Prebiotic DNA replication and analyzing a genetic disorder with thermophoresis

The work presented in this Thesis is divided into three independent parts. Parts I and III are connected by the topic of the Origin of Life. Parts II and III are based on the same biophysical analysis method of microscale thermophoresis (MST). Part I focuses on prebiotic replication of DNA. Different approaches to replicate RNA and DNA under prebiotic conditions are discussed in the introduction. A nonenzymatic DNA replication system is presented as an approaches to a prebiotic replicator. Two DNA strands of 24 bases cross catalyze each other's synthesis from four 12 bases long substrate strands, two of which are in situ activated by a condensing agent 1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimide (EDC). DNA amplified (2.2~\pm~0.5)-fold in 6 hours. Stronger amplification is suppressed by EDC-dependent modification of substrate strands. Detailed kinetic modeling was realized with the system of ordinary differential equations and allowed to understand critical parameters of the reaction. Further research should be focused on finding ways to recycle substrate or to reduce its modification. This could lead to DNA replication and elongation experiments starting from short random DNA strands. Such experiments could be analyzed with next-generation sequencing due to the formation of the natural phosphodiester bonds at the ligation sites. In part II, MST is used to develop a diagnostic assay for α1-antitriypsin (AAT) deficiency disorder working directly in blood plasma. In AAT deficiency, individuals have reduced plasma concentration of AAT, which makes them susceptible to lung emphysema among other symptoms. Surprisingly, concentration of AAT does not correlate with the severity of the symptoms manifestation. In a standard MST approach, the amplitude of the obtained binding curve is not important for the affinity analysis. In an MST-based competition assay introduced in this work, the amplitude of the obtained binding curve is sensitive to both the affinity of AAT binding to its target and the concentration of AAT in plasma. In a proof-of-principle experiment, blood plasma of individuals with AAT deficiency was used to quantify the amplitude. The amplitude showed a better correlation to the severity of the disease status than the concentration of AAT alone, suggesting that AAT affinity to its target is different in different individuals. Direct measurement of AAT affinity to its target in plasma of individuals with strong vs weak manifestation of symptoms showed that affinity was higher in individuals who were only mildly affected. This suggests that plasma composition has an effect on AAT affinity. In part III, experimental systems are developed in order to test the stereochemical theory of the origin of the genetic code. The genetic code defines the assignment of 20 amino acids to their codons. The hypotheses to what determined the assignment have been widely discussed in literature but the question remains one of the experimentally most challenging in the origin of life field. The stereochemical theory states that amino acids have an intrinsic binding affinity towards their cognate codons. This can be tested by directly measuring the interaction between the activated amino acids and RNA structures containing codons. RNA structures were developed based on literature research, and the affinity was measured with the MST method. Proof-of-principle experiments for three RNA structures were performed, and the outline for future work is detailed in the end.Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, besteht aus drei unabhängige Teilen. Die Teile I und III sind durch das Thema des Ursprungs des Lebens verbunden. Die Teile II und III basieren auf der gleichen biophysikalischen Analysemethode der Mikrothermophorese (MST). Teil I konzentriert sich auf die präbiotische Replikation von DNA. Verschiedene Ansätze zur Replikation von RNA und DNA unter präbiotischen Bedingungen werden in der Einführung diskutiert. Ein nonenzymatisches DNA-Replikationssystem wird als einer der möglichen Ansätze für einen präbiotischen Replikator vorgestellt. Zwei DNA-Stränge mit 24 Basen kreuz-katalysieren die gegenseitige Synthese aus vier 12 Basen langen Substratsträngen, von denen zwei in situ durch ein Kondensationsmittel 1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimid (EDC) aktiviert werden. Eine (2.2~\pm~0.5)-fache Amplifikation wird in 6 Stunden erreicht. Eine stärkere Amplifikation wird durch EDC-induzierte Modifikation von Substratsträngen unterdrückt. Ein detailliertes kinetisches Model, das die Modifikationskinetik berücksichtigt, wurde mit einem System von gewöhnlichen Differentialgleichungen realisiert und erlaubte es, kritische Parameter der Reaktion zu verstehen. Weitere Forschungsarbeiten sollten sich darauf konzentrieren, Wege zu finden, wie das Substrat wiederverwendet werden kann oder wie seine Modifikation reduziert werden kann. Dies könnte zu DNA-Replikations- und Verlängerungsexperimenten führen, die von kurzen zufälligen DNA-Strängen ausgehen. Solche Experimente könnten mit next-generation Sequenzierung analysiert werden, da die nativen Phosphodiesterbindungen an den Bindungsstellen entstehen. In Teil II wird MST verwendet, um einen diagnostischen Assay für α-Antitriypsin (AAT)-Mangel zu entwickeln, der direkt im Blutplasma funktioniert. Bei AAT-Mangel haben Einzelpersonen eine reduzierte Plasmakonzentration von AAT, was sie unter anderem anfällig für Lungenemphyseme macht. Überraschenderweise korreliert die Konzentration von AAT nicht mit dem Ausmass der Symptome. Bei einem Standard-MST-Ansatz ist die Amplitude der erhaltenen Bindungskurve für die Affinitätsanalyse nicht wichtig. In einem in dieser Arbeit vorgestellten MST-basierten kompetitiven Assay hängt die Amplitude der erhaltenen Bindungskurve sowohl von der Affinität der AAT-Bindung an ihr Target als auch von der Konzentration von AAT ab. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde das Blutplasma von Individuen mit AAT-Mangel zur Quantifizierung der Amplitude verwendet. Die Amplitude zeigte eine bessere Korrelation mit dem Ausmaß des Krankheitszustandes als die Konzentration von AAT allein, was darauf hindeutet, dass die Affinität von AAT zu seinem Target bei verschiedenen Individuen unterschiedlich ist. Die direkte Messung der AAT-Affinität zu ihrem Target im Plasma von Individuen mit starker vs. schwacher Manifestation der Symptome zeigte, dass die Affinität bei Individuen, die nur leicht betroffen waren, höher war. Dies deutet darauf hin, dass die Plasmazusammensetzung einen Einfluss auf die AAT-Affinität hat. In Teil III werden experimentelle Systeme entwickelt, um die stereochemische Theorie der Herkunft des genetischen Codes zu testen. Der genetische Code definiert die Zuordnung von 20 Aminosäuren zu ihren Codons. Die Hypothesen darüber, was die Zuordnung bestimmt hat, wurden in der Literatur ausführlich diskutiert, aber die Frage bleibt eine der experimentell anspruchsvollsten im Bereich des Ursprungs des Lebens. Die stereochemische Theorie besagt, dass Aminosäuren eine intrinsische Bindungsaffinität zu ihren Codons haben. Dies kann durch direkte Messung der Wechselwirkung zwischen den aktivierten Aminosäuren und codonhaltigen RNA-Strukturen getestet werden. Auf der Grundlage der Literaturrecherche wurden RNA-Strukturen entwickelt und die Affinität mit der MST-Methode gemessen. Proof-of-Principle-Experimente für drei RNA-Strukturen wurden durchgeführt, und ein Ansatz für die zukünftige Arbeit wird am Ende detailliert diskutiert

