Physiological assessment of non-pigmented extremophilic yeasts from the Atacama Desert as models for space exploration

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia e Biociências, Florianópolis, 2022.Introdução: Ainda que a vasta maioria de microrganismos extremófilos pertence aos Domínios Bacteria e Archaea, microrganismos eucariotos também podem apresentar mecanismos de resistência a uma variedade de condições extremas. Mais especificamente, leveduras são constantemente ressaltadas devido a sua flexibilidade fisiológica e alta sobrevivência sob uma variedade de parâmetros extremos. Compostos fotoprotetores, dentre eles melaninas e carotenoides, são comumente associados a uma elevada resistência a parâmetros ambientais extremos, devido aos seus efeitos diretos e indiretos associados à tolerância. De forma contrária, compostos fotoprotetores não-pigmentados costumam ser menos estudados, ainda que compreendendo importantes mecanismos de resistência frente à radiação ultravioleta e demais condições extremas, dentre elas os estresses osmótico e oxidativo, bem como estresse termal, salino e nutricional. Objetivos: Esta tese teve como objetivo investigar leveduras não-pigmentadas, isoladas do Deserto do Atacama, de acordo com sua resistência a fatores ambientais extremos para avaliar seu potencial para estudos em astrobiologia e exploração espacial. Dentre os objetivos específicos, incluem-se a identificação de novas cepas de leveduras não pigmentadas, isoladas de amostras de solo do Deserto do Atacama; avaliar sua resistência a radiação ultravioleta e dessecação, bem como variações de temperatura e salinidade; e analisar a potencial aplicação destas leveduras em futuros estudos de astrobiologia e exploração espacial. Metodologia: O primeiro capítulo desta tese de doutorado tem como objetivo revisar a função dos principais compostos fotoprotetores já estudados -- melaninas, carotenoides e micosporinas -- e comparar as diferenças de resistência entre leveduras pigmentadas e não pigmentadas, bem como discutir o potencial biotecnológico de compostos fotoprotetores não pigmentados, justificando maiores estudos na área. O segundo capítulo desta tese compreende a avaliação da resistência de seis leveduras não-pigmentadas isoladas de amostras de solo do Deserto do Atacama -- um ambiente extremo com severas condições ambientais. As leveduras foram identificadas através do sequenciamento da região intergênica ITS, e uma árvore filogenética foi reconstruída a partir do método de máxima verossimilhança. Além disso, os isolados foram estudados de acordo com sua resistência à radiação ultravioleta (UVC), ciclos de dessecação e reidratação, temperatura e diferentes condições salinas, reforçando a importância do Deserto do Atacama como nicho de microrganismos eucarióticos extremófilos e a necessidade de estudos aprofundados para um maior entendimento dos aspectos moleculares, ecológicos e fisiológicos destes organismos. Por fim, o terceiro e último capítulo dessa tese associa a possibilidade de utilização de leveduras extremófilas não-pigmentadas em estudos no campo da Astrobiologia, com especial atenção ao recente desenvolvimento de técnicas em biologia sintética como potencial mecanismo para a otimização de espécies extremófilas como organismos modelo para a utilização de recursos in situ durante futuras operações de exploração espacial frente ao objetivo de exploração do planeta Marte. Resultados e Discussão: Os resultados obtidos através desta tese de doutorado possibilitaram a identificação de novas leveduras extremófilas não pigmentadas isoladas do Deserto do Atacama. Dentre elas, Naganishia onofrii (ATA13A) e Papiliotrema laurentii (ATA13B), apresentaram sobrevivência frente aos parâmetros ambientais extremos analisados, radiação UVC e dessecação, e salinidade, e crescimento máximo entre 20-30 °C. Microorganismos extremófilos não-pigmentados vem sendo estudados apenas nas últimas décadas, e estudos recentes indicam uma ausência de correlação entre pigmentação e resistência a fatores ambientais extremos. Compostos fotoprotetores não-pigmetados, dentre eles, as micosporinas, poderiam explicar a resistência destes microorganismos frente a exposição à radiação UV, dessecação, e demais fatores ambientais. Como extremófilos eucariontes, as espécies aqui identificadas reforçam a dominância de leveduras basidiomicetas em ambientes de alta elevação. Já seu fenótipo não-pigmentado reforça a necessidade de maiores estudos visando a compreensão de mecanismos alternativos de defesa a fatores ambientais extremos. Por fim, este estudo possui importância também para o campo da astrobiologia, uma vez que amplia nossa compreensão acerca dos aspectos moleculares, ecológicos, e fisiológicos por trás da resistência de microorganismos à fatores ambientais extremos, bem como das biomoléculas com potencial extremofílico para futura exploração espacial. Considerações Finais: De acordo com os resultados obtidos nesta tese, os fatores combinatórios específicos que resultam em uma maior resistência e sobrevivência ambiental ? dentre eles os fatores analisados em N. friedmannii, Holtermaniella wattica, e P. laurentii ? devem ser melhor estudados para avaliar a implementação prática de leveduras extremófilas não-pigmentadas visando a implementação de parte da estrutura necessária para uma exploração espacial de longo-termo.Abstract: Although the vast majority of extremophilic microorganisms belong to the Bacteria and Archaea Domains, eukaryotic microorganisms may also present resistant mechanisms to a variety of extreme conditions. In particular, yeasts are highlighted for their physiological flexibility and survivability under a wide range of extreme parameters. Photoprotective compounds, such as melanins and carotenoids, are usually associated with increased resistance to extreme parameters due to their direct and indirect tolerance-associated effects. In contrast, non-pigmented photoprotective compounds are less studied albeit also comprising important mechanisms of resistance against ultraviolet radiation and other extreme conditions including osmotic and oxidative stress as well as salinity, temperature, and nutritional stress. The first chapter of this thesis aimed to understand the role of the main photoprotective compounds -- melanin, carotenoids, and mycosporines -- and compare the differences found in resistance between pigmented and non-pigmented yeasts, as well as discuss the biotechnological potential of non-pigmented photoprotective compounds, justifying further studies in this topic. The second chapter of the thesis aimed to evaluate six non-pigmented yeasts isolated from soil samples from the Atacama Desert -- a harsh environment with extreme environmental conditions. Yeasts were identified by ITS sequencing and a phylogenetic tree was reconstructed based on maximum likelihood. In addition, the yeast isolates were assessed in terms of their resistance to ultraviolet radiation (UVC), desiccation-rehydration cycles, temperature, and different salinity concentrations, reinforcing the importance of the Atacama Desert as a niche of eukaryotic extremophilic microorganisms and the need for further studies aimed at clarifying their molecular, ecological and physiological aspects. Finally, the third and final chapter of this thesis associates the potential implementation of non-pigmented extremophilic yeasts in Astrobiology studies, in particular with the recent advances in synthetic biology as a potential methodology for the optimization of extremophilic species aimed to be used for in situ resource utilization during future missions toward space exploration aimed to explore the planet Mars