Exploitation of microalgae for the production of biomolecules with emphasis on mycosporine like amino acids (MAA)

Abstract

Microalgae represent highly adaptable photosynthetic microorganisms with significant potential for the sustainable production of high-value bioactive compounds. Among these, mycosporine-like amino acids (MAAs) constitute a group of low-molecular-weight, water-soluble secondary metabolites with strong UV-absorbing and photoprotective properties, attracting increasing interest for biotechnological, pharmaceutical, and cosmetic applications. The present doctoral thesis investigates the regulatory role of abiotic stress conditions on microalgal physiology, metabolism, and MAA biosynthesis, aiming to elucidate the mechanisms underlying stress-induced production of photoprotective compounds. Considering that early photosynthetic life evolved under elevated levels of biologically effective ultraviolet radiation, this thesis explores whether freshwater green microalgae retain a latent or conditionally regulated capacity for UV-protective responses. Although mycosporine-like amino acids (MAAs) are predominantly reported in cyanobacteria and red algae, their occurrence and regulation in green microalgae remain poorly documented. By combining abiotic stress experiments with UV-absorbing compound profiling and transcriptomic analysis, this work investigates stress-induced metabolic and molecular responses that are functionally compatible with MAAs-related photoprotection, thereby addressing a critical gap in the understanding of adaptive strategies in green microalgae under contemporary environmental pressures. As for Jaagichlorella luteoviridis, young cells are generally spherical with a diameter of about 4.5–6.5 μm, or sometimes slightly ellipsoidal of the same size. The original strain, known as SAG 211-2a, is housed in an inactive metabolic state and cryopreserved in the Algae Culture Collection. University of Göttingen, Germany (Darienko & Pröschold, 2019). In 2019, Darienko and Pröschold, based on the analysis of SSU and ITS-2 DNA barcode data, redefined Jaagichlorella luteoviridis with the basionym Chlorella luteoviridis and the synonym Chlorella aureoviridis. Different techniques, such as morphology, molecular phylogeny, DNA barcoding, and secondary structures, were integrated to study Chloroidium and Jaagichlorella. Although there was high genetic diversity in Watanabeales, all studies showed that it had low phenotypic plasticity. The cell shape, internal structure, and habitat type do not coexist with existing species or genera, indicating that the identification of Watanabeales species should prioritize molecular data because morphological data are incidental (Li et al., 2021). As reported by Darienko et al., the use of molecular data to determine the exact phylogeny of microalgae is crucial. To correctly describe the new Watanabeales numbers in the Chlorophyta group, it is important for researchers to have sufficient information on their morphology, ITS secondary structures, molecular characteristics, and ecological data (Darienko et al., 2018). The morphological characteristics taken into account for the classification of Chlorophyta are the shape, chloroplast and pyrenoid position, and the presence of flagella, including size, shape, arrangement, gas vacuoles, sheath, width of the thallus, and polarity. Some strains may lose certain characteristics, such as gas vesicles or colony formation, during prolonged laboratory culture, which could lead to misidentification. This method requires the use of high-quality equipment and specialized taxonomists. In addition, it is difficult to identify species with limited structural characteristics. To overcome these issues, a promising approach has been developed that involves the use of barcoded DNA