MALDI-MS Analysis of Biomarkers in Phytoplankton

Díaz Sánchez, Luis Miguel

MALDI-MS Analysis of Biomarkers in Phytoplankton

dc.contributor.advisor	Combariza Montañez, Marianny Yajaira
dc.contributor.advisor	Blanco Tirado, Cristian
dc.contributor.author	Díaz Sánchez, Luis Miguel
dc.contributor.evaluator	Chacón Patiño, Martha Liliana
dc.contributor.evaluator	Espinosa Díaz, Luisa Fernanda
dc.contributor.evaluator	Daza Espinosa, Martha Cecilia
dc.contributor.evaluator	Mejía Ospino, Enrique
dc.contributor.evaluator	Hidalgo Bucheli, William Fernando
dc.date.accessioned	2025-03-03T13:42:23Z
dc.date.available	2025-03-03T13:42:23Z
dc.date.created	2025-02-06
dc.date.issued	2025-02-06
dc.description.abstract	El fitoplancton, conjunto de microorganismos acuáticos autótrofos, desempeña un papel crucial en los ecosistemas marinos y de agua dulce al fijar casi el 40% del CO₂ atmosférico y generar gran parte del oxígeno molecular terrestre. Estas comunidades son fundamentales tanto para el ciclo del carbono como para la red trófica acuática, y su monitoreo es esencial para evaluar la salud de los ecosistemas y la disponibilidad de alimento en los niveles tróficos superiores. Si bien existen métodos establecidos para analizar extractos de fitoplancton, muchos estudios concuerdan que los largos procedimientos analíticos pueden provocar la descomposición de los biomarcadores, la no detección de compuestos presentes en bajas concentraciones y la co-elución de compuestos en técnicas se separación como la cromatografía. La tesis doctoral abordó estos problemas mediante el uso de procesos de transferencia electrónica (ET) en espectrometría de masas MALDI. Los procesos de ET en MALDI garantizan la sobrevivencia de los iones moleculares en fase gaseosa de moléculas lábiles y termoinestables con bajos valores de energía de ionización, comparados con la Ei de la matriz empleada (DCTB, Ei: 8.54 eV) como pigmentos de tipo clorofila y carotenoide (Ei: 6.2 – 7.2 eV), biomarcadores de fitoplancton. En la investigación se desarrolló una metodología para analizar pigmentos en extractos de fitoplancton utilizando ET-MALDI-MS. Este método permite la detección eficiente de biomarcadores en un tiempo significativamente más corto, de ca., 60 min a tan solo unos segundos para la toma de datos y con un menor consumo de solventes en comparación con técnicas establecidas como HPLC. Además, se determinó la influencia de las técnicas de extracción sobre el perfil pigmentario obtenido en MALDI-MS, evaluando células intactas y cloroplastos aislados de microalgas modelo, junto con extractos obtenidos con diferente polaridad. Se encontró que la metodología MALDI permite medir el perfil pigmentario de las células de fitoplancton incluso sin tratamiento previo. Esto no solo ofrece un enfoque más eficiente y sensible, sino que también abre posibilidades para la identificación quimiotaxonómica y el monitoreo de biomarcadores en ecosistemas acuáticos, contribuyendo a su comprensión y conservación. La investigación también estudió la influencia de distintos analizadores de masas (TOF y FT-ICR de 21 Teslas) sobre el perfil de pigmentos de la microalga modelo Chorella vulgaris. De acuerdo con la bibliografía científica consultada, este es el primer reporte de pigmentos de C. vulgaris mediante ultra alta resolución (UHR) FT-ICR MS. Los experimentos con 21T FT-ICR permitieron identificar todas las especies ionizables presentes en la muestra. Se identificaron 2992 compuestos diferentes, destacándose especies nitrogenadas N4Oo (o=0-6) y oxigenadas Oo (o=2-7), atribuidas a la presencia clorofilas, carotenoides y lípidos en las células. Finalmente, la tesis doctoral evaluó la eficacia de la metodología MALDI-MS para identificar biomarcadores en muestras reales de fitoplancton colectadas en la Ciénaga Grande de Santa Marta (CGSM). La investigación incluyó muestras de diferentes estaciones de muestreo y epocas del año, permitiendo una evaluación amplia de la composición molecular en entornos de agua dulce y puntos de conexión con el mar Caribe. El uso de MALDI-MS permitió identificar biomarcadores específicos que fueron correlacionados con las variables oceanográficas medidas en los puntos de muestro, y detectar cianotoxinas como anabaenopeptinas y micropeptinas, propias de cianobacterias Anabaena y Microcystis, reportadas previamente en la CGSM mediante análisis taxonómico. Los perfiles pigmentarios del fitoplancton brindan información valiosa sobre la adaptación de sus comunidades a cambios ambientales, proporcionando una herramienta robusta para el monitoreo ambiental y contribuyendo a la gestión sostenible de ecosistemas acuáticos.
