| License: Publishing license for publications excluding print on demand (6MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-356753
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.35675
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 15 January 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Christine Moissl-Eichinger |
| Date of exam: | 4 April 2017 |
| Institutions: | UNSPECIFIED |
| Keywords: | Mars-analogues, microbial ecology, Archaea, Candidatus Altiarchaeum hamiconexum, hami, extreme environments, the ISS microbiome, MASE |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 35675 |
Abstract (German)
Extreme Biotope sind durch eine Vielzahl von physischen und chemischen Stressvariablen gekennzeichnet und bieten eine hervorragende Möglichkeit die Grenzen des Lebens zu verstehen – auch außerhalb der Erde z.B. auf der International Raumstation (ISS) oder auf dem Mars. Einige terrestrische, extreme Lebensräume ähneln stark ausgewählten Bedingungen auf dem Mars und lassen daher Rückschlüsse auf ...
Abstract (German)
Extreme Biotope sind durch eine Vielzahl von physischen und chemischen Stressvariablen gekennzeichnet und bieten eine hervorragende Möglichkeit die Grenzen des Lebens zu verstehen – auch außerhalb der Erde z.B. auf der International Raumstation (ISS) oder auf dem Mars. Einige terrestrische, extreme Lebensräume ähneln stark ausgewählten Bedingungen auf dem Mars und lassen daher Rückschlüsse auf dessen potenzieller Bewohnbarkeit zu. Ein wesentlicher Faktor ist der Mangel an Sauerstoff auf dem Mars. Allerdings erweisen sich die Probennahme und mikrobielle Kultivierung aus sauerstoffarmen Umgebungen als sehr herausfordernd und werden nicht sehr oft praktiziert. Es benötigt besonders die Betrachtung solcher sauerstoffarmen Umgebungen und deren assoziierten Mikroorganismen, um einschätzen zu können, ob extraterrestrisches ausgestorbenes und/oder noch bestehendes Leben auf dem Mars existieren könnte. Bemannte Langzeitzeitmissionen zum Mars bedürfen zudem sowohl Wissen über die mikrobielle Diversität in Raumfahrtzeugen als auch über deren Anpassungsfähigkeit und Stress-Toleranzen. Nur dadurch kann ein sicheres Arbeitsklima sichergestellt werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine tiefreichende Untersuchung extremer Biotope mit Hilfe von Kultivierungsmethoden und molekularen Methoden und eine detaillierte Analyse einiger ausgewählter mikrobiellen Bewohner.
Eines dieser extremen Biotope umfasst das kontrollierte Innenleben ISS. Frühere Studien detektierten bereits eine hohe Abundanz an Mensch-assoziierte Bakterien, allerdings blieb der Nachweis von Archaeen erfolglos. Archaeen sind allgegenwärtig auf der Erde und werden zahlreich in Reinräumen detektiert, in welchen die Raumschiff Hardware assembliert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 8-12 Jahre alte Staubproben auf deren mikrobielle Diversität untersucht. Molekulare Analysen bestätigten ein mit dem Mensch assoziiertes Bakteriom. Zudem konnten zum ersten Mal auch archaelle Signaturen nachgewiesen werden. Kultivierte, bakterielle Einzelisolate ermöglichten es, Stress-resistente Experimente durchzuführen. Neben der Austrocknungsresistenz, zeigte eine Vielzahl von Isolaten eine hohe Resistenz gegen zahlreiche Antibiotika. Diese Ergebnisse erweitern unser Wissen über die archaelle und bakterielle Diversität und deren Adaptionen im Weltraum.
Terrestrische, Mars-ähnliche Systeme ermöglichen es, Modellorganismen zu finden, welche potenziell auf dem Mars gelebt haben und/oder immer noch dort leben könnten. Zahlreiche Studien beschäftigten sich mit deren Untersuchung, allerdings fehlte bisher ein profundes Wissen über sauerstoffarme Systeme. Im Rahmen des MASE Projektes (Mars Analogues for Space Exploration) wurden gezielt sauerstoffarme Biotope auf deren mikrobielle Diversität untersucht. Einige dieser Biotope zeigen eine hohe Ähnlichkeit zu Marsbedingungen in der Vergangenheit (vor ca. ~4 Milliarden Jahren), während ein Biotop den Bedingungen auf dem heutigem Mars reflektiert. Auch hier konnten mit Hilfe eines umfassenden Kultivierungsansatzes zahlreiche Anaerobier erhalten werden, die als astrobiologische Modelle dienen. Molekulare Methoden prognostizierten eine außerordentliche Adaptionsfähigkeit und hohe Diversität in den untersuchten Lebensräumen. Alle untersuchten, dem frühem Mars entsprechenden Lebensräume, so unterschiedlich sie auch sind, zeigten einen gemeinsamen taxonomischen Kern, welcher sich teilweise in dem heutigem Mars-ähnlichem Setting wieder spiegelte. Ähnliche Lebensformen könnten die extremen klimatischen Änderungen im Laufe der Jahrmillionen Jahre überdauert haben und sowohl als Fossilien wie auch als lebende Organismen zu finden sein.