along with the creation of databases (Fei et al., 2020). Hebert et al. in 2003, introduced the use of barcoded DNA for species identification, which relies on regions of DNA with high variation between species but low intraspecific variability, while being short and easy to amplify. Molecular Operational Taxonomic Units (MOTUs) are the most common method used in DNA classification for the quantitative determination of units equivalent to species based on a set of genetically dissimilar sequence sites (Hebert et al., 2003). Currently, there is no consensus on the standard for defining microalgal taxonomic groups. Multiple barcode genes can also be used, which is more effective than a single barcode marker due to the heterogeneity and complexity of microalgae species. In this study, we followed the nested strategy proposed by the Consortium for the Barcode of Life (CBOL) working group using the variable V4 region of 18S rDNA as the universal eukaryotic pre-barcode and a second species-specific barcode, ITS2. Moreover we tested trnL and rbcL (Ballesteros et al., 2021). In 2020, Fei et al. reported an innovative, simple, rapid DNA barcoding method without the need for DNA extraction as a first step, in microalgae or obtaining high-quality DNA barcodes (Fei et al., 2020). Various secondary metabolites play a key role in supporting the survival of microalgae under abiotic stress conditions, such as intense light and salinity (Elham Nezafatian, 2023). Even nitrogen concentration levels, especially in the initial culture, were reported to have an impact on the growth rate, lipid and protein content of Chlorella vulgaris, (Metsoviti, 2023). On the other hand, the importance of amino acids in plant growth and their response to biotic and abiotic stress has attracted considerable attention in recent years. As a result of their potential practical applications, the study of amino acid metabolism and their function as sensory, signaling, and protective molecules has generated interest in both basic and applied plant science research (Ingrisano et al., 2023). Although ultraviolet radiation is harmful to organisms, causing damage to biological macromolecules, even DNA, microbes employ strategies to counteract exposure to ultraviolet radiation, such as the biosynthesis of sunscreens for photoprotection from ultraviolet radiation (Pattanaik et al., 2007). Mycosporine-like amino acids (MAAs) belong to the chemical group of organic aromatic amino acids, with molecular structures similar to mycosporines. They are hydrophilic, of low molecular weight up to 400 Da. Molecules bearing an amino cyclohexenone or amino cycloheximine ring substituted with nitrogen or imino alcohol. Their absorption peaked between 310 nm and 365 nm (Fig. 1). Specifically, 4-deoxygadusol, which acts as a precursor for MAA biosynthesis, has a peak at λmax=268 nm, while most known MAAs to date absorb in the UV region as follows: mycosporine-glycine (λmax= 310 nm), palithine (λmax = 320 nm), mycosporine-2-glycine (λmax= 332 nm), shinorine (λmax= 333 nm) and porphyrin-334 (λmax= 334 nm) (Rosic, 2019). MAAs were first observed in the 1960s as pigments that absorb ultraviolet radiation. In 1976, Favre-Bonvin et al. obtained a fungal metabolite associated with light-induced sporulation and published the first chemical structure of an MAA. It has been widely reported that various microorganisms, particularly cyanobacteria, can accumulate these compounds, which are capable of absorbing ultraviolet light (Řezanka et al., 2004). Despite extensive research on mycosporine-like amino acids in cyanobacteria and marine microalgae, their occurrence and biosynthetic potential in freshwater green microalgae remain poorly documented. The synthesis of these compounds is likely to occur via the shikimate pathway, which involves the synthesis of amino acids from aromatic compounds. However, the entire pathway has not yet been fully identified. More than 30 different chemical structures of these compounds have been identified in different prokaryotes and eukaryotes, including fungi, yeasts, cyanobacteria, red microalgae, and other marine organisms such as macroalgae and corals (Oren & Gunde-Cimerman, 2007a). It was previously believed that higher organisms did not have this pathway and that they would only accumulate these molecules from their diet in small amounts. Recent studies have shown that some higher organisms have genes involved in the shikimic pathway. Many naturally occurring mycospore compounds can be produced through various late biosynthetic steps. These include the addition of free amino groups to the basic molecular core (Portwich & Garcia-Pichel, 2003). Five microalgal strains were initially investigated to optimize their culture conditions and subsequently exposed to different abiotic stress factors in order to assess their adaptive responses through the induction of UV-absorbing compounds. The freshwater green microalga Jaagichlorella luteoviridis (strain 211/5B) was selected as the experimental model and molecularly identified using DNA barcoding approaches. Controlled cultivation experiments were conducted under standard conditions and in response to distinct abiotic stressors, including ultraviolet radiation, salinity stress, nitrogen limitation, and thermal stress. Microalgal growth dynamics were monitored through biomass measurements, while the induction of UV-absorbing compounds was assessed using spectrophotometric and chromatographic analyses. In parallel, environmentally friendly extraction strategies were evaluated to align MAA recovery with principles of sustainable downstream processing. The results demonstrate that abiotic stress does not solely inhibit microalgal growth but can function as a regulatory signal that redirects metabolic activity toward the synthesis of secondary metabolites. All applied stress conditions induced the biosynthesis of UV absorbing content, with thermal stress emerging as the most effective treatment, leading to enhanced MAA accumulation without compromising biomass yield. Chromatographic profiles revealed consistent stress-dependent patterns in MAA production, supporting the concept of a regulated and predictable metabolic response. The use of water-based extraction protocols further confirmed the feasibility of green processing strategies for MAA recovery. Overall, this doctoral thesis provides an integrated experimental and conceptual framework linking abiotic stress, microalgal physiology, and MAA biosynthesis. By combining cultivation-based approaches with biochemical and omics-oriented reasoning, the study advances current understanding of microalgae as sustainable biofactories of photoprotective compounds and highlights their potential for targeted exploitation in future biotechnological applications. Scientific Contribution of the study This doctoral thesis contributes to the field of microalgal biotechnology by providing an integrated understanding of how abiotic stress conditions regulate metabolic and transcriptional responses leading to the biosynthesis of mycosporine-like amino acids (MAAs). By combining controlled cultivation experiments with molecular identification, physiological monitoring, spectroscopic and chromatographic analyses, the study elucidates the dynamic relationship between environmental stressors and the activation of photoprotective metabolic pathways. A key contribution of this work lies in demonstrating that abiotic stress factors such as ultraviolet radiation, salinity, and thermal stress do not merely inhibit growth but can act as regulatory signals that modulate biomass allocation and secondary