Euglena gracilis als Sauerstoffproduzent eines bioregenerativen Lebenserhaltungssystems und ihre physiologische Reaktion auf Änderungen der Schwerkraft

Euglena gracilis as oxygen producer in a bioregenerative life support system and its physiological reaction on changings of gravity

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-15714
  • Der einzellige Süßwasserflagellat Euglena gracilis orientiert sich mit Hilfe von Licht und Schwerkraft in der Wassersäule, um so optimale Bedingungen für die Photosynthese vorzufinden. Mit Hilfe einer Schleppgeißel bewegt sich Euglena im Dunkeln nach oben (negative Gravitaxis), schwimmt bei schwacher Beleuchtung zum Licht (positive Phototaxis), in optimaler Beleuchtung unorientiert umher und flieht bei zu hoher Beleuchtungsstärke vom Licht weg (negative Phototaxis). So ist es den Zellen möglich, effizient Photosynthese zu betreiben und Schäden durch zu viel Licht und damit einhergehend zu viel UV-Strahlung zu vermeiden. Das Projekt OMEGAHAB war ein geschlossenes künstlichesDer einzellige Süßwasserflagellat Euglena gracilis orientiert sich mit Hilfe von Licht und Schwerkraft in der Wassersäule, um so optimale Bedingungen für die Photosynthese vorzufinden. Mit Hilfe einer Schleppgeißel bewegt sich Euglena im Dunkeln nach oben (negative Gravitaxis), schwimmt bei schwacher Beleuchtung zum Licht (positive Phototaxis), in optimaler Beleuchtung unorientiert umher und flieht bei zu hoher Beleuchtungsstärke vom Licht weg (negative Phototaxis). So ist es den Zellen möglich, effizient Photosynthese zu betreiben und Schäden durch zu viel Licht und damit einhergehend zu viel UV-Strahlung zu vermeiden. Das Projekt OMEGAHAB war ein geschlossenes künstliches Ökosystem, das im September 2007 an Bord des russischen Satelliten FOTON M-3 für knapp 13 Tage in eine Erdumlaufbahn geschickt wurde. Es bestand aus einem Bioreaktor mit Euglena gracilis als Sauerstoffproduzent und Buntbarschlarven (Oreochromis mossambicus) sowie Mikroorganismen in einem Filter. Ziel war es, die Fischlarven über die Missionszeit am Leben zu erhalten, um nach der Landung die Entwicklung der Gleichgewichtsorgane in Schwerelosigkeit untersuchen zu können; Euglena sollte ihre Fähigkeit, dafür genügend Sauerstoff herzustellen demonstrieren. Die Peripherie des Bioreaktors umfasste Mess-, Regelungs- und Kommunikationselektronik sowie zwei Videosysteme, die täglich das Bewegungsverhalten der Algen und der Fischlarven aufnahmen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit Aspekten der Entwicklung des Systems sowie den biologischen und technischen Tests der entsprechenden Komponenten und einer Beschreibung des Experimentverlaufs selbst mit einer Präsentation ausgewählter Parameter. Zur Analyse des Wachstums der Schweresteinchen wurden die Fischlarven mit dem Fluoreszenzfarbstoff Alizarin behandelt, der in Spuren ins System hätte eingeschleppt werden können. Sein Einfluss auf das Bewegungsverhalten von Euglena wurde mit ökotoxikologischen Methoden getestet, die die Orientierung, Motilität, Geschwindigkeit und Zellform erfassen und mit denen einer Kontrollgruppe vergleichen. Das Alizarin stellte sich als harmlos heraus. Verschiedene Membran- und Gewebetypen wurden einer Reihe von Tests im Hinblick auf die Permeabilität für Gase, aber auch für die Zellen selbst unterzogen, um eine Möglichkeit zu finden, die Gasaustauschrate des Systems zu steigern. Dabei wurden Gewebe mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Methoden behandelt, um die erwünschten Materialeigenschaften zu erhalten. Diese Tests führten letztlich zwar zu einer Alternative, diese wurde aber aus verarbeitungstechnischen Gründen nicht umgesetzt. Anhand fixierter Zellen wurde mit der TUNEL-Färbung untersucht, ob die Zellen aus dem Orbit sich hinsichtlich der Integrität der DNA von denjenigen des Bodenreferenzmoduls unterschieden. Es konnte kein signifikanter Unterschied festgestellt werden. Zu den nichtbiologischen Aufgaben und den technischen Tests gehörten das Finden geeigneter Komponenten, die den Anforderungen hinsichtlich Robustheit, Gewicht, Budget, Energieversorgung etc. entsprachen, sowie Prüfungen der Dichtigkeit des Reaktors und die Betreuung des Experiments während Vibrations-, Temperatur- und anderer Hardwaretests. Das Experiment verlief sehr erfolgreich: 11 der 26 eingesetzten Fischlarven lebten nach der Landung des Satelliten noch. Der Sauerstoffgehalt ist zwar über die Missionszeit stark gesunken, hat aber bis zum Ende ausgereicht. In einem zweiten Teil beschäftigt sich die Arbeit mit der dem Geißelschlag von Euglena. Dieser wird bei gravitaktischer Orientierung moduliert, indem eine Signaltransduktionskaskade in Gang gesetzt wird: über mechanosensitive Kanäle strömen Calciumionen ein; diese aktivieren ein Calmodulin, das über die Aktivierung einer Adenylatcyclase den Gehalt an zyklischem AMP in der Zelle erhöht. Dadurch wird der Geißelschlag auf noch unbekannte Art moduliert. Die Geißelschlagbewegung wurde erstmals mit Hilfe eines hochauflösenden Mikroskops während einer Parabelflugkampagne beobachtet. Dabei herrschen Schwerkraftbedingungen zwischen 0.01 x g, 1 x g und 1,8 x g. Es konnte gezeigt werden, dass die Zellen aktiv auf eine Änderung der Schwerkraftbedingungen reagieren und versuchen sich zu reorientieren. Es wurde außerdem versucht, mit Fluoreszenzfarbstoff beladene Astasia-longa-Zellen, eine nicht photosynthetische Verwandte von Euglena, mit dem Fluoreszenzmodus des Mikroskops zu beobachten. Der verwendete Farbstoff, Calcium Crimson, sollte eine Änderung der Calciumkonzentration sichtbar machen. Aufgrund der technischen Limitierung des Mikroskops war dies allerdings nicht erfolgreich.show moreshow less
