| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen mit Print on Demand PDF - Eingereichte Version (13MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-347416
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.34741
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 11 September 2017 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Tag der Prüfung: | 9 September 2016 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Mikrobiologie (Archaeenzentrum) > Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Stichwörter / Keywords: | Ignicoccus, Strahlung, DNA Reparatur, VBNC, LUCA, frühe Erde, Astrobiologie |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Zum Teil |
| Dokumenten-ID: | 34741 |
Zusammenfassung (Englisch)
The environmental conditions on early Earth were harsh and hostile for life compared to environmental conditions revailing on present Earth. The atmosphere during the Archaean Age (3.8-2.5 Ga ago) was essentially anoxic and the lack of an UV-absorbing ozone layer enabled the solar ultraviolet radiation spectrum to penetrate Earth´s surface increasing the overall terrestrial UV stress. In ...
Zusammenfassung (Englisch)
The environmental conditions on early Earth were harsh and hostile for life compared to environmental conditions revailing on present Earth. The atmosphere during the Archaean Age (3.8-2.5 Ga ago) was essentially anoxic and the lack of an UV-absorbing ozone layer enabled the solar ultraviolet radiation spectrum to penetrate Earth´s surface
increasing the overall terrestrial UV stress. In addition, elevated radiation levels in terms of ionizing radiation contributed to this rugged terrestrial environment. The Late Heavy Bombardment of the planet took place heaviest until about 3.8 Ga and may have heated up the ocean partially over 100 °C. Nevertheless, life has evolved during the Archaean
under these circumstances inhabiting our planet since about 3.8 Ga. The potential setting under which life has evolved fascinates and still encourages humans to think about it.
Different ideas, hypothesis and opinions about the Last Universal Common Ancestor (LUCA) and essential abilities needed for the propagation of life are still under debate.
The underlying work emphases a hot origin of life and focuses on representatives of the genus Ignicoccus isolated from (deep-sea) hydrothermal vents. All representatives of this genus belong to the crenarchaeal branch and follow a hyperthermophilic, chemolithoautotrophic mode of life, living as obligate anaerobes growing by sulfur reduction. Ignicoccus species are promising candidates for early Earth inhabitants
because they combine several abilities which may have been advantageous to withstand early Earth´s harsh environmental conditions including elevated levels of radiation. Results of this work show that Ignicoccus species tend to survive high doses of ionizing radiation. This observation was the starting point to investigate the resistance of all four representatives of this genus with respect to different radiation types, ionizing radiation (Xrays, γ-rays) and non-ionizing radiation (UV-C). All tested species demonstrated similar inactivation tendencies after non-ionizing radiation exposure resulting in a F10-value of ~300 J/m2. Additionally, I. hospitalis and “I. morulus” showed a high tolerance to ionizing radiation exposure with a D10-value of ~5 kGy. Besides this impressive radiation tolerance, it was possible to demonstrate for the first time, that a so called VBNC (viable but nonculturable) state may also exist for Archaea after ionizing radiation exposure. Viable and culturable cells were microscopically observed after exposure to 60Co radiation doses of <19 kGy, passing a transition state, and reaching the VBNC state after doses of >27.2 kGy. This observed VBNC state was ascribed to the ongoing metabolic activity, thus H2S production could be monitored. Additional experiments showed that the ionizing radiation tolerance of I. hospitalis seemed to be unaffected by pre-cultivation temperature and the temperature during radiation exposure. However, the tolerance of I. hospitalis to ionizing radiation accompanied by active repair of radiation induced DNA damages was investigated in more detail. It was shown that the PCR-based randomly amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis method was a powerful tool to visualize radiation