Carotenoids of snow algae as biomarkers for exobiology: Raman spectroscopic perspective

Abstract

The major aim of this thesis is critical evaluation of Raman spectroscopy in the detection of carotenoids of extremophiles, namely snow algae. Extremophilic microorganisms play an important role in exobiology since they set hypothetical boundaries for the presence of life on Earth. Raman spectroscopy will be a part of two mission to Mars. Here, a laboratory Raman microspectrometer was used for the analysis of 11 samples of snow algae from different locations over the years 2002-2017. The acquired spectra were compared with HPLC/UV-VIS analysis. The results showed that the ability of Raman spectroscopy to discriminate between structurally slightly differing carotenoid pigments or several carotenoids in an admixture is limited. Contrary, HPLC/UV-VIS permitted to detect various structurally similar carotenoids (and chlorophylls). However, HPLC/UV-VIS worked with overall pigment extracts during which some structural information can be lost. Raman microspectrometer allowed analysis of cells in different life-cycle stages and thus several various spectra could be studied. Raman microspectrometer was therefore more suitable for carotenoid detection in mixtures of various life-stages than HPLC/UV-VIS. Key words carotenoids, snow algae, exobiology, habitability, biomarker, Raman spectroscopy, HPLC/UV-VIS

Hlavním cílem této práce je kriticky zhodnotit Ramanovu spektroskopii při detekci karotenoidů extrémofilních sněžných řas. Extrémofilní mikroorganismy určují hypotetické hranice pro život na Zemi, a proto jsou pokládány za analogní organismy pro exobiologii. Ramanova spektroskopie se bude účastnit dvou planetárních misí na Mars s cílem najít život. V této práci, laboratorní Ramanův mikrospektrometr byl využit k analýze 11 vzorků sněžných řas získaných z různých lokací během let 2002-2017. Získaná spektra byla porovnána s výsledky HPLC/UV-VIS analýzy. Schopnost Ramanovy spektroskopie při detekci strukturně podobných karotenoidů nebo směsi více karotenoidů byla značně limitující. HPLC/UV-VIS analýza umožnila detekci i strukturně blízkých pigmentů. HPLC/UV-VIS analýza však vyžaduje celkové extrakty pigmentů, což může zapříčinit ztrátu určitých strukturních informací. Ramanův mikrospektrometr dovoluje detekci na úrovni jednotlivých buněk v různých životních stádií, což se ukázalo jako výhoda při studiu heterogenních vzorků. Klíčová slova karotenoidy, sněžné řasy, exobiologie, obyvatelnost, biomarkery, Ramanova spektrosckopie, HPLC/UV-VIS