Prebiotic DNA replication and analyzing a genetic disorder with thermophoresis

The work presented in this Thesis is divided into three independent parts. Parts I and III are connected by the topic of the Origin of Life. Parts II and III are based on the same biophysical analysis method of microscale thermophoresis (MST). Part I focuses on prebiotic replication of DNA. Different approaches to replicate RNA and DNA under prebiotic conditions are discussed in the introduction. A nonenzymatic DNA replication system is presented as an approaches to a prebiotic replicator. Two DNA strands of 24 bases cross catalyze each other's synthesis from four 12 bases long substrate strands, two of which are in situ activated by a condensing agent 1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimide (EDC). DNA amplified (2.2~\pm~0.5)-fold in 6 hours. Stronger amplification is suppressed by EDC-dependent modification of substrate strands. Detailed kinetic modeling was realized with the system of ordinary differential equations and allowed to understand critical parameters of the reaction. Further research should be focused on finding ways to recycle substrate or to reduce its modification. This could lead to DNA replication and elongation experiments starting from short random DNA strands. Such experiments could be analyzed with next-generation sequencing due to the formation of the natural phosphodiester bonds at the ligation sites. In part II, MST is used to develop a diagnostic assay for α1-antitriypsin (AAT) deficiency disorder working directly in blood plasma. In AAT deficiency, individuals have reduced plasma concentration of AAT, which makes them susceptible to lung emphysema among other symptoms. Surprisingly, concentration of AAT does not correlate with the severity of the symptoms manifestation. In a standard MST approach, the amplitude of the obtained binding curve is not important for the affinity analysis. In an MST-based competition assay introduced in this work, the amplitude of the obtained binding curve is sensitive to both the affinity of AAT binding to its target and the concentration of AAT in plasma. In a proof-of-principle experiment, blood plasma of individuals with AAT deficiency was used to quantify the amplitude. The amplitude showed a better correlation to the severity of the disease status than the concentration of AAT alone, suggesting that AAT affinity to its target is different in different individuals. Direct measurement of AAT affinity to its target in plasma of individuals with strong vs weak manifestation of symptoms showed that affinity was higher in individuals who were only mildly affected. This suggests that plasma composition has an effect on AAT affinity. In part III, experimental systems are developed in order to test the stereochemical theory of the origin of the genetic code. The genetic code defines the assignment of 20 amino acids to their codons. The hypotheses to what determined the assignment have been widely discussed in literature but the question remains one of the experimentally most challenging in the origin of life field. The stereochemical theory states that amino acids have an intrinsic binding affinity towards their cognate codons. This can be tested by directly measuring the interaction between the activated amino acids and RNA structures containing codons. RNA structures were developed based on literature research, and the affinity was measured with the MST method. Proof-of-principle experiments for three RNA structures were performed, and the outline for future work is detailed in the end.Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, besteht aus drei unabhängige Teilen. Die Teile I und III sind durch das Thema des Ursprungs des Lebens verbunden. Die Teile II und III basieren auf der gleichen biophysikalischen Analysemethode der Mikrothermophorese (MST). Teil I konzentriert sich auf die präbiotische Replikation von DNA. Verschiedene Ansätze zur Replikation von RNA und DNA unter präbiotischen Bedingungen werden in der Einführung diskutiert. Ein nonenzymatisches DNA-Replikationssystem wird als einer der möglichen Ansätze für einen präbiotischen Replikator vorgestellt. Zwei DNA-Stränge mit 24 Basen kreuz-katalysieren die gegenseitige Synthese aus vier 12 Basen langen Substratsträngen, von denen zwei in situ durch ein Kondensationsmittel 1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimid (EDC) aktiviert werden. Eine (2.2~\pm~0.5)-fache Amplifikation wird in 6 Stunden erreicht. Eine stärkere Amplifikation wird durch EDC-induzierte Modifikation von Substratsträngen unterdrückt. Ein detailliertes kinetisches Model, das die Modifikationskinetik berücksichtigt, wurde mit einem System von gewöhnlichen Differentialgleichungen realisiert und erlaubte es, kritische Parameter der Reaktion zu verstehen. Weitere Forschungsarbeiten sollten sich darauf konzentrieren, Wege zu finden, wie das Substrat wiederverwendet werden kann oder wie seine Modifikation reduziert werden kann. Dies könnte zu DNA-Replikations- und Verlängerungsexperimenten führen, die von kurzen zufälligen DNA-Strängen ausgehen. Solche Experimente könnten mit next-generation Sequenzierung analysiert werden, da die nativen Phosphodiesterbindungen an den Bindungsstellen entstehen. In Teil II wird MST verwendet, um einen diagnostischen Assay für α-Antitriypsin (AAT)-Mangel zu entwickeln, der direkt im Blutplasma funktioniert. Bei AAT-Mangel haben Einzelpersonen eine reduzierte Plasmakonzentration von AAT, was sie unter anderem anfällig für Lungenemphyseme macht. Überraschenderweise korreliert die Konzentration von AAT nicht mit dem Ausmass der Symptome. Bei einem Standard-MST-Ansatz ist die Amplitude der erhaltenen Bindungskurve für die Affinitätsanalyse nicht wichtig. In einem in dieser Arbeit vorgestellten MST-basierten kompetitiven Assay hängt die Amplitude der erhaltenen Bindungskurve sowohl von der Affinität der AAT-Bindung an ihr Target als auch von der Konzentration von AAT ab. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde das Blutplasma von Individuen mit AAT-Mangel zur Quantifizierung der Amplitude verwendet. Die Amplitude zeigte eine bessere Korrelation mit dem Ausmaß des Krankheitszustandes als die Konzentration von AAT allein, was darauf hindeutet, dass die Affinität von AAT zu seinem Target bei verschiedenen Individuen unterschiedlich ist. Die direkte Messung der AAT-Affinität zu ihrem Target im Plasma von Individuen mit starker vs. schwacher Manifestation der Symptome zeigte, dass die Affinität bei Individuen, die nur leicht betroffen waren, höher war. Dies deutet darauf hin, dass die Plasmazusammensetzung einen Einfluss auf die AAT-Affinität hat. In Teil III werden experimentelle Systeme entwickelt, um die stereochemische Theorie der Herkunft des genetischen Codes zu testen. Der genetische Code definiert die Zuordnung von 20 Aminosäuren zu ihren Codons. Die Hypothesen darüber, was die Zuordnung bestimmt hat, wurden in der Literatur ausführlich diskutiert, aber die Frage bleibt eine der experimentell anspruchsvollsten im Bereich des Ursprungs des Lebens. Die stereochemische Theorie besagt, dass Aminosäuren eine intrinsische Bindungsaffinität zu ihren Codons haben. Dies kann durch direkte Messung der Wechselwirkung zwischen den aktivierten Aminosäuren und codonhaltigen RNA-Strukturen getestet werden. Auf der Grundlage der Literaturrecherche wurden RNA-Strukturen entwickelt und die Affinität mit der MST-Methode gemessen. Proof-of-Principle-Experimente für drei RNA-Strukturen wurden durchgeführt, und ein Ansatz für die zukünftige Arbeit wird am Ende detailliert diskutiert

