Esposizione alle radiazioni ionizzanti lunari simulate a lungo termine: effetti su Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 e Synechococcus sp. PCC 7335

The work presented in this thesis aimed to evaluate the effects of long-term exposure to simulated lunar ionizing radiation on two cyanobacterial species: Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 and Synechococcus sp. PCC 7335. Cyanobacteria were the first organisms on Earth to develop the ability to evolve oxygen. There are strains capable of surviving in extreme environments thanks to a metabolic plasticity that allows them to tolerate prohibitive conditions, such as high or low temperatures, lack of water, light, and carbon dioxide concentrations that are not compatible with survival for most living beings. Some are able to implement forms of photoacclimation that allow them to perform oxygenic photosynthesis under various light conditions, such as Far-Red light (700–750 nm), thanks to the synthesis of chlorophyll d and chlorophyll f. Some strains are also able to synthesize molecules with a UV-protective function, such as mycosporine-like amino acids (MAAs) and scytonemins. Thanks to these characteristics, the study and use of cyanobacteria are proving particularly useful in informing projects related to space missions, such as MELiSSA, an ESA programme aimed at developing a closed and circular life-support system (Circular Regenerative Life-Support System), in which a community of macro- and microorganisms act in synergy to transform organic waste into new resources that can be exploited by astronauts during long-term space missions. The work I carried out is part of the EXTREMOON project, selected by the European Space Agency (ESA) and funded by the Italian Space Agency (ASI) for ground-based experiments, which aims to investigate the responses of terrestrial extremophile organisms to lunar conditions. It is precisely in the context of long-duration space missions that it becomes useful to understand how selected organisms react to exposure to ionizing radiation which, in the case studied in this thesis, simulated a dose analogous to that present on the lunar surface through the use of 252Cf neutrons. Irradiation was performed on lines pre-acclimated to Far-Red and solar light spectra for both PCC 6912 and PCC 7335 and lasted 6 months. Irradiated and control lines of both species were subjected to a series of analyses aimed at investigating the possible effects of irradiation. Cell viability was assessed using calcein as a fluorescent marker; growth recovery capacity was tested through measurements of optical density at 750 nm; in vivo absorption spectra were obtained to verify the possible maintenance of the photosynthetic apparatus configuration; extraction and quantification of lipophilic and hydrophilic pigments were performed; and finally, the ability to produce UV-protective molecules (MAAs) was tested.

Il lavoro presentato in questa tesi ha avuto lo scopo di valutare gli effetti dell’esposizione a lungo termine a radiazioni ionizzanti lunari simulate su due specie di cianobatteri: Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 e Synechococcus sp. PCC 7335. I cianobatteri sono stati i primi organismi sulla Terra ad avere sviluppato la capacità di evolvere l’ossigeno. Ci sono ceppi in grado di sopravvivere in ambienti estremi grazie ad una plasticità metabolica che permette loro di tollerare condizioni proibitive, come elevate o basse temperature, mancanza di acqua, luce e concentrazioni di anidride carbonica non compatibili con la sopravvivenza per la maggior parte degli esseri viventi. Alcuni sono in grado di attuare forme di fotoacclimatazione che permettono di fare fotosintesi ossigenica in varie condizioni di luce, come ad esempio quella Far-Red (700-750 nm) grazie alla sintesi di clorofilla d e clorofilla f. Alcuni ceppi, inoltre, sono in grado di sintetizzare molecole con funzione UV-protettiva come i mycosporine-like amino acids (MAAs) e le scitonemine. Grazie alle loro caratteristiche, lo studio e l’impiego dei cianobatteri si sta rivelando particolarmente utile nell’informare progetti relativi a missioni spaziali, come ad esempio MELiSSA, programma dell’ESA volto a sviluppare un sistema di sostegno alla vita chiuso e circolare (Circular Regenerative Life-Support System), in cui una comunità di macro e microrganismi agiscono in sinergia per trasformare i rifiuti organici in nuove risorse sfruttabili dagli astronauti nelle missioni spaziali a lungo termine. Il lavoro da me svolto si inquadra nel progetto EXTREMOON, selezionato dalla European Space Agency (ESA) e finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) per gli esperimenti a terra, che ha l’obiettivo di indagare le risposte di organismi estremofili terrestri alle condizioni lunari. È proprio nell’ottica di missioni spaziali di lunga durata che si rivela utile capire come gli organismi selezionati reagiscano all’esposizione alle radiazioni ionizzanti che, nel caso da me studiato per questa tesi, simulavano una dose analoga a quella presente sulla superficie lunare attraverso l’impiego di neutroni di 252Cf. L’irraggiamento è stato effettuato su linee pre-acclimatate a spettri di luce Far-Red e solare sia per PCC 6912 che per PCC 7335 ed ha avuto una durata di 6 mesi. Le linee irraggiate e di controllo di entrambe le specie sono state sottoposte a una serie di analisi volte ad indagare gli eventuali effetti dell’irraggiamento. È stata valutata la vitalità cellulare utilizzando la calceina come marcatore fluorescente; è stata testata la capacità di recovery della crescita tramite misurazioni della densità ottica a 750 nm; sono stati ottenuti gli assorbimenti in vivo per verificare l’eventuale mantenimento dell’assetto dell’apparato fotosintetico; è stata effettuata l’estrazione e la quantificazione dei pigmenti lipofili e idrofili; e infine è stata testata la capacità di produrre molecole UV-protettive (MAAs).