Διερεύνηση των μοριακών και βιοχημικών μηχανισμών ενίσχυσης της θερμοανθεκτικότητας ("hardening") του θαλάσσιου είδους Mytilus galloprovincialis

Abstract

Temperature is an important factor affecting the metabolism and ecological performance of organisms. Due to climate change, sea temperature is increasing at alarming rates, representing a serious source of environmental stress for marine organisms. Ectotherms in particular are exposed to a range of environmental temperatures and may experience extreme temperatures beyond their upper thermal limits. Such extreme temperatures can stimulate aerobic metabolism towards its maximum, decline aerobic oxidation of substrates and at the same time increase anaerobic metabolism, in combination with increased ROS production and oxidative stress. Exposure of organisms to these conditions for an extended period of time eventually leads to the activation of autophagy and inflammation and ultimately to increased cell death, causing loss of fitness and mortality. Under these stressful conditions, marine organisms recruit various defence strategies for maintainance and survival. However, the thermal resistance of ectothermic organisms can be modified and increased more rapidly and efficiently after brief exposure to sub-lethal temperatures, a process known as "hardening". In the current PhD thesis, the ability of Mytilus galloprovincialis to increase its thermal resistance under the influence of elevated temperatures (24, 26 and 28 °C) through the hardening process is investigated. The molecular, genetic and metabolic analyses performed showed increased resilience and cellular protection, reflected to better adaptive strategies of heat hardened mussels leading to the reduction of cell death pathways and thus lower mortality. Such strategies involve enhancement of antioxidant defense, more efficient ETS and tricarboxylic acid (TCA) cycle activity, and modulation of various metabolic patterns that can increase ATP production during heat stress. Also, heat hardening led to the accumulation of amino acids, including osmolytes and cytoprotective factors with antioxidant and anti-inflammatory properties that contribute to the thermal protection of mussels. These findings provide new insights regarding the metabolic mechanisms that can enhance the resilience of mussels against heat stress, providing both natural protection and potential management tools (e.g., in aquaculture) against the devastating effects of climate change on marine organisms.

Η θερμοκρασία είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το μεταβολισμό και την οικολογική απόδοση των οργανισμών. Λόγω της κλιματικής αλλαγής, η αύξηση της θερμοκρασίας της θάλασσας αυξάνεται με ανησυχητικούς ρυθμούς, αποτελώντας σοβαρή πηγή περιβαλλοντικής καταπόνησης για τους θαλάσσιους οργανισμούς. Ιδιαίτερα οι εξώθερμοι οργανισμοί εκτίθενται σε ένα εύρος περιβαλλοντικών θερμοκρασιών και μπορεί να αντιμετωπίσουν ακραίες θερμοκρασίες πέρα από τα ανώτερα θερμικά τους όρια. Τέτοιες ακραίες θερμοκρασίες μπορούν να διεγείρουν τον αερόβιο μεταβολισμό προς το μέγιστο, να μειώσουν την αερόβια οξείδωση των υποστρωμάτων και παράλληλα να αυξήσουν τον αναερόβιο μεταβολισμό, σε συνδυασμό με την αυξημένη παραγωγή ROS και την οξειδωτική καταπόνηση. Η έκθεση των οργανισμών σε αυτές τις συνθήκες για εκτεταμένο χρονικό διάστημα οδηγεί τελικά σε ενεργοποίηση της αυτοφαγίας και της φλεγμονής και τελικά στην αύξηση του κυτταρικού θανάτου, οδηγώντας σε απώλεια της φυσικής τους κατάστασης και τη θνησιμότητάς τους. Κάτω από αυτές τις στρεσογόνες συνθήκες, οι θαλάσσιοι οργανισμοί επιστρατεύουν διάφορες αμυντικές στρατηγικές για τη διατήρηση και την επιβίωσή τους. Ωστόσο, η θερμική ανθεκτικότητα των εξώθερμων οργανισμών μπορεί να τροποποιηθεί και να αυξηθεί ταχύτερα και πιο αποτελεσματικά μετά από σύντομη έκθεση σε υποθανατηφόρες θερμοκρασίες, μια διαδικασία γνωστή ως "hardening". Στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή, εξετάζεται η ικανότητα του Mytilus galloprovincialis να αυξάνει τη θερμική του ανθεκτικότητα υπό την επίδραση αυξημένων θερμοκρασιών (24, 26 και 28°C) μέσω της διαδικασίας "hardening". Οι μοριακές, γενετικές και μεταβολικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν παρουσίασαν αυξημένη ανθεκτικότητα και κυτταρική προστασία που αντανακλάται σε καλύτερες προσαρμοστικές στρατηγικές των θερμικά “hardened” μυδιών και οδηγούν σε μείωση του κυτταρικού θανάτου και κατ’ έπεκταση της θνησιμότητας. Τέτοιες στρατηγικές αφορούν την ενίσχυση της αντιοξειδωτικής άμυνας, την αποτελεσματικότερης δραστηριότητα του ETS και του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) καθώς και τη διαφοροποίηση διάφορων μεταβολικών προτύπων που μπορούν να αυξήσουν την παραγωγή του ΑΤΡ κατά την θερμική καταπόνηση. Επίσης το θερμικό “hardening” οδήγησε σε συσσώρευση αμινοξέων, συμπεριλαμβανομένων οσμολυτών και κυτταροπροστατευτικών παραγόντων με αντιοξειδωτικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες που συμβάλουν στη θερμική προστασία των μυδιών. Τα ευρήματα αυτά παρέχουν νέες πληροφορίες αναφορικά με τους μεταβολικούς μηχανισμούς που μπορούν να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα των μυδιών έναντι της θερμικής καταπόνησης, παρέχοντας τόσο φυσική προστασία όσο και δυνητικά εργαλεία διαχείρισης (π.χ. στην υδατοκαλλιέργεια) έναντι των καταστροφικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στους θαλάσσιους οργανισμούς.