Concept of the governmental informational politics in modern conditions

Розглянуто різні визначення поняття «державна інформаційна політика» в науковій літературі та правових актах. Висвітлюються концептуальні засади державної інформаційної політики. Досліджується вплив інформації на демократичні процеси у державі в період модернізації політичної системи України. Термін «інформаційне суспільство» вказує на те, що інформація на даний час є пріоритетним ресурсом у суспільстві. Інформація може бути використана політиками по-різному і в різних сферах своїх повноважень (з метою перемоги на виборах, мобілізації громадян, пояснення причин або, навпаки, з метою приховати реальні причини соціальних проблем і т.д.). Посилення ролі інформації в суспільстві викликало розвиток інформаційної політики, її формування, визначення цілей, основні напрямки її реалізації та вплив державної інформаційної політики на політичний, економічний і соціальний розвиток країни в період модернізації політичної системи України. Проблема державної інформаційної політики сьогодні є дискусійною, створює попит на дослідження цієї галузі. Актуальність теми обумовлена тим, що Україна знаходиться на етапі становлення та розвитку інформаційного суспільства, включена в процеси інтеграції в світове інформаційне співтовариство. В українській державі вільний доступ громадян до інформації визначений як одне з пріоритетних завдань. Державна інформаційна політика – це квінтесенція зусиль держави, спрямованих на формування свідомості громадян для об’єднання прагнень спрямованих на зміцнення країни, політичних і громадських інститутів, які формують основи держави.Розглянуто різні визначення поняття «державна інформаційна політика» в науковій літературі та правових актах. Висвітлюються концептуальні засади державної інформаційної політики. Досліджується вплив інформації на демократичні процеси у державі в період модернізації політичної системи України. Термін «інформаційне суспільство» вказує на те, що інформація на даний час є пріоритетним ресурсом у суспільстві. Інформація може бути використана політиками по-різному і в різних сферах своїх повноважень (з метою перемоги на виборах, мобілізації громадян, пояснення причин або, навпаки, з метою приховати реальні причини соціальних проблем і т.д.). Посилення ролі інформації в суспільстві викликало розвиток інформаційної політики, її формування, визначення цілей, основні напрямки її реалізації та вплив державної інформаційної політики на політичний, економічний і соціальний розвиток країни в період модернізації політичної системи України. Проблема державної інформаційної політики сьогодні є дискусійною, створює попит на дослідження цієї галузі. Актуальність теми обумовлена тим, що Україна знаходиться на етапі становлення та розвитку інформаційного суспільства, включена в процеси інтеграції в світове інформаційне співтовариство. В українській державі вільний доступ громадян до інформації визначений як одне з пріоритетних завдань. Державна інформаційна політика – це квінтесенція зусиль держави, спрямованих на формування свідомості громадян для об’єднання прагнень спрямованих на зміцнення країни, політичних і громадських інститутів, які формують основи держави.The definition of the «governmental informational politics» was viewed in the scientific literature and the legal acts. The influence of the information on the democratic processes in the country during the period of modernization of the political system of Ukraine is studied. The term «informational society» indicates that information nowadays is the first-priority resource. Information can be used by the political parties in different ways and with different scopes (with the scope of winning the elections, mobilization of citizens, their education, explanation of reasons or, on the contrary, aiming to hide the real reasons of the social problems etc.). Reinforcement of the role of information in the society caused development of the informational politics, its formation, definition of its goals, the main directions of its realization and influence of the governmental politics on the political, economic and social development of the country in the period of modernization of the political system of Ukraine. The problem of governmental politics today is widely discussed and creates a demand for research in this field. The actuality of this topic is mainly caused by the fact that Ukraine now is at the stage of formation and development of the informational society and is included in the processes of integration into the world’s informational community. Free access of the citizens to information in Ukraine is defined as one of the priority goals. Governmental informational politics is a quintessence of the country’s efforts directed on the formation of the conscience of the citizens and unification of these efforts directed on reinforcement of the country and its political and civil institutes that form country’s foundation

