Accumulation, gelation, and crystallization of prebiotic molecules in a thermal gradient and deep UV circular dichroism

Der Ort an dem das Leben entstanden ist hat die physikalischen Randbedingungen, unter denen sich die ersten replizierenden Systeme entwickelten, definiert. Dabei waren Nichtgleichgewichtssysteme notwendig, welche die Energie lieferten um diese anzutreiben. Eine solche Form von Nichtgleichgewicht stellen beispielsweise Temperaturgradienten dar, wie sie in porösem Gestein in hydrothermalen Quellen am Meeresboden möglich sind. Diese Arbeit behandelt die Auswirkungen von solchen Temperaturgradienten auf Moleküle in Lösung und die Frage wie man diese analysieren kann. Im ersten Teil wird dabei die Akkumulation von selbstkomplementären Oligonukleotiden in einer thermischen Falle demonstriert. Die dabei stattfindende längenselektive Akkumulation führt zur Entstehung von Hydrogelen aus DNA in Lösung, ohne dabei Kondensationsmittel oder multivalente Ionen zu benötigen. Dieser Gelierungsprozess wird für DNA mit zwei oder drei selbstkomplementären Bindungsstellen und einer Länge von lediglich 24 Basen gezeigt. Kontrollversuche zeigen dabei, dass nicht-komplementäre DNA in Lösung bleibt und dass der Prozess nicht von der Interaktion der DNA mit Fluoreszenzfarbstoffen dominiert wird. Zwei selbstkomplementäre Stränge mit zueinander orthogonalen Sequenzen, also einer minimalen Komplementarität, bilden im Experiment sequenzreine Hydrogele Im zweiten Teil wird die Akkumulation von Molekülen an Gas-Wasser-Grenzflächen in einem Temperaturgradienten gezeigt. In diesem System führt die lokale Verdunstung von Wasser an der warmen Seite der Grenzfläche zu einer Kapillarströmung hin zum Meniskus. Dies führt zu einer Akkumulation von Molekülen, welche eine mehr als 1000-fache Konzentration erreichen. Dieser Mechanismus akkumuliert größere Moleküle und daher auch längere Polymere besser. An dieser Grenzfläche kommt es zu einer stark erhöhten Aktivität des Hammerhead Ribozyms, da sowohl Oligonukleotide als auch das für die Aktivität wichtige Magnesium akkumuliert werden. Außerdem kommt es auch hier zur Gelierung selbstkomplementärer RNA sowie zum Einschluss von Molekülen in Vesikelclustern, zur Kristallisation von Ribose Aminooxazolin und zu einer gesteigerten Phosphorylierung von Nukleotiden. Eine vollständige Simulation des Akkumulationsmechanismus bestätigt die Ergebnisse. Der dritte Teil beschreibt den Aufbau eines Circulardichroismus-Mikroskops (CDIM) im UV-Bereich. Ziel war es, den Circulardichroismus (CD) von präbiotischen Molekülen, wie etwa dem Vorprodukt von RNA Nukleotiden---Ribose Aminooxazolin---zu untersuchen und gleichzeitig dessen Akkumulation und eventuelle Kristallisation zu beobachten. In diesem Kapitel wird dabei die experimentelle Realisierung des CDIM gezeigt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht mittels einem gepulsten UV-Laser und einem photoelastischen Modulator. Messungen von Proben mit einem bekannten CD wurden zur Kalibrierung des Systems verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das CDIM eingeschränkt verwendet werden kann, um das Vorzeichen des CD einer Probe in Wasser zu bestimmen. Weitere Experimente sind jedoch notwendig um Artefakte auszuschließen und zu zeigen, ob man das System mit thermischen Fallen kombinieren kann.The location at which life emerged on Earth defined the physical boundary conditions under which the first replicating systems evolved. Nonequilibrium systems were necessary to provide the energy driving these processes. One such nonequilibrium system could have been temperature gradients, found for example across porous rock in hydrothermal vents. The work presented here focuses on the effects of temperature gradients on molecules in these water-filled micro-compartments and on methods how they could be analyzed. In the first part of this thesis, the accumulation of self-complementary oligonucleotides in a thermal trap is demonstrated. The length-selective accumulation in this system is used to create hydrogels from DNA in solution without the use of condensing agents or multivalent ions. This gelation process is demonstrated for DNA with two and three self-complementary binding sites and strands as short as 24mers. Control experiments show that non-complementary DNA stays in solution and that the process is not dominated by the interaction of DNA with fluorescent dyes. Two self-complementary strands with orthogonal sequences, i.e. a minimal sequence overlap, form pure hydrogels when accumulated together. In part two, the accumulation of molecules at gas-water interfaces in a temperature gradient is demonstrated. In this system, the local evaporation of water at the warm side of the interface leads to a capillary flow towards the meniscus and therefore an accumulation of molecules in this area, reaching a more than 1000-fold concentration increase. This mechanism is length-dependent, accumulating larger molecules better. At the interface, the activity of the Hammerhead ribozyme strongly increases due to the combined accumulation of oligomers and magnesium. In addition, the accumulation can trigger the gelation of self-complementary RNA, the encapsulation of molecules in vesicle clusters, the crystallization of ribose aminooxazoline, and the enhanced phosphorylation of nucleotides. A full simulation of the accumulation mechanism confirms these results. The third part describes the implementation of a circular dichroism imaging microscope (CDIM) in deep UV. The aim was to study the circular dichroism (CD) of prebiotic molecules such as the RNA precursor ribose aminooxazoline, while simultaneously observing its accumulation and possible crystallization. In this part, the experimental realization of the CDIM is shown, with a focus on the mechanisms to create circularly polarized light from a pulsed UV laser using a photoelastic modulator. Measurements of samples with a known CD were used to calibrate the system. The results show that the system might be used to determine the sign of the CD of a sample in water. However, further experiments are necessary to exclude measurement artifacts and investigate if the system can be combined with thermal traps