dc.description.abstractenglish	Phytoplankton, a group of autotrophic aquatic microorganisms, plays a crucial role in marine and freshwater ecosystems by fixing nearly 40% of atmospheric CO₂ and generating a significant portion of the Earth's molecular oxygen. These communities are fundamental to both the carbon cycle and the aquatic food web, making their monitoring essential for assessing ecosystem health and the availability of food at higher trophic levels. While established methods exist for analyzing phytoplankton extracts, many studies agree that lengthy analytical procedures can lead to biomarker degradation, failure to detect compounds present in low concentrations, and co-elution of compounds in separation techniques such as chromatography. This doctoral thesis addressed these issues by utilizing electron transfer (ET) processes in MALDI mass spectrometry. ET processes in MALDI ensure the survival of gas-phase molecular ions of labile and thermally unstable molecules with low ionization energy (Ei) values, compared to the Ei of the matrix used (DCTB, Ei: 8.54 eV), such as chlorophyll- and carotenoid-type pigments (Ei: 6.2 – 7.2 eV), which serve as phytoplankton biomarkers. The research developed a methodology for analyzing pigments in phytoplankton extracts using ET-MALDI-MS. This method allows for efficient biomarker detection in a significantly shorter time, reducing data acquisition from approximately 60 minutes to just a few seconds while also lowering solvent consumption compared to established techniques such as HPLC. Additionally, the study examined the influence of extraction techniques on the pigment profile obtained via MALDI-MS, evaluating intact cells and isolated chloroplasts from model microalgae, as well as extracts obtained with different polarities. It was found that the MALDI methodology enables the measurement of the phytoplankton pigment profile even without prior treatment. This not only provides a more efficient and sensitive approach but also opens possibilities for chemotaxonomic identification and biomarker monitoring in aquatic ecosystems, contributing to their understanding and conservation. The research also investigated the impact of different mass analyzers (TOF and 21-Tesla FT-ICR) on the pigment profile of the model microalga Chlorella vulgaris. According to the scientific literature reviewed, this is the first report of C. vulgaris pigments using ultra-high-resolution (UHR) FT-ICR MS. Experiments with 21T FT-ICR allowed for the identification of all ionizable species present in the sample. A total of 2,992 different compounds were identified, highlighting nitrogenated species N4Oo (o=0-6) and oxygenated species Oo (o=2-7), which were attributed to the presence of chlorophylls, carotenoids, and lipids in the cells. Finally, the doctoral thesis evaluated the effectiveness of the MALDI-MS methodology for identifying biomarkers in real phytoplankton samples collected from the Ciénaga Grande de Santa Marta (CGSM). The study included samples from different sampling stations and seasons, allowing for a broad evaluation of molecular composition in freshwater environments and connection points with the Caribbean Sea. The use of MALDI-MS enabled the identification of specific biomarkers correlated with oceanographic variables measured at the sampling points and the detection of cyanotoxins such as anabaenopeptins and micropeptins, characteristic of Anabaena and Microcystis cyanobacteria, previously reported in the CGSM through taxonomic analysis. Phytoplankton pigment profiles provide valuable insights into community adaptation to environmental changes, offering a robust tool for environmental monitoring and contributing to the sustainable management of aquatic ecosystems.
dc.description.cvlac	https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001608395
dc.description.degreelevel	Doctorado
dc.description.degreename	Doctor en Química
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dc.description.orcid	https://orcid.org/0000-0002-2748-9374
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.instname	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponame	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourl	https://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.uri	https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/45176
dc.language.iso	eng
dc.publisher	Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty	Facultad de Ciencias
dc.publisher.program	Doctorado en Química
dc.publisher.school	Escuela de Química
dc.rights	info:eu-repo/semantics/openAccess
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dc.rights.coar	http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.license	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia (CC BY-NC-ND 2.5 CO)
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Pigmentos fotoprotectores
dc.subject	Pigmentos fotosintéticos
dc.subject	Microalgas
dc.subject	Clorofilas
dc.subject	Carotenoides
dc.subject	Toxinas
dc.subject	Cianobacterias
dc.subject	Ionización por transferencia de electrones
dc.subject	Desorción- ionización láser asistida por matriz
dc.subject	MALDI
dc.subject	Espectrometría de masas
dc.subject	Ultra-Alta-Resolución
dc.subject	FT- ICR MS
dc.subject.keyword	Photoprotective Pigments
dc.subject.keyword	Photosynthetic Pigments
dc.subject.keyword	Microalgae
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dc.subject.keyword	Carotenoids
dc.subject.keyword	Toxins
dc.subject.keyword	Cyanobacteria
dc.subject.keyword	Electron Transfer Ionization
dc.subject.keyword	Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization
dc.subject.keyword	MALDI
dc.subject.keyword	Mass Spectrometry
dc.subject.keyword	Ultra-High-Resolution
dc.subject.keyword	FT-ICR MS
dc.title	MALDI-MS Analysis of Biomarkers in Phytoplankton
dc.title.english	Análisis MALDI-MS de Biomarcadores en Fitoplancton
dc.type.coar	http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.hasversion	http://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.local	Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado