacuum, radiation and temperature cycles.
The present work comprises different stress response experiments on D. radiodurans. Apart from LEO exposure, several other experiments were conducted with simulated LEO conditions. D. radiodurans was exposed solely to vacuum, to vacuum and UVC radiation, and a combination of vacuum, UVC radiation and temperature cycles, mirroring conditions present outside the ISS. In addition, the response of D. radiodurans to growth under simulated microgravity conditions was studied.
An integrative extraction protocol for limited amounts of D. radiodurans was established to extract mRNA, extra- and intracellular proteins and polar metabolites simultaneously from each replicate. Transcripts were measured on an Illumina HiSeq, proteins in a shotgun proteomics approach on a LC-orbitrap and polar metabolites on a GC-TOF. All applied methods were used for quantitative approaches.
Neither simulated nor real space exposure caused visible damage to the cell wall in D. radiodurans. However, exposure experiments reduced survivability compared to control cells and induced molecular alterations. All applied factors, except microgravity, induced the expression of genes related to DNA repair, especially the UvrABC excision repair mechanism appears as a major component of the repairment of nucleic acid damage after exposure to LEO conditions. Furthermore, proteins to alleviate oxidative stress, for instance catalases, peroxidases or related proteins, were higher abundant after exposure. Generally, the overall level of amino acids and organic acids was lower in D. radiodurans cells, which were exposed to harsh environmental conditions, as they might be used as intermediates in repair processes or as carbon energy source. Moreover, induced expression levels of different regulators were observed, for instance histidine kinases, which may be involved in activation of stress responses. Ultimately, statistical analysis showed that S-layer proteins of D. radiodurans are likely involved in stress response after LEO exposure.
In conclusion, multiple alterations on various molecular levels were observed after LEO or simulated LEO exposure. The combination of several experimental, methodological and bioinformatical strategies presented in this work provide new insights into complex stress response mechanisms, which are triggered through exposure to outer space conditions.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Deinococcus radiodurans stress reactions outer space exposure proteomics metabolomics transcriptomics
Schlagwörter
(Deutsch)
Deinococcus radiodurans Stressreaktionen Weltraumbedingungen Proteomics Metabolomics Transcriptomics
Autor*innen
Emanuel Ott
Haupttitel (Englisch)
Molecular mechanisms of Deinococcus radiodurans survivability in outer space
Paralleltitel (Deutsch)
Molekulare Mechanismen welche Deinococcus radiodurans das Überleben im Weltall ermöglichen
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
122 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Jean-Pierre De Vera ,
Dea Slade
AC Nummer
AC15657667
Utheses ID
55498
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |