Untersuchungen zur Überlebensfähigkeit thermophiler und hyperthermophiler Mikroorganismen nach Trocknung und Strahlenexposition

Autor: Beblo, Kristina
Rok vydání: 2010
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Popis: Ziel der Arbeit war eine umfassende Analyse thermophiler und hyperthermophiler Archaeen und (hyper-)thermophiler, phylogenetisch tief abzweigender Bakterien bezüglich ihrer Toleranz gegenüber Trocknung und Strahlung. Dabei zeigten 12 von 18 getesteten Spezies, als vegetative Zellen eine zum Teil hohe Toleranz gegenüber Trockenheit. Es scheint, dass die Fähigkeit, Trocknung zu überdauern, ubiquitär im Stammbaum des Lebens verbreitet ist. Es handelt sich hierbei um ein spezies-spezifisches Merkmal, da unterschiedliche Toleranzlevel sowohl innerhalb einer Ordnung, als auch innerhalb einer Gattung zu finden sind. Die meisten Zellen sterben durch die anfängliche Trocknung und dies ist durch folgende Parameter beeinflusst: Temperatur, Sauerstoff, pH-Wert und Wachstumssubstrat. Anaerobe Organismen sind in ihren Überlebensraten während der Trocknung durch die Gegenwart von Sauerstoff stark beeinflusst. T. tenax, T. pendens, M. thermoautotrophicus, M. jannaschii und Tv. ruber können nur unter strikt anaeroben Bedingungen Perioden der Trockenheit überdauern. Einen vergleichsweise geringfügigen Einfluss auf die Überlebensrate nach Trocknung hatten die relative Luftfeuchtigkeit und eine Vakuum-Exposition während der Lagerung. Eine große Rolle bei der Trockentoleranz scheinen die kompatiblen Solute bei A. fulgidus zu spielen. Nach Salzstress wird von A. fulgidus nahezu ausschließlich das kompatible Solut Diglycerolphosphat (DGP) mit Kalium als Gegenion in großen Mengen (98 mg/g Trockengewicht) gebildet. Die Bildung von DGP nach Salzstress führte dabei zu einer drastischen Erhöhung der Überlebensrate nach Trocknung unter oxischen und anoxischen Trocknungsbedingungen. Des Weiteren wurde das Überleben nach UV-C Bestrahlung sowohl in nicht-absorbierender Flüssigkeit als auch bei zwei Organismen nach Trocknung untersucht. Alle getesteten Organismen überlebten Fluenzen bis 1000 J/m2 UV-C in Flüssigkeit. Im niedrigeren Fluenzbereich bis 100 J/m2 konnte zum Teil eine typisch geschulterte Fluenz-Effekt-Kurve gezeigt werden. Bei einer Kombination von Strahlung und Trocknung kommt es zu einer Sensibilisierung der Zellen. Die Analyse der DNA-Photoprodukte nach UV-C-Bestrahlung zeigte, dass sich sowohl die Menge an DNA-Protein-Quervernetzungen als auch die Menge der entstehenden DNA-Dimere bei Archaeen und Bakterien nicht unterscheiden. Es sind die beiden typischen Hauptphotoprodukte (Cyclopyrimidindimere; 6-4-Photoprodukte) zu finden. Dabei ist deren prozentuale Verteilung einerseits spezies-spezifisch und andererseits mengenmäßig nur zum Teil fluenzabhängig. Einige der getesteten Mikroorganismen besitzen eine außergewöhnlich hohe Toleranz gegenüber Einwirkung von ionisierender Strahlung. A. pyrophilus und I. hospitalis können Bestrahlungen mit einer Dosis von 20 kGy überleben. Bei einer derartig hohen Bestrahlung liegt das Genom stark fragmentiert vor. Dennoch können diese Organismen ihr Genom reparieren und somit eine derartig hohe Strahlendosis überleben. Zusätzlich konnte ein direkter Zusammenhang zwischen einer erhöhten Strahlentoleranz gegenüber ionisierender Strahlung und einer hohen Überlebensrate nach H2O2-Behandlung nachgewiesen werden. Genomanalysen zeigen, dass alle strahlentoleranten Organismen eine Grundausstattung an Reparaturgenen besitzen; ob es außergewöhnliche Reparatursysteme gibt, die für die Reparatur einer solchen Anzahl von Doppelstrangbrüchen verantwortlich sein könnten ist noch ungeklärt. Insgesamt scheinen (Hyper-)Thermophile zum Teil sehr hohe Toleranzen gegenüber zellschädigender Behandlung zu haben und könnten in Zukunft als neue Modellorganismen bei Weltraumexpositionsexperimenten dienen.
The present study investigated the ability of thermophilic and hyperthermophilic Archaea and (hyper-)thermophilic phylogenetically deep branching Bacteria to tolerate desiccation and radiation treatment. 12 out of 18 tested species showed a high tolerance against desiccation for vegetative cells. The distribution of desiccation tolerance in the phylogenetic tree of life is not specific to a special branch. Surprisingly, there are dramatic differences in the ability to survive desiccation among organisms from the same order and even from closely related strains of the same genus. The survival rate after desiccation decreased mainly in the first period of desiccation procedure and is influenced by several parameters: storage temperature, oxygen, pH value, and growth substrate. Anaerobic microorganisms are affected negatively in their survival after desiccation by the presence of oxygen: for example T. tenax, T. pendens, M. thermoautotrophicus, M. jannaschii and Tv. ruber can only outlast periods of desiccation under completely anoxic conditions. During storage of the desiccated cells relative humidity and vacuum exposure have only a marginal influence on the survival rate. The presence of compatible solutes on the survival rate was tested with A. fulgidus. Due to salt stress A. fulgidus produce high intracellular amounts (98 mg/g dry weight) of Diglycerolphosphate (DGP) with potassium as counter ion. Synthesis and accumulation of DGP in the cells leads to a dramatic increase of the survival rate after desiccation under oxic as well as under anoxic conditions. Furthermore, the survival rates were determined after UV-C irradiation in non absorbing liquid suspension and in addition for two species after a combined desiccation and irradiation treatment. All tested organisms survived fluences up to 1000 J/m2 UV-C in liquid suspension. Irradiation with fluences up to 100 J/m2 in liquid suspension led partly to a typically shouldered fluence effect curve. The cells became more sensitive when exposed to a combined desiccation and irradiation treatment. The distribution of the analyzed DNA dimer photoproducts showed no differences between Bacteria and Archaea. In both cases two main photoproducts (cyclo-pyrimidine dimers; 6-4-photoproducts) were detectable. The relative distribution of the DNA photoproducts was on the one hand species specific but only to a minor extent dependent on the applied fluence. Some of the tested microorganisms possess an exceptional high tolerance against ionizing radiation treatment. A. pyrophilus and I. hospitalis can survive doses up to 20 kGy. Such high doses lead to heavy fragmentation of the genome. Nevertheless, the organisms can repair their genome and survive the irradiation with high doses of ionizing radiation. In addition, a direct correlation between a high tolerance against ionizing radiation and high survival rates after H2O2 treatment could be shown. Genome analyses revealed that in all radiation tolerant organisms a basal set of repair genes are present. There are no differences on the genomic level between radiation tolerant and radiation sensitive organisms. However, further investigations are necessary whether the highly radiation tolerant organisms have an especial mechanism to repair the huge amount of DNA double strand breaks in comparison the radiation sensitive species. In summary (hyper-)thermophiles have so far unknown high tolerances against cell damaging treatments and could serve as model organisms for future space exposure experiments.
Databáze: OpenAIRE
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