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Titelaufnahme

Titel
Abiotic stress in extremophiles : strategies and utilization / by Anja Hartmann
VerfasserHartmann, Anja
Begutachter / BegutachterinGanzera, Markus ; Potterat, Olivier
GutachterGanzera, Markus
ErschienenInnsbruck, 2016
Umfang180 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Kumulative Dissertation aus sechs Artikeln
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeJanuar 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Algen / UV-stress / anti-aging
Schlagwörter (EN)Algae / UV-stress / anti-aging
Schlagwörter (GND)Hochgebirge / Küstengebiet / Extremophiler Mikroorganismus / Ultraviolett / Inhaltsstoff
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3799 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Abiotic stress in extremophiles [32.33 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Kurzfassung

Mikroorganismen, die sich an einen Lebensraum geprägt von rauen klimatischen Verhältnissen, wie zum Beispiel hoher Sonneneinstrahlung und Trockenheit gewöhnt haben, eignen sich als ideale Modellorganismen um die unterschiedlichen Anpassungsstrategien an ein lebensfeindliches Milieu zu untersuchen. Als Schutz gegen die äußeren Einflüsse produzieren sie häufig einzigartige Sekundärmetaboliten mit interessanten Bioaktivitäten, die beispielsweise dazu in der Lage sind den Organismus vor erhöhter ultravioletter Strahlung zu schützen. Diese Verbindungen nützen nicht nur dem Mikroorganismus sondern könnten auch zur Verhinderung von UV-Schäden der menschlicher Haut oder der damit verbundenen Folgen, wie etwa vorzeitige Hautalterung, Entzündungen durch ein Erythem, Überpigmentierungen und Hautkrebs eingesetzt werden.

Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war es, Mikroalgen und Cyanobakterien die hoher UV-Strahlung ausgesetzt sind, hinsichtlich ihrer dabei gebildeten Inhaltsstoffe zu untersuchen, diese zu isolieren und darüber hinaus ihren Gehalt und ihre pharmakologische Wirksamkeit auf spezielle Targets zu bestimmen. Des Weiteren sollten die Ergebnisse dazu dienen, Rückschlüsse auf deren ökologische Relevanz für diese Mikroorganismen zu ziehen. Zu diesem Zweck wurden im Besonderen Extremophile aus dem Hochgebirge sowie von exponierten Küstenabschnitten ausgewählt, die dort einer extremen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Viele dieser Arten sind in der Lage „mycosporine-like amino acids“ (MAAs) zu synthetisieren, einer unter Mikroorganismen weit verbreiteten Substanzklasse die extrem stark UV absorbierend ist. Das erste Ziel war deshalb die Isolierung dieser Verbindungen, da entsprechende Standardsubstanzen nicht käuflich zu erwerben sind. Es wurde eine Reihe bekannter Substanzen isoliert und zusätzlich gelang die strukturelle Aufklärung zweier bisher unbekannter Verbindungen aus dieser Substanzklasse. Die dadurch gewonnenen Standardsubstanzen wurden schließlich zur Entwicklung zweier analytischer Methoden verwendet. Zum einen gelang die Ausarbeitung einer neuen HPLC Methode, die erstmals für diese Verbindungen vollständig validiert wurde und somit einen Fortschritt in Bezug auf die Bestimmung und die Quantifizierung darstellt. Darüber hinaus wurden MAAs erstmals mittels Kapillarelektrophorese qualitativ und quantitativ untersucht. Einen weiteren, ganz wichtigen Teil dieser Arbeit stellten die pharmakologischen Untersuchungen dar, bei denen MAAs hinsichtlich ihrer präventiven Wirkungen gegen Hautalterung und ihrer immunmodulierenden Eigenschaften getestet wurden. Dafür wurde ein häufig genutzter, auf Fluoreszenzmessung basierender Collagenase Test etabliert, verbessert und validiert. Anschließend konnte damit eine dosisabhängige Hemmung der Collagenase durch einzelne MAAs nachgewiesen werden. Jedoch, zeigten dieselben Verbindungen in einigen Zell-basierten Tests immunmodulierende Eigenschaften, die nicht außer Acht gelassen werden sollten, wenn es darum geht diese Substanzen möglicherweise in Kosmetika und Medizinprodukten einzusetzen.

Darüber hinaus sollten mit dieser Arbeit erstmals wissenschaftliche Daten zu bisher völlig unbekannten Algen und Cyanobakterien aus dem Hochgebirge, die somit extremen Witterungsverhältnissen ausgesetzt sind, gewonnen werden. Daher wurden einige Arten im Labormaßstab selbst kultiviert und direkt im Anschluss erhöhtem UV-Stress ausgesetzt. Um dies umzusetzen wurden spezielle Sonnen-Simulatoren verwendet, die in der Lage sind die natürlichen Umweltbedingungen sehr genau zu kopieren. Neben Pigmenten, wurden vor allem spezielle Aminosäuren und Nukleoside vermehrt gebildet, von denen bekannt ist, dass sie anti-oxidative, anti-inflammatorische und DNA-protektive Eigenschaften besitzen. Darüber hinaus wurden alle Extrakte der im Labor kultivierten Arten hinsichtlich ihrer anti-oxidativen Eigenschaften untersucht.

Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit etliche neue UV-protektive Strategien in Algen und Cyanobakterien aufgeklärt. Zusätzlich konnten neue Daten hinsichtlich der anti-oxidativen Kapazität und des metabolischen Profils von bisher unbekannten Arten gewonnen werden. Die Analytik der mycosporine-like amino acids wurde verbessert und lässt nun eine genauere Quantifizierung in Mikroorganismen zu. Außerdem wurde durch die Beschreibung neuer Bioaktivitäten von drei MAAs, nämlich Porphyra, Palythine und Shinorine, ein wertvoller Beitrag zur Nutzen-Risiko Analyse geleistet, der essentiell für ihre mögliche pharmazeutische Verwendung in Kosmetika oder medizinischen Produkten ist.

Die Ergebnisse dieser Dissertation wurden bereits in 4 wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht, des Weiteren wurde ein Übersichtsartikel zum Thema „Supercritical fluid Chromatography“ verfasst. Alle Veröffentlichungen werden, nach einer Einleitung zum Thema, in dieser kumulativen Arbeit präsentiert und kurz besprochen.

Zusammenfassung (Englisch)

Abstract

Microorganisms that have adjusted to life under harsh environmental conditions such as high solar radiation and drought are excellent models for molecular adaptation strategies to those hostile conditions. In response they often produce unique secondary metabolites with interesting bioactivities that could prevent or reduce adverse effects from ultraviolet radiation, for example. Those molecules are not only relevant for the organism itself, but could also be used for the treatment or the protection of human skin against harmful effects of UV radiation such as premature skin aging, inflammation that provoke erythema, hyperpigmentation and skin cancer.

The major goal of this thesis was to evaluate the pharmacological potential of (unique) constituents in microalgae and cyanobacteria that are naturally exposed to high levels of solar radiation. Additionally their ecologic relevance and quantitative occurrence should be studied. Therefore, especially extremophiles from high mountain habitat and exposed sea shores were investigated, focusing on substances with powerful UV-absorption. Many of these species contain mycosporine-like amino acids (MAAs) a widely distributed compound class among microorganisms that exhibit enormous UV absorbing capacities. The first aim was the isolation of these compounds to obtain pure reference standards that are not commercially available. In addition to the isolation of already known MAAs, this resulted in the isolation and identification of two novel structures from this compound class. The purified MAAs were used to develop different analytical methods. These efforts resulted in a novel HPLC method, which was validated for the first time, and is therefore a significant progress in MAA determination and quantification in microbial samples. Additionally, five MAAs could be separated using capillary electrophoresis for the first time. Another very important part in this thesis was the biological evaluation of MAAs and their anti-skin aging properties as well as immunomodulatory activities. For this purpose a commonly used fluorescence based in vitro assay for the determination of collagenase inhibition was established, improved and validated. Three MAAs were tested and a dose dependent inhibition of this enzyme could be observed. An immunomodulatory effect of those substances was revealed in different cell based assays, which is an important finding for those substances that might be interesting agents for the use in cosmeceuticals.

This thesis should also contribute novel data on previously uninvestigated species. Algae and cyanobacteria from high mountain habitats or other exposed locations, where a metabolic adaptation to UV stress is expected, were therefore selected. They were cultivated at laboratory scale and subsequently exposed to elevated levels of ultraviolet radiation in specific sun-simulators, which provide conditions to those found in nature. Besides pigments, particularly amino acids and nucleosides were found to be upregulated; some of them are known to have anti-oxidant, anti-inflammatory or DNA protective abilities. All extracts of the cultivated species were also investigated for their anti-oxidative potential.

In summary, several UV-protection strategies in algae and cyanobacteria have been revealed and described for the first time in this thesis. Information concerning the anti-oxidative potential and metabolic profiles was collected from previously uninvestigated species. The analytical characterization of mycosporine-like amino acids has been improved by presenting the first validated HPLC assay for their quantitative determination as well as using innovative approaches (HILIC, CE). And above all, novel bioactivities of three MAA, namely palythine, shinorine and porphyra could be a valuable contribution to a risk-benefit assessment for the potential use of MAAs in cosmetics or medicinal products.

The results of this doctoral thesis were already summarized in 4 scientific articles and published in international journals. Furthermore, a review concerning the topic “Supercritical fluid chromatography” has been written. All publications are provided with a short introduction in this thesis.

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