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Title: Metabolic changes and physiological responses induced by space ionizing radiation in Chlamydomonas reinhardtii D1 mutants
Other Titles: Cambiamenti metabolici e fisiologici indotti dalle radiazioni ionizzanti spaziali in mutanti D1 di Chlamydomonas reinhardtii
Authors: Pastorelli, Sandro
Keywords: Clamydomonas reinhardtii;D1 Protein;Directed evolution;Gene expression;Space radiations;Proteina D1;Evoluzione diretta;Espressione genica;Radiazioni spaziali;BIO/11
Issue Date: 16-Mar-2012
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato in Biotecnologie vegetali 24. ciclo
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.
Description: 
Dottorato di ricerca in Biotecnologie vegetali
URI: http://hdl.handle.net/2067/2549
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