metabolite production. The findings highlight thermal stress as a particularly effective inducer of MAAs biosynthesis in Jaagichlorella luteoviridis, linking enhanced metabolite production with maintained or increased biomass yield. Furthermore, the thesis advances current knowledge by integrating omics-based reasoning with applied biochemical analysis, thereby bridging fundamental microalgal biology with potential industrial and biotechnological applications. The optimization of environmentally friendly extraction protocols aligns with principles of sustainable downstream processing and reinforces the applicability of MAAs in pharmaceutical and cosmetic sectors. Overall, the present work establishes a conceptual and experimental framework for the targeted exploitation of green microalgae as sustainable biofactories of high-value photoprotective compounds, contributing both methodological insights and application-oriented perspectives to the field.

Τα μικροφύκη αντιπροσωπεύουν φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς με υψηλή προσαρμοστικότητα και σημαντικό δυναμικό για τη βιώσιμη παραγωγή βιοδραστικών ενώσεων υψηλής αξίας. Μεταξύ αυτών, τα αμινοξέα που oμοιάζουν με μυκοσπορίνη (MAAs) αποτελούν μια ομάδα δευτερογενών μεταβολιτών χαμηλού μοριακού βάρους, διαλυτών στο νερό, με ισχυρές ιδιότητες απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας και φωτοπροστασίας, προσελκύοντας αυξανόμενο ενδιαφέρον για βιοτεχνολογικές, φαρμακευτικές και καλλυντικές εφαρμογές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τον ρυθμιστικό ρόλο των αβιοτικών συνθηκών στρες στη φυσιολογία, τον μεταβολισμό και τη βιοσύνθεση MAA των μικροφυκών, με στόχο τη διαλεύκανση των μηχανισμών που διέπουν την παραγωγή φωτοπροστατευτικών ενώσεων που προκαλούνται από το στρες. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η πρώιμη φωτοσυνθετική ζωή εξελίχθηκε υπό αυξημένα επίπεδα βιολογικά αποτελεσματικής υπεριώδους ακτινοβολίας, η παρούσα διατριβή διερευνά εάν τα πράσινα μικροφύκη του γλυκού νερού διατηρούν μια λανθάνουσα ή υπό όρους ρυθμιζόμενη ικανότητα για προστατευτικές αποκρίσεις στην υπεριώδη ακτινοβολία. Αν και τα αμινοξέα που oμοιάζουν με μυκοσπορίνη (MAAs) αναφέρονται κυρίως σε κυανοβακτήρια και κόκκινα φύκια, η εμφάνιση και η ρύθμισή τους στα πράσινα μικροφύκη παραμένουν ελάχιστα τεκμηριωμένες. Συνδυάζοντας πειράματα αβιοτικού στρες με προσδιορισμό προφίλ ενώσεων που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία και μεταγραφωματική ανάλυση, η παρούσα εργασία διερευνά μεταβολικές και μοριακές αποκρίσεις που προκαλούνται από στρες και είναι λειτουργικά συμβατές με τη φωτοπροστασία που σχετίζεται με τα MAA, αντιμετωπίζοντας έτσι ένα κρίσιμο κενό στην κατανόηση των προσαρμοστικών στρατηγικών στα πράσινα μικροφύκη υπό τις σύγχρονες περιβαλλοντικές πιέσεις. Όσον αφορά το Jaagichlorella luteoviridis, τα νεαρά κύτταρα είναι γενικά σφαιρικά με διάμετρο περίπου 4,5-6,5 μm, ή μερικές φορές ελαφρώς ελλειψοειδή του ίδιου μεγέθους. Το αρχικό στέλεχος, γνωστό ως SAG 211-2a, στεγάζεται σε ανενεργή μεταβολική κατάσταση και κρυοσυντηρείται στη Συλλογή Καλλιεργειών Φυκιών. Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν, Γερμανία (Darienko & Pröschold, 2019). Το 2019, οι Darienko και Pröschold, με βάση την ανάλυση των δεδομένων γραμμωτού κώδικα DNA SSU και ITS-2, επαναπροσδιόρισαν το Jaagichlorella luteoviridis με το βασικό όνομα Chlorella luteoviridis και το συνώνυμο Chlorella aureoviridis. Διαφορετικές τεχνικές, όπως η μορφολογία, η μοριακή φυλογένεση, η κωδικοποίηση DNA με γραμμωτό κώδικα και οι δευτεροταγείς δομές, ενσωματώθηκαν για τη μελέτη του Chloroidium και του Jaagichlorella. Παρόλο που υπήρχε υψηλή γενετική ποικιλομορφία στα Watanabeales, όλες οι μελέτες έδειξαν ότι είχαν χαμηλή φαινοτυπική πλαστικότητα. Το σχήμα των κυττάρων, η εσωτερική δομή και