induced DNA damages thus inferring genomic DNA integrity. This method allowed monitoring the DNA repair over time. It was demonstrated that the overall genome integrity was highly affected by both types of radiation and that RAPD analysis represents an attractive alternative for the commonly used and time consuming pulse-field gel electrophoresis (PFGE). I. hospitalis showed fast DNA repair after ionizing radiation exposure; the repair seemed to be completed within one hour. Due to the fact that I. hospitalis was able to withstand these high radiation doses, it was of great interest to investigate whether classical genes involved in DNA repair (e.g. rad2, rad50, recB and radA) were up- or down-regulated upon irradiation. Gene specific primers were designed for qRT-PCR studies and tested under varying experimental conditions. An upregulation of gene expression was detected for the genes mentioned above after 1500 Gy with I. hospitalis cells, when exposed in their early exponential phase. These promising results gave the first indication in regards to its radiation resistance capabilities and further investigation in terms of transcriptomics is definitely warranted. It is very likely that additional mechanisms may support this unusual high radiotolerance. Post-translational modifications for example would point to a completely new way of thinking in terms of the radiation tolerance of I. hospitalis and would allow the regulation of potentially high levels of repair proteins present due to its hot lifestyle. The surprisingly high radiotolerance may also be supported by a potential polyploidy, an increased genome copy number resulting in an enhanced resistance against DNA-damaging conditions. Nevertheless, I. hospitalis has not yet been observed in terms of post-translational modifications or polyploidy; these are promising experiments for follow-up studies. All underlying results obtained with these studies add new pieces to the puzzle how life on Earth may have evolved and the successful propagation under harsh and life hostile conditions.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Umweltbedingungen der frühen Erde, vor 3,8-2,5 Milliarden Jahren, waren im Vergleich zu den heutigen Umweltbedingungen hart und lebensfeindlich. Die Atmosphäre während des Archaikums war nahezu sauerstofflos und die UV-absorbierende Ozonschicht fehlte. Das solare ultraviolette Strahlenspektrum konnte ungehindert in die Erdoberfläche eindringen. Dieses hohe Strahlungsniveau wurde begleitet von ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Umweltbedingungen der frühen Erde, vor 3,8-2,5 Milliarden Jahren, waren im Vergleich zu den heutigen Umweltbedingungen hart und lebensfeindlich. Die Atmosphäre während des Archaikums war nahezu sauerstofflos und die UV-absorbierende Ozonschicht fehlte. Das solare ultraviolette Strahlenspektrum konnte ungehindert in die Erdoberfläche eindringen. Dieses hohe Strahlungsniveau wurde begleitet von einem ebenfalls erhöhten Anteil an ionisierender Strahlung, welche zu diesen schwierigen Umweltbedingungen maßgeblich beitrugen. Zudem führte das große Bombardement, das vor ca. 3,8 Milliarden Jahren sein Maximum erreichte, dazu, dass der Ozean durch die Meteoriteneinschläge teilweise auf über 100 °C erhitzt wurde. Dennoch hat sich das Leben unter den oben genannten Bedingungen während dieses Erdzeitalters entwickelt und besiedelt bis heute erfolgreich unseren Planeten. Diese Tatsache fasziniert Menschen noch immer und ermutigt sie, über die möglichen Umstände nachzudenken, unter denen sich das Leben entwickelt hat. Unterschiedliche Ideen, Hypothesen und Meinungen über den letzten gemeinsamen Vorfahren (LUCA) und seiner notwendigen Fähigkeiten, damit sich das Leben verbreiten konnte, werden noch immer kontrovers diskutiert. Die zu Grunde liegende Arbeit stützt sich auf die Theorie eines heißen Ursprungs des Lebens. Die Stellvertreter der Gattung Ignicoccus, die von hydrothermalen Quellen isoliert wurden, werden im Nachfolgenden als mögliche Bewohnr der frühen Erde betrachtet. Alle Vertreter dieser Gattung gehören der crenarchaellen Abzweigung des phyolgenetischen Stammbaums an. Sie folgen als obligate Anaerobier einer hyperthermophilen, chemolithoautotrophen Lebensweise und gewinnen ihre Energie mit Hilfe der Schwefelreduktion. Diese Mikroorganismen vereinen mehrere Fähigkeiten, die vorteilhaft waren, um den damals