  • The unicellular freshwater flagellate Euglena gracilis uses light and gravity to find best conditions for photosynthesis within the water column. By means of a dragging flagellum Euglena moves upwards in darkness, a process known as negative gravitaxis. In dim light it swims towards the light (positive phototaxis), while it shows no orientation in optimal conditions. In excess of light Euglena flees in the opposite direction (negative phototaxis). This mechanism allows Euglena efficient photosynthesis and avoidance of too much light and UV irradiation. The project OMEGAHAB was a closed artificial ecosystem, which flew in September 2007 approximately 13 days on board the Russian FOTON-M3The unicellular freshwater flagellate Euglena gracilis uses light and gravity to find best conditions for photosynthesis within the water column. By means of a dragging flagellum Euglena moves upwards in darkness, a process known as negative gravitaxis. In dim light it swims towards the light (positive phototaxis), while it shows no orientation in optimal conditions. In excess of light Euglena flees in the opposite direction (negative phototaxis). This mechanism allows Euglena efficient photosynthesis and avoidance of too much light and UV irradiation. The project OMEGAHAB was a closed artificial ecosystem, which flew in September 2007 approximately 13 days on board the Russian FOTON-M3 satellite. Euglena gracilis served as an oxygen producer for cichlid larvae of Oreochromis mossambicus; microorganisms in the filter compartment completed the experiment. The objective was to keep the larvae alive during their growing up in weightlessness to determine afterwards the development of their vestibular organs. Euglena should proof the ability to produce enough oxygen. The peripherals of the bioreactor contained electronics for measurement, control and communications as well as two video systems for a daily recording of the movement behavior. The presented work describes aspects of the development of the system and biological and technical tests of the respective components. A presentation of the experiment and selected parameters is also included. The culture conditions for Euglena were modified with respect to the illumination and the com¬position of the medium; the initial oxygen development during the reactor start was evaluated as well as the effects of the modification of the illumination on the pigment composition. It turned out that in a medium without acetate as carbon source the oxygen production starts faster and more reliable than in the regular acetate containing medium. Lack of acetate was no disadvantage for the cells. Illumination with red light before inoculation in the reactor was not a sufficient procedure. An adaptation of the pigment composition could be demonstrated; the red grown cells contained more chlorophyll b than chlorophyll a. For a safe start of the reactor and a reliable oxygen production a continuously decreasing addition of white light was helpful. For the analysis of the otoliths in the vestibular organs of the fish larvae, a fluorescent dye was applied. By means of ecotoxicological methods its influence on the movement behavior of Euglena was tested. Orientation, motility, velocity and cell form was measured and compared to an untreated control group. The dye turned out to be harmless. A variety of membranes and tissues was tested regarding the permeability for gases, solved substances and cells itself to find a possibility to increase the gas exchange rates of the system. Tissues were treated with a number of physical and chemical procedures to achieve the desired features. The tests identified a possible alternative solution; it was not implemented due to processing technology issues. A TUNEL assay was performed with fixated cells to see whether there was any difference between the space flown cells and the ground reference cells, but no significant difference was found. The non biological duties and the technical tests involved the search for components fitting the requirements of robustness, weight, budget, energy consumption etc. as well as leak tightness tests of the bioreactor and supervision of the devices during shock tests, temperature tests, and other hardware tests. The experiment was very successful: 11 out of 26 fish larvae survived. Oxygen concentration was depleted to very low values but was sufficient until the end. The second part of the work describes an experiment to investigate the beating pattern of the flagellum of Euglena. That pattern is altered during gravitactic orientation via a signal transduction chain: calcium ions enter the cell through mechano sensitive channels and activate a Calmodulin, which in turn activates an adenylyl cyclase. The concentration of cyclic AMP (cAMP) rises and that modulates the beating pattern of the flagellum in a yet unknown step. For the first time this movement of the flagellum was observed with a high resolution microscope during a parabolic flight campaign. During a parabola the acceleration levels vary between 0.01 x g, 1 x g and 1.8 x g. It was demonstrated that the cells respond actively to a change of the acceleration levels and try to realign. Furthermore, Astasia longa cells were treated with a fluorescence dye, Calcium Crimson, to detect a change of the intracellular calcium concentration. Astasia is a chloroplast-free relative of Euglena; this allows observation in a fluorescence microscope without the autofluorescence of chlorophyll disturbing the recognition of the signal of interest. Due to technical limitations of the microscope this objective lacked success.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian M. Strauch
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-15714
Advisor:Donat-Peter Häder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2009/12/17
Release Date:2010/01/13
Tag:Flagellum; Gravitaxis; Mikroskopie; Parabelflug; Signaltransduktionskette
Parabolic flight; flagellum; mycroscopy; signal transduction chain
SWD-Keyword:Euglena gracilis; Geotaxis; Mikrogravitation; Pflanzenphysiologie; Weltraumforschung
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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