ο τύπος οικοτόπου δεν συνυπάρχουν με υπάρχοντα είδη ή γένη, υποδεικνύοντας ότι η ταυτοποίηση των ειδών Watanabeales θα πρέπει να δίνει προτεραιότητα στα μοριακά δεδομένα, επειδή τα μορφολογικά δεδομένα είναι τυχαία (Li et al., 2021). Όπως αναφέρθηκε από τους Darienko et al., η χρήση μοριακών δεδομένων για τον προσδιορισμό της ακριβούς φυλογένεσης των μικροφυκών είναι κρίσιμη. Για να περιγραφούν σωστά οι νέοι αριθμοί Watanabeales στην ομάδα Chlorophyta, είναι σημαντικό οι ερευνητές να έχουν επαρκείς πληροφορίες σχετικά με τη μορφολογία τους, τις δευτεροταγείς δομές ITS, τα μοριακά χαρακτηριστικά και τα οικολογικά δεδομένα (Darienko et al., 2018). Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που λαμβάνονται υπόψη για την ταξινόμηση των χλωροφύτων είναι το σχήμα, η θέση του χλωροπλάστη και του πυρενοειδούς, καθώς και η παρουσία μαστιγίων, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους, του σχήματος, της διάταξης, των αερίων κενοτόπων, του περιβλήματος, του πλάτους του θάλλου και της πολικότητας. Ορισμένα στελέχη μπορεί να χάσουν ορισμένα χαρακτηριστικά, όπως τα αερία ή τον σχηματισμό αποικιών, κατά τη διάρκεια παρατεταμένης εργαστηριακής καλλιέργειας, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε εσφαλμένη ταυτοποίηση. Αυτή η μέθοδος απαιτεί τη χρήση εξοπλισμού υψηλής ποιότητας και εξειδικευμένων ταξινομιστών. Επιπλέον, είναι δύσκολο να αναγνωριστούν είδη με περιορισμένα δομικά χαρακτηριστικά. Για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα, έχει αναπτυχθεί μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση που περιλαμβάνει τη χρήση γραμμωτού DNA μαζί με τη δημιουργία βάσεων δεδομένων (Fei et al., 2020). Οι Hebert et al. το 2003 εισήγαγαν τη χρήση γραμμωτού DNA για την ταυτοποίηση ειδών, η οποία βασίζεται σε περιοχές DNA με υψηλή διακύμανση μεταξύ ειδών αλλά χαμηλή ενδοειδική μεταβλητότητα, ενώ είναι σύντομη και εύκολη στην ενίσχυση. Οι Μοριακές Λειτουργικές Ταξινομικές Μονάδες (MOTUs) είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος που χρησιμοποιείται στην ταξινόμηση DNA για τον ποσοτικό προσδιορισμό μονάδων ισοδύναμων με είδη που βασίζονται σε ένα σύνολο γενετικά ανόμοιων θέσεων αλληλουχίας (Hebert et al., 2003). Προς το παρόν, δεν υπάρχει συναίνεση σχετικά με το πρότυπο για τον ορισμό των ταξινομικών ομάδων μικροφυκών. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν πολλαπλά γονίδια γραμμωτού κώδικα, κάτι που είναι πιο αποτελεσματικό από έναν μόνο δείκτη γραμμωτού κώδικα λόγω της ετερογένειας και της πολυπλοκότητας των ειδών μικροφυκών. Σε αυτή τη μελέτη, ακολουθήσαμε την ένθετη στρατηγική που προτάθηκε από την ομάδα εργασίας της Κοινοπραξίας για τον Γραμμωτό Κώδικα της Ζωής (CBOL) χρησιμοποιώντας την μεταβλητή περιοχή V4 του 18S rDNA ως τον καθολικό ευκαρυωτικό προ-γραμμωτό κώδικα και έναν δεύτερο γραμμωτό κώδικα ειδικό για το είδος, τον ITS2. Επιπλέον, δοκιμάσαμε τα trnL και rbcL (Ballesteros et al., 2021). Το 2020, οι Fei et al. ανέφεραν μια καινοτόμο, απλή, γρήγορη μέθοδο κωδικοποίησης DNA με γραμμωτό κώδικα χωρίς την ανάγκη εξαγωγής DNA ως πρώτο βήμα, σε μικροφύκη ή για την απόκτηση γραμμωτών κωδικών DNA υψηλής ποιότητας (Fei et al., 2020). Διάφοροι δευτερογενείς μεταβολίτες παίζουν βασικό ρόλο στην υποστήριξη της επιβίωσης των μικροφυκών υπό συνθήκες αβιοτικού στρες, όπως το έντονο φως και η αλατότητα (Elham Nezafatian, 2023). Ακόμη και τα επίπεδα συγκέντρωσης αζώτου, ειδικά στην αρχική καλλιέργεια, έχουν αναφερθεί ότι έχουν αντίκτυπο στον ρυθμό ανάπτυξης, την περιεκτικότητα σε λιπίδια και πρωτεΐνες του Chlorella vulgaris (Metsoviti, 2023). Από την άλλη πλευρά, η σημασία των αμινοξέων στην ανάπτυξη των φυτών και η αντίδρασή τους στο βιοτικό και αβιοτικό στρες έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή τα τελευταία χρόνια. Ως αποτέλεσμα των πιθανών πρακτικών εφαρμογών τους, η μελέτη του