Water-soluble hybrid materials based on {Mo₆X₈}⁴⁺ (X = Cl, Br, I) cluster complexes and sodium polystyrene sulfonate

Development of water-soluble forms of octahedral molybdenum clusters {Mo₆X₈}⁴⁺ (X = Cl, Br, I) is strongly motivated by the tremendous potential that these complexes have for biological applications, namely as agents for bioimaging and photodynamic therapy. In these work we report the first water-soluble hybrid materials, which represent sodium polystyrene sulfonate doped by molybdenum clusters, and evaluation of their photophysical and biological properties (dark and photoinduced cytotoxicity and cellular uptake) with the use of cervical cancer (HeLa) and human epidermoid larynx carcinoma (Hep-2) cell-lines as models

Performance analysis of kinetic Monte Carlo algorithms for synthesis of linear polymers

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Human-robot collaborative task planning using anticipatory brain responses

Human-robot interaction (HRI) describes scenarios in which both human and robot work as partners, sharing the same environment or complementing each other on a joint task. HRI is characterized by the need for high adaptability and flexibility of robotic systems toward their human interaction partners. One of the major challenges in HRI is task planning with dynamic subtask assignment, which is particularly challenging when subtask choices of the human are not readily accessible by the robot. In the present work, we explore the feasibility of using electroencephalogram (EEG) based neuro-cognitive measures for online robot learning of dynamic subtask assignment. To this end, we demonstrate in an experimental human subject study, featuring a joint HRI task with a UR10 robotic manipulator, the presence of EEG measures indicative of a human partner anticipating a takeover situation from human to robot or vice-versa. The present work further proposes a reinforcement learning based algorithm employing these measures as a neuronal feedback signal from the human to the robot for dynamic learning of subtask-assignment. The efficacy of this algorithm is validated in a simulation-based study. The simulation results reveal that even with relatively low decoding accuracies, successful robot learning of subtask-assignment is feasible, with around 80% choice accuracy among four subtasks within 17 minutes of collaboration. The simulation results further reveal that scalability to more subtasks is feasible and mainly accompanied with longer robot learning times. These findings demonstrate the usability of EEG-based neuro-cognitive measures to mediate the complex and largely unsolved problem of human-robot collaborative task planning

Pushing forward the predictive power of kinetic Monte Carlo simulations for detailed (de)polymerization chemistries

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How intramolecular hydrogen bonding (IHB) controls the C-ON bond homolysis in alkoxyamines

International audienceRecent amazing results (Nkolo et al., Org. Biomol. Chem., 2017, 6167) on the effect of solvents and polarity on the C-ON bond homolysis rate constants kd of alkoxyamine R1R2NOR3 led us to re-investigate the antagonistic effect of intramolecular hydrogen-bonding (IHB) on kd. Here, IHB is investigated both in the nitroxyl fragment R1R2NO and in the alkyl fragment R-3, as well as between fragments, that is, the donating group on the alkyl fragment and the accepting group on the nitroxyl fragment, and conversely. It appears that IHB between fragments (inter IHB) strikingly decreases the homolysis rate constant kd, whereas IHB within the fragment (intra IHB) moderately increases kd. For one alkoxyamine, the simultaneous occurrence of IHB within the nitroxyl fragment and between fragments is reported. The protonation effect is weaker in the presence than in the absence of IHB. A moderate solvent effect is also observed

220th ENMC workshop: Dystroglycan and the dystroglycanopathies Naarden, The Netherlands, 27–29 May 2016

Highlights • Review of clinical phenotypes associated with the dystroglycanopathies. • Discussion of current animal models and their contribution to understanding the disease process. • New insight into the glycosylation of alpha dystroglycan and the role of LARGE. • Structural information on the LARGE glycan