The resistance of Antarctic black fungus and stability of fungal biomolecules: a support for habitability and biosignature detection beyond Earth
Author(s)
Cassaro, Alessia
Date Issued
July 5, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The search for life outside Earth mainly depends on the concept of habitability of a planetary body and on the definition of signs of extant or extinct life (biomarkers). Since space exploration missions are expensive and require long-term organization, the preliminary study of terrestrial environments and their inhabiting microorganisms, is an essential step to support extraterrestrial in situ operations. Terrestrial extreme environments are considered as analogues of extraterrestrial planetary surfaces and could be helpful in understanding the limits of life, habitability and the adaptation mechanisms of life in hostile environments. One of the best terrestrial analogues is the Antarctic continent, described as the most inhospitable and isolated continent on Earth, whose conditions lie on the edge of habitability. In particular, the McMurdo Dry Valleys are one of the larger ice-free areas of the continent, characterized by a cold and dry climate (Onofri et al., 2007; Øvstedal and Lewis Smith, 2001), low water availability, minimum annual precipitations, strong katabatic winds, salt concentration, desiccation, and high incident solar and ultraviolet (UV) radiation. Here, the cryptoendolitic black fungus CryomycesantarcticusCCFEE 515 has been isolated and for its astonishing ability to survive in extreme conditions is considered one of the relevant test organisms used in astrobiology studies.
In this context, the primary goal of this thesis was to investigate the responses of the C. antarcticuscolonies desiccated or in metabolically active conditions, after the exposure to increasing doses of i) heavy ions and ii) γ-rays, being part of the cosmic radiation environment. In addition, in the frame of Life in space ASI project, the survivability after the growth in different Martian relevant perchlorates was determined through culture-dependent and microscopic approaches.
The second purpose of the thesis concerned the fungal biomarkers detection after i) the exposure of C. antarcticus colonies, grown on two Martian regolith analogues, to ground-based tests (EVT and SVT treatments) and to real space exposure in Low Earth Orbit (LEO) and ii) the exposure of colonized Antarctica sandstone fragments in LEO, in the frame of BIOMEX and LIFE projects. The stability or degradation of different classes of biomolecules (mainly focused on pigments and nucleic acids) were investigated through spectroscopic and molecular techniques.
The obtained results have deep implications to support the ongoing and near future life-detection missions beyond Earth. The results from the study of C. antarcticus contributed to expands our knowledge about the limits of life, confirming the amazing adaptive abilities of C. antarcticus, with strong implication on the Martian habitability. The second results about biomarkers detection will be helpful to prepare exploration missions and to support extraterrestrial in situ operations (e.g. during Rosanlind Franklin and Perseverance rovers’ operations).
La ricerca di vita al di fuori della Terra dipende principalmente dal concetto di abitabilità di altri corpi celesti oltre la Terra e dalla ricerca di segni di vita presente o passata (biomarcatori). Poiché le missioni di esplorazione spaziale sono costose e richiedono un'organizzazione a lungo termine, lo studio preliminare degli ambienti terrestri e dei microrganismi che li abitano è un passo essenziale per supportare le operazioni extraterrestri in situ. Gli ambienti terrestriestremi sono considerati analoghi delle superfici planetarie extraterrestri e potrebbero essere utili per comprendere i limiti della vita, l'abitabilità e i meccanismi di adattamento della vita in ambienti ostili. Uno deimigliorianaloghiterrestri è ilcontinenteantartico, descritto come ilpiùinospitale e isolatodella Terra, le cui condizionisono al limitedell'abitabilità. In particolare, le McMurdo Dry Valleys sono una delle più grandi aree prive di ghiacci del continente, caratterizzate da un clima freddo e secco (Onofri et al., 2007; Øvstedal e Lewis Smith, 2001), bassa disponibilità di acqua, precipitazioni annue minime, forti venti catabatici, elevate concentrazione saline, disseccamento ed elevata incidenza di radiazione solare e ultravioletta (UV). In questeregioni, è stato isolato il fungo nero criptoendoliticoCryomycesantarcticus CCFEE 515 che, per la sua sorprendente capacità di sopravvivere in condizioni estreme, è considerato uno dei principali organismi test utilizzati negli studi di astrobiologia.
In questo contesto, l'obiettivo principale di questa tesi è stato quello di indagare le risposte di colonie del fungoC. antarcticus essiccate o in condizioni metabolicamente attive, dopo l'esposizione a dosi crescenti di i) ioni pesanti e ii) raggi γ, facenti parte dell'ambiente di radiazione cosmica. Inoltre, nell'ambito del progetto Vita nello spazio(ASI), è stata determinata la sopravvivenza dopo la crescita in diversi perclorati di rilevanza marziana attraverso approcci coltura-dipendenti e microscopici.
Il secondo scopo della tesi ha riguardato l'individuazione di biomarcatori fungini dopo i) l'esposizione di colonie di C. antarcticus, cresciute su due analoghi diregolite marziana, a test di simulazione a terra (trattamenti EVT e SVT) e all'esposizione spaziale reale in orbita terrestre bassa (LEO) e ii) l'esposizione di frammenti di arenaria antartica contenenti comunità criptoendolitiche stratificate in LEO, nell'ambito dei progetti BIOMEX e LIFE. La stabilità o la degradazione di diverse classi di biomolecole (principalmente pigmenti e acidi nucleici) sono state studiate attraverso tecniche molecolarie spettroscopiche.
I risultati ottenuti hanno profonde implicazioni a supporto delle missioni di rilevamento della vita in corso e future oltre la Terra. I risultati dello studio di C. antarcticus hanno contribuito ad ampliare le nostre conoscenze sui limiti della vita, confermando le sorprendenti capacità di adattamento del fungo nero, con forti implicazioni sull'abitabilità marziana. I risultati sulla rilevazione dei biomarcatori saranno utili per preparare le missioni di esplorazione e per supportare le operazioni extraterrestri in situ (ad esempio durante le operazioni dei roverRosanlind Franklin e Perseverance).
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
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