μεταβολισμού των αμινοξέων και η λειτουργία τους ως αισθητηριακά, σηματοδοτικά και προστατευτικά μόρια έχει δημιουργήσει ενδιαφέρον τόσο στην βασική όσο και στην εφαρμοσμένη έρευνα φυτολογίας (Ingrisano et al., 2023). Αν και η υπεριώδης ακτινοβολία είναι επιβλαβής για τους οργανισμούς, προκαλώντας βλάβη σε βιολογικά μακρομόρια, ακόμη και στο DNA, τα μικρόβια χρησιμοποιούν στρατηγικές για την αντιμετώπιση της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία, όπως η βιοσύνθεση αντηλιακών για φωτοπροστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία (Pattanaik et al., 2007). Τα αμινοξέα που μοιάζουν με μυκοσπορίνη (MAAs) ανήκουν στην χημική ομάδα των οργανικών αρωματικών αμινοξέων, με μοριακές δομές παρόμοιες με τις μυκοσπορίνες. Είναι υδρόφιλα, χαμηλού μοριακού βάρους έως 400 Da. Μόρια που φέρουν δακτύλιο αμινοκυκλοεξενόνης ή αμινοκυκλοεξιμίνης υποκατεστημένο με άζωτο ή ιμινοαλκοόλη. Η μέγιστη απορρόφησή τους έφτασε μεταξύ 310 nm και 365 nm (Εικ. 1). Συγκεκριμένα, η 4-δεοξυγαδουσόλη, η οποία δρα ως πρόδρομος για τη βιοσύνθεση MAA, έχει κορυφή στα λmax=268 nm, ενώ οι περισσότερες γνωστές MAA μέχρι σήμερα απορροφούν στην περιοχή UV ως εξής: μυκοσπορίνη-γλυκίνη (λmax= 310 nm), παλιθίνη (λmax = 320 nm), μυκοσπορίνη-2-γλυκίνη (λmax= 332 nm), σινορίνη (λmax= 333 nm) και πορφυρίνη-334 (λmax= 334 nm) (Rosic, 2019). Οι MAA παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1960 ως χρωστικές που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία. Το 1976, οι Favre-Bonvin et al. ανέλυσαν έναν μυκητιακό μεταβολίτη που σχετίζεται με την επαγόμενη από το φως σπορίωση και δημοσίευσαν την πρώτη χημική δομή ενός MAA. Έχει αναφερθεί ευρέως ότι διάφοροι μικροοργανισμοί, ιδιαίτερα τα κυανοβακτήρια, μπορούν να συσσωρεύσουν αυτές τις ενώσεις, οι οποίες είναι ικανές να απορροφούν υπεριώδες φως (Řezanka et al., 2004). Παρά την εκτεταμένη έρευνα σχετικά με τα αμινοξέα που μοιάζουν με μυκοσπορίνες στα κυανοβακτήρια και τα θαλάσσια μικροφύκη, η εμφάνισή τους και το βιοσυνθετικό τους δυναμικό στα πράσινα μικροφύκη του γλυκού νερού παραμένουν ελάχιστα τεκμηριωμένα. Η σύνθεση αυτών των ενώσεων είναι πιθανό να συμβαίνει μέσω της σικιμικής οδού, η οποία περιλαμβάνει τη σύνθεση αμινοξέων από αρωματικές ενώσεις. Ωστόσο, ολόκληρη η οδός δεν έχει ακόμη πλήρως ταυτοποιηθεί. Περισσότερες από 30 διαφορετικές χημικές δομές αυτών των ενώσεων έχουν ταυτοποιηθεί σε διαφορετικά προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά, συμπεριλαμβανομένων μυκήτων, ζυμών, κυανοβακτηρίων, κόκκινων μικροφυκών και άλλων θαλάσσιων οργανισμών όπως μακροφύκη και κοράλλια (Oren & Gunde-Cimerman, 2007a). Προηγουμένως πιστευόταν ότι οι ανώτεροι οργανισμοί δεν είχαν αυτήν την οδό και ότι θα συσσώρευαν αυτά τα μόρια από τη διατροφή τους μόνο σε μικρές ποσότητες. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι ορισμένοι ανώτεροι οργανισμοί έχουν γονίδια που εμπλέκονται στη σικιμική οδό. Πολλές φυσικές ενώσεις μυκοσπόρων μπορούν να παραχθούν μέσω διαφόρων όψιμων βιοσυνθετικών σταδίων. Αυτά περιλαμβάνουν την προσθήκη ελεύθερων αμινομάδων στον βασικό μοριακό πυρήνα (Portwich & Garcia-Pichel, 2003).Πέντε στελέχη μικροφυκών ερευνήθηκαν αρχικά για τη βελτιστοποίηση των συνθηκών καλλιέργειάς τους και στη συνέχεια εκτέθηκαν σε διαφορετικούς αβιοτικούς παράγοντες στρες, προκειμένου να αξιολογηθούν οι προσαρμοστικές τους αντιδράσεις μέσω της επαγωγής ενώσεων που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία. Το πράσινο μικροφύκος γλυκού νερού Jaagichlorella luteoviridis (στέλεχος 211/5B) επιλέχθηκε ως πειραματικό μοντέλο και ταυτοποιήθηκε μοριακά χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις κωδικοποίησης DNA. Ελεγχόμενα πειράματα καλλιέργειας διεξήχθησαν υπό τυπικές συνθήκες και σε απόκριση σε διακριτούς αβιοτικούς παράγοντες στρες, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία, το