Nanosecond Pulsed Electric Fields (nsPEFs) Trigger Cell Differentiation and Transcriptional Responses in Green Microalgae

Elektroimpulsbehandlung im ns-Bereich (ns-EIB) hat ein großes Potential für biotechnologische und medizinische Anwendungen. Allerdings sind die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen, die die zellulären Reaktionen verursachen, ungenügend verstanden.
Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii wurde als experimentelles Modell verwendet, um die unmittelbaren Wirkungen der Elektroporation auf die zellulären und der entfalteten Stressantworten zu untersuchen, die durch ns-EIB hervorgerufen wurden. Die ns-EIB induzierte eine schnelle, aber transiente Membran-Permeabilisierung, Zellschwellung und einen massiven Ausstoß von reaktiven Sauerstoffradikalen (oxidative burst). ... mehrObwohl diese kurzfristigen Stressantworten innerhalb von 2 Stunden nach der Impulsbehandlung verschwinden, erschien einige Tage später eine zweite Welle von freigesetzten reaktiven Sauerstoffradikalen. Dies ging mit einem arretierten Zellzyklus einher. Gleichzeitig wurde die Zellexpansion stimuliert und die Zellen differenzierten sich zu dem geißellosen Palmella-Stadium. Diese zweite Welle von Sauerstoffradikalen konnte durch Hemmung der membranständigen NADPH-Oxidase RboH über den spezifischen Inhibitor Diphenyliodonium (DPI) gehemmt werden, nicht aber durch das unspezifische Antioxidans Ascorbinsäure (Asc) unterdrückt werden. Die Zugabe des natürlichen Auxins Indolessigsäure (IAA) vor der ns-EIB konnte die erhöhte Bildung des Palmella-Stadiums nicht eindämmen, obwohl IAA die spontane Bildung von Palmellen signifikant reduzierte.
In einer weiteren Studie wurde die EIB verwendet, um Biosynthese des pharmazeutisch interessanten Carotinoids Astaxanthin in der Mikroalge Haematococcus pluvialis zu modulieren. Hier wurde beobachtet, dass ns-EIB eine langandauernde Zellexpansion, aber auch und eine erhöhte Mortalität induziert. Außerdem wurde die Astaxanthin-Akkumulation stimuliert, dies aber nur transient. Im nächsten Schritt wurde die Genexpression von Schlüsselenzymen der Astaxanthin-Biosynthese in Antwort auf entweder ns-EIB oder Salzstress gemessen. Zwar führten beide Behandlungen zu einer verstärkten Akkumulation von Transkripten für psy, crtR-b und bkt1, diese blieb aber im Falle der ns-EIB nur transient.

Nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs) have great potential for biotechnological and medical applications. However, the biological mechanisms causing the cellular responses are poorly understood.
Unicellular green microalgae Chlamydomonas reinhardtii was used as experimental model to investigate the immediate consequences of electroporation from the cellular and developmental responses evoked by nsPEFs. We found that nsPEFs could induce a short-term membrane permeabilization, cell swelling and oxidative burst. Although these short-term responses vanish within 2 hours after the pulse, a second wave of oxidative burst appeared several days later. ... mehrAt the meantime, the cell cycle halted, cell expansion stimulated and an immobile palmella stage of C. reinhardtii formed. This persistent oxidative burst can be suppressed by specific inhibitor diphenyl iodonium (DPI), but not by the unspecific antioxidant ascorbic acid (Asc). Natural auxin IAA was added prior to the nsPEFs treatment, but unable to mitigate the elevated formation of palmella stages induced by nsPEFs.
Then, nsPEFs was used to apply on microalgae Haematococcus pluvialis to investigate the cell responses and the feasibility of triggering astaxanthin biosynthesis. We observed that nsPEFs could induce a long-term cell enlargement and mortality on H. pluvialis, but a short-term stimulation of astaxanthin accumulation. And the gene expression of key enzymes of astaxanthin biosynthesis was measured in response to either nsPEFs or salt stress. Although both treatments led to an increase of transcription for psy, crtR-b and bkt 1, this remained transient in the case of the nsPEFs.