Der photosynthetische 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). 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 mit der Entwicklung des Systems sowie den biologischen und technischen Tests der entsprechenden Komponenten und einer Beschreibung des Experimentverlaufs. Die Sauerstoffentwicklung beim Anlaufen des Bioreaktors mit unterschiedlichen Medien und Beleuchtungen sowie die Auswirkung unterschiedlicher Beleuchtung auf die Pigmentzusammensetzung wurden überprüft. Es zeigte sich, dass ein Medium ohne Kohlenstoffquelle wie etwa Acetat zu einem schnelleren und sichereren Anlaufen der Sauerstoffproduktion führt, ohne nachteilig auf die Zellen zu wirken. Als sehr hilfreich zum schnelleren Anlaufen der Photosynthese erwies sich eine schwache Beleuchtung mit Weißlicht, die dann schrittweise reduziert wurde. Zur Analyse des Wachstums der Schweresteinchen wurden die Fischlarven mit dem Fluoreszenzfarbstoff Alizarin behandelt, der in Spuren ins System hätte eingeschleppt werden können. In ökotoxikologischen Tests stellte sich das Alizarin für Euglena 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. Anhand fixierter Euglenen wurde 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. Das OMEGAHAB-Experiment verlief sehr erfolgreich: 11 der 26 eingesetzten Fischlarven lebten nach der Landung des Satelliten noch. Der Sauerstoffgehalt war zwar über die Missionszeit stark gesunken, reichte aber bis zum Ende aus. Weiterhin beschäftigte 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. Die AMP-Erhöhung bewirkt auf unbekannte Weise die Modulierung des Geißelschlages. Die Geißelschlagbewegung wurde erstmals mit Hilfe eines hochauflösenden Mikroskops während einer Parabelflugkampagne beobachtet. Dabei herrschen Schwerkraftbedingungen zwischen 10-2 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.

    The unicellular photosynthetic 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). 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 the development of the system, biological and technical tests of the respective components, and presents the experimental results. The influence of illumination and composition of the mediums on the initial oxygen development during the reactor start was evaluated. 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. 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. In ecotoxicological tests the dye turned out to be harmless for Euglena. 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 OMEGAHAB-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 10-2 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.


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    Titel :

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


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2009


    Format / Umfang :

    170 Seiten, Bilder, 14 Tabellen, Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch




    Gravitaxis and Graviperception in Euglena Gracilis

    Haeder, D.-P. / Lebert, M. / Richter, P. et al. | British Library Conference Proceedings | 1998


    Gravitaxis of Euglena gracilis depends only partially on passive buoyancy

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