Metabolic changes and physiological responses induced by space ionizing radiation in Chlamydomonas reinhardtii D1 mutants

Abstract

This research aimed to select, isolate and characterize different algal phenotypes of the genus Chlamydomonas, tolerant to ionizing radiation and radical-inducing conditions, to be used as life regenerative supporting systems in long-term space mission. The photosynthetic apparatus evolved several molecular mechanisms to overcome oxidative stress. D1 aminoacids close to the oxygen evolving complex in particular to Tyr161, play an essential role in the maintenance of photosynthetic electron transport and often are the target of free radical-induced damage. In vitro directed evolution strategies targeted at the D1 protein were adopted to create libraries of Chlamydomonas random mutants further selected by exposures to proton or neutron sources. Chlamydomonas reinhardtii strains wild type and mutated in both the D1 protein and some carotenogenic genes were sent to space in the Foton-M3 space mission (ESA, 2007). Moreover, site directed D1 mutants were tested for their capability to cope with free radical generating conditions on ground. Based on these results the site directed mutants I163N, I163T and P162S were enclosed in the PHOTO I experiment unit and experienced the ISS environment during the STS-134 mission as BIOKIS-PHOTOEVOLUTION, one of the experiments developed into the frame of the DAMA project (NASA, 2011). After the flights, different mutants displayed a higher photosynthetic performance compared to their reference strains followed by metabolic changes as gene expression, antioxidant pigments accumulation and modified electron transport. This study confirmed that single D1 aminoacidic substitutions close to Tyr161 are important to efficiently counteract the extreme space environment, encouraging the development of innovative photosynthesis-based life regenerative supporting systems for long-term space missions.

Questa ricerca ha come obbiettivo l’isolamento e la caratterizzazione di differenti fenotipi di alga del genere Chlamydomonas, tolleranti alle radiazioni ionizzanti e alle condizioni che inducono la formazione di radicali, da utilizzare come sistemi di rigenerazione per il supporto della vita nello spazio. Gli amminoacidi della proteina D1 vicini al complesso d’evoluzione di ossigeno, in particolare alla Tyr161, svolgono un ruolo essenziale nel mantenimento del trasporto degli elettroni e spesso sono oggetto del danno indotto dai radicali liberi. Le strategie d’evoluzione diretta mirate alla proteina D1 sono state adottate per creare librerie di mutanti casuali di Chlamydomonas ulteriormente selezionati da esposizioni a fonti di protoni o di neutroni. Ceppi di Chlamydomonas reinhardtii “wild-type” e mutati sia nella proteina D1 che in alcuni geni appartenenti alla via biosintentica dei carotenoidi sono stati inviati nello spazio durante la missione Foton-M3 (ESA, 2007). Inoltre, mutanti con singole sostituzione aminoacidiche sito specifiche nella proteina D1 sono stati testati per la loro capacità di tollerare lo stress da radicali in esperimenti svolti a terra. Sulla base dei risultati ottenuti tre di questi mutanti I163N, I163T e P162S sono stati allocati nell’unità PHOTO I dove hanno vissuto l'ambiente ISS durante la missione STS-134. Dopo i voli, diversi mutanti hanno mostrato migliori performance fotosintetiche rispetto i ceppi parentali seguite da variazioni a livello metabolico come espressione di geni, accumulo di pigmenti antiossidanti e trasporto elettronico modificato. Questi risultati dimostrano l’importanza delle singole sostituzioni aminoacidiche vicino alla Try161 ed incoraggiano la progettazione e il futuro sviluppo di sistemi di rigenerazione basati sulla fotosintesi, per il supporto della vita nello spazio durante le missioni spaziali di lungo termine.