Characterization of the molecular mechanisms of heavy metal adaptation in extremophilic red microalgae Cyanidiales

Wśród różnych siedlisk występujących na Ziemi niektóre charakteryzują się ekstremalnymi warunkami środowiskowymi. Można tam znaleźć organizmy żywe, które wykształciły różne strategie przetrwania w tak trudnych warunkach środowiskowych. Cyanidiales, termo-kwasolubne, bezpłciowe, jednokomórkowe krasnorosty, są jedynymi fotosyntetycznymi eukariontami zamieszkującymi tak ekstremalne środowiska wulkaniczne, jak gorące źródła w Yellowstone. Mikroglony te rosną w temperaturach do 56°C i przy ekstremalnie niskim pH (0,05 – 4,00). Ponadto w ich naturalnym środowisku dobrze udokumentowano obecność różnych metali ciężkich, takich jak nikiel, kobalt itp. Metale ciężkie są toksyczne dla większości organizmów, a jeszcze bardziej w środowisku kwaśnym, gdzie warunki fizyko-chemiczne zwiększają ich rozpuszczalność i biodostępność. Wykorzystując dwa modelowe organizmy z rzędu Cyanidiales: prosty pod względem strukturalnym i genomowym mikrokrasnorost Cyanidioschyzon merolae oraz blisko spokrewniony lecz bardziej zaawansowany genomowo, strukturalnie i metabolicznie mikroglon Galdieria sulphuraria, projekt miał na celu analizę molekularnych mechanizmów adaptacji do metali ciężkich, które pozwalają Cyanidiales prosperować w tak wymagającym środowisku. Zrozumienie tych strategii ma znaczenie nie tylko w ekologii – ponieważ glony te są głównym źródłem biomasy w swojej niszy – ale także ewolucyjne, ponieważ stanowią one wczesne ogniwo łączące fotosyntetyczne prokarionty i eukarionty. Ponadto zrozumienie, w jaki sposób gatunki te, odmienne pod względem ultrastruktury i struktury genomu, mogą rozwijać się w środowisku o wysokim stężeniu różnych metali ciężkich, może ułatwić opracowanie nowych technologii bioremediacji służących do oczyszczania postindustrialnych ekosystemów. W pracy tej połączono analizy fizjologiczne, mikroskopowe, i transkryptomiczne dwóch gatunkow Cyanidiales wraz z zastosowaniem adaptacyjnej ewolucji laboratoryjnej w celu poznania molekularnych komponentów i szlaków metabolicznych, kluczowych dla przetrwania tych ekstremofilnych fototrofów w wysokich stężeniach niklu o rząd wielkości wyższych niż te typowo występujące w naturalych habitatach tych mikroorganizmów. Ponadto omówiono pokrótce dane fizjologiczne dotyczące ekspozycji komórek Cyanidiales na kobalt, uzyskanie nowego szczepu C. merolae ultraodpornego na wysokie stężenia Co dzieki zastosowaniu adaptacyjnej ewolucji laboratoryjnej, jak również dynamicze zmiany globalnego proteomu C. merolae w czasie adaptacji do wysokich stężeń Ni, dostarczając tym samym uzupełniających informacji na temat szerszych strategii adaptacji Cyanidiales do metali ciężkich. Dzięki połączeniu tych uzupełniających się podejść, moja praca zapewnia kompleksowy obraz tego, w jaki sposób ekstremofilne czerwone algi wytrzymują wysokie stężenia metali ciężkich. Wyniki badań pokazują, że odporność Cyanidiales na metale ciężkie wynika z połączenia rearanżacji struktury aparatu fotosyntetycznego i chloroplastów, przeprogramowania metabolicznego i zainicjowania szybkiej odpowiedzi komórek na stress oksydacyjny. Ponadto wyhodowanie szczepu C. merolae o wysokiej odporności na nikiel podkreśla potencjał ukierunkowanej ewolucji w dostosowywaniu ekstremofilów do zastosowań biotechnologicznych. Ogólnie rzecz biorąc, badania te poszerzają naszą wiedzę na temat adaptacji do stresu u wczesnych ewolucyjnie mikroglonów, rzucając światło na podstawowe strategie ewolucyjne życia w ekstremalnych środowiskach. Jednocześnie stanowią one podstawę do racjonalnego projektowania platform mikroalgowych do zrównoważonej bioremediacji ekosystemów zanieczyszczonych metalami ciężkimi.

Among the different habitats present on the Earth, some are characterized by extreme physico chemical conditions. There it is possible to find some living organisms that have evolved different strategies to survive in such challenging environmental conditions. Cyanidiales, thermo-acidophilic, asexual, unicellular red microalgae, are the only photosynthetic eukaryotes inhabiting extreme volcanic environments, such as the hot springs of Yellowstone. These microalgae grow at temperatures up to 56°C and extremely low pH (0.05 – 4.00). Furthermore, in their natural habitat the presence of various heavy metals, including nickel, cobalt, etc. is well documented. These heavy metals are toxic for most organisms, and even more so in acidic environment where the physical and chemical conditions increase their solubility and bioavailability. Using the two model organisms of the Cyanidiales: the structurally and genomically simple Cyanidioschyzon merolae and the more metabolically versatile Galdieria sulphuraria, the thesis aims to dissect the molecular mechanisms of heavy metals adaptation that permit Cyanidiales to live in such harsh environment. Understanding these processes at the physiological and molecular level is not only relevant ecologically—since these algae are the main source of biomass in their niche—but also evolutionarily, as they represent an early-branching link between prokaryotes and eukaryotes. Moreover, understanding how these species can thrive at high concentration of various heavy metals could lead to the development of new bioremediation technologies for the treatment of polluted ecosystems. This work combined physiological measurements, microscopic analyses, transcriptomics, and adaptive laboratory evolution to dissect the strategies that enable these algae to thrive under Ni concentrations that are orders of magnitude higher than those typically encountered in nature. Additionally, a physiological data on cobalt exposure, new Co adapted strain and global proteomic response of C. merolae to Ni are briefly discussed, providing complementary insights into the broader heavy metal adaptation strategies. By integrating these complementary approaches, my work provides a comprehensive picture of how extremophilic red algae withstand high concentrations of heavy metals. The findings reveal that their resilience arises from a combination of structural remodelling of the photosynthetic apparatus, metabolic reprogramming, and specific antioxidant defences. Moreover, the generation of a Ni-hyper resistant C. merolae strain reported in this work highlights the potential of adaptive laboratory evolution for tailoring the metabolic pathways of extremophiles for biotechnological applications Overall, this research advances our mechanistic understanding of abiotic stress adaptation in early branching photosynthetic eukaryotes, shading light on fundamental evolutionary strategies of life in extreme environments. At the same time, it lays the groundwork for the rational design of microalgal platforms for sustainable bioremediation of heavy-metal-polluted ecosystems.