vorherrschenden Umweltbedingungen, insbesondere der erhöhten Strahlungsintensitäten, zu trotzen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Ignicoccus Spezies hohe Dosen ionisierender Strahlung überleben können. Diese Beobachtung war ausschlaggebend für nachfolgende Untersuchungen mit allen bisher bekannten Vertretern dieser Gattung in Bezug auf ihre Toleranz gegenüber unterschiedlicher Strahlungsarten. Alle untersuchten Spezies zeigten vergleichbare Inaktivierungstendenzen gegenüber nicht ionisierender Strahlung resultierend in F10-Werten von ~300 J/m2. Zudem zeigten I. hospitalis and “I. morulus“ eine hohe Strahlungstoleranz gegenüber ionisierender Strahlung resultierend in D10-Werten von ~5 kGy. Neben dieser beeindruckenden Strahlentoleranz war es zudem möglich zu zeigen, dass ein sogenannter VBNC Statuts (viable but nonculturable) nach Exposition gegenüber ionisierender Strahlung auch für Archaeen zu existieren scheint. Lebensfähige und damit kultivierbare Zellen konnten nach 60Co Exposition mit Dosen <19 kGy beobachtet werden. Dem als Übergangszustand definierten Bereich folgte der VBNC Status nach Exposition mit Dosen >27,2 kGy. In
diesem VBNC Status konnte eine fortlaufende metabolische Aktivität in Form von H2S Produktion verfolgt werden. Zusätzliche Experimente konnten zeigen, dass die Toleranz
von I. hospitalis gegenüber ionisierender Strahlung unbeeinträchtigt von der Temperatur während der Anzucht und der Temperatur während des Experiments war. Die Toleranz von I. hospitalis gegenüber ionisierender Strahlung einhergehend mit aktiver Reparatur von strahleninduzierten DNS-Schäden wurde im Detail untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die PCR-basierte RAPD (randomly amplified polymoprhic DNA)-Methode sehr gut geeignet ist, um strahleninduzierte DNS-Schäden zu veranschaulichen und erlaubt den Verlauf der Reparatur zu verfolgen. Somit stellt diese Methode eine attraktive Alternative zu der häufig verwendeten und zeitintensiven Puls-Feld-Gelelektrophorese (PFGE) dar. Es wurde demonstriert, dass die gesamte Integrität des Genoms stark durch beide Arten von Strahlung negativ beeinflusst wurde. I. hospitalis zeigte indes eine schnelle DNS-Reparatur nach ionisierender Strahlung. Basierend auf vorliegenden Experimenten wurde demonstriert, dass diese Reparatur binnen einer Stunde vollzogen war. Da gezeigt werden konnte, dass I. hospitalis fähig ist, hohe Dosen ionisierender Strahlung zu überleben, war es von besonderem Interesse, die Regulierung von klassischen Reparaturgenen wie bspw. rad2, rad50, recB und radA nach Bestrahlung zu betrachten. Gen spezifische Primer wurden für diesen Zweck entworfen, um qRT-PCR Studien durchführen zu können und die Expression dieser Gene unter variierenden experimentellen Bedingungen zu untersuchen. Eine leichte Hochregulierung wurde nach Exposition mit 1500 Gy in I. hospitalis Zellen gesehen, die sich in ihrer frühen
exponentiellen Phase befanden. Diese vielversprechenden Ergebnisse geben einen ersten Eindruck auf die Strahlentoleranz von I. hospitalis und der Expression von
Reparaturgenen. Sie ermutigen dazu, weitere Untersuchungen in Bezug auf das Transkriptom durchzuführen. Es ist anzunehmen, dass zusätzliche Mechanismen diese
Strahlentoleranz unterstützen. Posttranslationale Modifizierungen würden auf eine komplett neue Denkweise in Bezug auf die Strahlungstoleranz von I. hospitalis hinweisen. Diese Modifizierungen würden eine Regulation von Reparaturgenen, die potenziell bereits in hohem Maße aufgrund der heißen Lebensweise vorliegen, erlauben.
Diese überraschend hohe Strahlentoleranz dürfte auch eine mögliche Polyploidie unterstützen, da eine erhöhte Genomkopienzahl bei einer erhöhten Toleranz gegenüber
DNS zerstörenden Bedingungen von Vorteil sein könnte. Nichtsdestotrotz, bis jetzt wurden weder eine mögliche Polyploidie noch posttranslationale Modifizierungen
untersucht. Diese Untersuchungen wären äußerst interessant für Folgestudien. Alle zu Grunde liegenden Ergebnisse fügen dem Gesamtbild, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte, neue Puzzleteile hinzu. Dies führt zu potenziellen Antworten auf die Frage warum eine erfolgreiche Verbreitung unter den vorherrschenden harten und lebensfeindlichen Bedingungen auf der frühen Erde möglich war.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 21:59
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