Ein unterirdisches Biotop, welches sich unter den MASE-Biotopen befand, beherbergt ein schon länger bekanntes, außergewöhnliches Archaeum, das SM1 Euryarchaeon (jetzt: „Candidatus Altiarchaeum hamiconexum“). Biofilme dieses Archaeums werden an die Oberfläche der Nährstoffarmen Quellen gespült und ihr Lebensstil und ihre Ultrastruktur wurden ausgiebig untersucht. Candidatus Altiarchaeum hamiconexum weist eine Doppelmembran auf - ein sehr untypischer Zellmembranaufbau in der Domäne der Archaeen. Zudem besitzt es hoch-organisierte, einzigartige Zellanhängsel („hami“), welche höchstwahrscheinlich ähnlich zu bakteriellen Typ 4 Pili assembliert und verankert werden. Der N-terminale Teil der Proteinsequenz zeigte überraschenderweise hohe Ähnlichkeit zu S-layer Proteinen (geordnete Proteinstrukturen, die sich zu einer Außenhülle an die Membran anlagern), wodurch eine divergente Evolution der beiden Strukturproteine spekuliert wird. Die gesamte Hami-kodierende Gensequenz wurde entschlüsselt und diente als Vorlage in heterologen Expressionsversuchen. Die außergewöhnliche Struktur erweist sich als vielversprechend in der Bionanotechnologie und die Resultate dieser Arbeit setzen die wesentlichen Fundamente für weitere Experimente.
Diese Arbeit bietet verblüffende Einblicke in die Welt außergewöhnlicher Mikroorganismen. Die vorgestellten Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis der Diversität und Biologie von Mikroorganismen aus extremen Lebensräumen.
Translation of the abstract (English)
Extreme environments are characterised by the presence of various physical and chemical stressors and offer the opportunity to understand the terrestrial and extraterrestrial borders of life (e.g. onboard the International Space Station and on Mars). Some terrestrial extreme environments resemble Mars-like conditions and enable us to monitor potential Martian habitability. A key factor here is ...
Translation of the abstract (English)
Extreme environments are characterised by the presence of various physical and chemical stressors and offer the opportunity to understand the terrestrial and extraterrestrial borders of life (e.g. onboard the International Space Station and on Mars). Some terrestrial extreme environments resemble Mars-like conditions and enable us to monitor potential Martian habitability. A key factor here is the limitation of oxygen on Mars. Anoxic environments are the most defiant samples in sample collection and cultivation and thus vastly unexplored. However, the assessment of anaerobic microorganisms enables researcher to draw conclusions on possible extinct and extant extraterrestrial life. Also, the logistics of travel to Mars has to be considered. Long lasting, manned space missions to Mars require more knowledge on the diversity and behaviour of microorganisms in space-environments to maintain a secure working place. This thesis encompasses the assessment of the microbial diversity in space-relevant, extreme environments and analysis of members thereof by combining cultivation-based and cultivation-independent methods.
One extreme environment is represented by the confined indoor environment of the International Space Station (ISS). While the presence of numerous human-associated bacteria onboard the ISS was already reported, the occurrence of Archaea remained unclear. Archaea are omnipresent on Earth and were frequently detected in cleanrooms, where the spacecraft hardware is assembled. The molecular investigation of long-term stored dust samples of the ISS confirmed the presence of human-associated microbiota and uncovered also archaeal signatures, which were detected for the first time in an extraterrestrial environment. Moreover, obtained bacterial cultures and subsequent stress-tests uncovered an exceptional resistance against desiccation and antibiotics. These findings strongly enlighten insights into the extraterrestrial microbiome and the archaeome and have to be considered for future space missions.
Terrestrial Mars analogues are in the scope of interest, because they offer the opportunity to study microbial model organisms and model communities, which might be able to withstand Mars-analogue conditions. Several Mars-analogue settings have been investigated before; however, a substantial lack of knowledge is given on oxygen-depleted settings. Several extreme, anoxic settings, which resemble abiotic Early and Present Martian conditions, were investigated in the frame of the MASE project (Mars Analogues for Space Exploration). Extensive cultivation efforts delivered numerous valuable, novel anaerobic model organisms, which were unconsidered for astrobiology so far. Findings of cultivation-independent methods uncovered an overall environment-specific diversity including highly adapted microorganisms. Deeper analysis revealed a cosmopolitan group of bacterial signatures present in all Early Mars-analogue settings. A small fraction of these signatures were also present in the Present Mars-analogue environment. These results emphasise a high microbial diversity in anoxic, extreme environments including versatile core genera with significant implications for astrobiology.
Subsurface environments, such as the MASE sulphidic springs, were already known to harbour an exceptional archaeon. In the nutrient-poor aquifers, uncultivated SM1 euryarchaeal biofilm (now: “Candidatus Altiarchaeum hamiconnexum”) flocks are washed up and have been investigated thoroughly upon their phylogeny and life-style throughout the last decade. The work carried out along in this thesis helped to decipher novel findings on the ultrastructure. Candidatus Altiarchaeum hamiconnexum possesses an Archaea-atypical double membrane and cell surface appendages (“hami”), which are anchored and assembled (most likely) similarly to bacterial type 4 pili. The hami are formed by one major protein species, namely hamin protein, which showed high N-terminal similarity to S-layers. These findings propose the divergent evolution of a highly-ordered proteinaceous sheath into exceptionally organized filaments. The full-length hamin-encoding gene was identified and served as foundation for heterologous expression attempts. The hami filaments pose exceptional tools in nanobiotechnology.
In summary, the findings presented in this thesis remarkably contribute to understand life in extreme extraterrestrial and terrestrial settings with high impacts in astrobiology and industry.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 21:16
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