στρες αλατότητας, ο περιορισμός του αζώτου και το θερμικό στρες. Η δυναμική ανάπτυξης των μικροφυκών παρακολουθήθηκε μέσω μετρήσεων βιομάζας, ενώ η επαγωγή ενώσεων που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας φασματοφωτομετρικές και χρωματογραφικές αναλύσεις. Παράλληλα, αξιολογήθηκαν φιλικές προς το περιβάλλον στρατηγικές εκχύλισης για την ευθυγράμμιση της ανάκτησης MAA με τις αρχές της βιώσιμης κατάντη επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι το αβιοτικό στρες δεν αναστέλλει μόνο την ανάπτυξη των μικροφυκών, αλλά μπορεί να λειτουργήσει ως ρυθμιστικό σήμα που ανακατευθύνει τη μεταβολική δραστηριότητα προς τη σύνθεση δευτερογενών μεταβολιτών. Όλες οι εφαρμοζόμενες συνθήκες στρες προκάλεσαν τη βιοσύνθεση περιεχομένου που απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία, με το θερμικό στρες να αναδεικνύεται ως η πιο αποτελεσματική επεξεργασία, οδηγώντας σε αυξημένη συσσώρευση MAA χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση βιομάζας. Τα χρωματογραφικά προφίλ αποκάλυψαν συνεπή πρότυπα εξαρτώμενα από το στρες στην παραγωγή MAA, υποστηρίζοντας την έννοια μιας ρυθμιζόμενης και προβλέψιμης μεταβολικής απόκρισης. Η χρήση πρωτοκόλλων εκχύλισης με βάση το νερό για Επιπλέον, επιβεβαίωσε τη σκοπιμότητα στρατηγικών πράσινης επεξεργασίας για την ανάκτηση MAA.Συνολικά, αυτή η διδακτορική διατριβή παρέχει ένα ολοκληρωμένο πειραματικό και εννοιολογικό πλαίσιο που συνδέει το αβιοτικό στρες, τη φυσιολογία των μικροφυκών και τη βιοσύνθεση MAA. Συνδυάζοντας προσεγγίσεις που βασίζονται στην καλλιέργεια με βιοχημική και ομική συλλογιστική, η μελέτη προωθεί την τρέχουσα κατανόηση των μικροφυκών ως βιώσιμων βιοεργοστασίων φωτοπροστατευτικών ενώσεων και υπογραμμίζει τις δυνατότητές τους για στοχευμένη αξιοποίηση σε μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές.Επιστημονική Συμβολή της μελέτης Αυτή η διδακτορική διατριβή συμβάλλει στον τομέα της βιοτεχνολογίας των μικροφυκών παρέχοντας μια ολοκληρωμένη κατανόηση του πώς οι συνθήκες αβιοτικού στρες ρυθμίζουν τις μεταβολικές και μεταγραφικές αποκρίσεις που οδηγούν στη βιοσύνθεση αμινοξέων τύπου μυκοσπορίνης (MAAs). Συνδυάζοντας ελεγχόμενα πειράματα καλλιέργειας με μοριακή ταυτοποίηση, φυσιολογική παρακολούθηση, φασματοσκοπικές και χρωματογραφικές αναλύσεις, η μελέτη διευκρινίζει τη δυναμική σχέση μεταξύ περιβαλλοντικών παραγόντων στρες και την ενεργοποίηση φωτοπροστατευτικών μεταβολικών οδών. Μια βασική συμβολή αυτής της εργασίας έγκειται στην απόδειξη ότι οι αβιοτικοί παράγοντες στρες, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία, η αλατότητα και το θερμικό στρες, δεν αναστέλλουν απλώς την ανάπτυξη, αλλά μπορούν να λειτουργήσουν ως ρυθμιστικά σήματα που ρυθμίζουν την κατανομή βιομάζας και την παραγωγή δευτερογενών μεταβολιτών. Τα ευρήματα αναδεικνύουν το θερμικό στρες ως έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό επαγωγέα της βιοσύνθεσης MAAs στο Jaagichlorella luteoviridis, συνδέοντας την ενισχυμένη παραγωγή μεταβολιτών με τη διατηρούμενη ή αυξημένη απόδοση βιομάζας. Επιπλέον, η διατριβή προωθεί την τρέχουσα γνώση ενσωματώνοντας τη συλλογιστική που βασίζεται στην ομική με την εφαρμοσμένη βιοχημική ανάλυση, γεφυρώνοντας έτσι τη θεμελιώδη βιολογία των μικροφυκών με πιθανές βιομηχανικές και βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Η βελτιστοποίηση φιλικών προς το περιβάλλον πρωτοκόλλων εκχύλισης ευθυγραμμίζεται με τις αρχές της βιώσιμης κατάντη επεξεργασίας και ενισχύει την εφαρμοσιμότητα των MAAs στους φαρμακευτικούς και καλλυντικούς τομείς. Συνολικά, η παρούσα εργασία θεσπίζει ένα εννοιολογικό και πειραματικό πλαίσιο για την στοχευμένη αξιοποίηση των πράσινων μικροφυκών ως βιώσιμων βιοεργοστασίου φωτοπροστατευτικών ενώσεων υψηλής αξίας, συνεισφέροντας τόσο μεθοδολογικές γνώσεις όσο και προοπτικές προσανατολισμένες στην εφαρμογή στον τομέα.