Accumulation, gelation, and crystallization of prebiotic molecules in a thermal gradient and deep UV circular dichroism

Der Ort an dem das Leben entstanden ist hat die physikalischen Randbedingungen, unter denen sich die ersten replizierenden Systeme entwickelten, definiert. Dabei waren Nichtgleichgewichtssysteme notwendig, welche die Energie lieferten um diese anzutreiben. Eine solche Form von Nichtgleichgewicht stellen beispielsweise Temperaturgradienten dar, wie sie in porösem Gestein in hydrothermalen Quellen am Meeresboden möglich sind. Diese Arbeit behandelt die Auswirkungen von solchen Temperaturgradienten auf Moleküle in Lösung und die Frage wie man diese analysieren kann. Im ersten Teil wird dabei die Akkumulation von selbstkomplementären Oligonukleotiden in einer thermischen Falle demonstriert. Die dabei stattfindende längenselektive Akkumulation führt zur Entstehung von Hydrogelen aus DNA in Lösung, ohne dabei Kondensationsmittel oder multivalente Ionen zu benötigen. Dieser Gelierungsprozess wird für DNA mit zwei oder drei selbstkomplementären Bindungsstellen und einer Länge von lediglich 24 Basen gezeigt. Kontrollversuche zeigen dabei, dass nicht-komplementäre DNA in Lösung bleibt und dass der Prozess nicht von der Interaktion der DNA mit Fluoreszenzfarbstoffen dominiert wird. Zwei selbstkomplementäre Stränge mit zueinander orthogonalen Sequenzen, also einer minimalen Komplementarität, bilden im Experiment sequenzreine Hydrogele Im zweiten Teil wird die Akkumulation von Molekülen an Gas-Wasser-Grenzflächen in einem Temperaturgradienten gezeigt. In diesem System führt die lokale Verdunstung von Wasser an der warmen Seite der Grenzfläche zu einer Kapillarströmung hin zum Meniskus. Dies führt zu einer Akkumulation von Molekülen, welche eine mehr als 1000-fache Konzentration erreichen. Dieser Mechanismus akkumuliert größere Moleküle und daher auch längere Polymere besser. An dieser Grenzfläche kommt es zu einer stark erhöhten Aktivität des Hammerhead Ribozyms, da sowohl Oligonukleotide als auch das für die Aktivität wichtige Magnesium akkumuliert werden. Außerdem kommt es auch hier zur Gelierung selbstkomplementärer RNA sowie zum Einschluss von Molekülen in Vesikelclustern, zur Kristallisation von Ribose Aminooxazolin und zu einer gesteigerten Phosphorylierung von Nukleotiden. Eine vollständige Simulation des Akkumulationsmechanismus bestätigt die Ergebnisse. Der dritte Teil beschreibt den Aufbau eines Circulardichroismus-Mikroskops (CDIM) im UV-Bereich. Ziel war es, den Circulardichroismus (CD) von präbiotischen Molekülen, wie etwa dem Vorprodukt von RNA Nukleotiden---Ribose Aminooxazolin---zu untersuchen und gleichzeitig dessen Akkumulation und eventuelle Kristallisation zu beobachten. In diesem Kapitel wird dabei die experimentelle Realisierung des CDIM gezeigt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht mittels einem gepulsten UV-Laser und einem photoelastischen Modulator. Messungen von Proben mit einem bekannten CD wurden zur Kalibrierung des Systems verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das CDIM eingeschränkt verwendet werden kann, um das Vorzeichen des CD einer Probe in Wasser zu bestimmen. Weitere Experimente sind jedoch notwendig um Artefakte auszuschließen und zu zeigen, ob man das System mit thermischen Fallen kombinieren kann.The location at which life emerged on Earth defined the physical boundary conditions under which the first replicating systems evolved. Nonequilibrium systems were necessary to provide the energy driving these processes. One such nonequilibrium system could have been temperature gradients, found for example across porous rock in hydrothermal vents. The work presented here focuses on the effects of temperature gradients on molecules in these water-filled micro-compartments and on methods how they could be analyzed. In the first part of this thesis, the accumulation of self-complementary oligonucleotides in a thermal trap is demonstrated. The length-selective accumulation in this system is used to create hydrogels from DNA in solution without the use of condensing agents or multivalent ions. This gelation process is demonstrated for DNA with two and three self-complementary binding sites and strands as short as 24mers. Control experiments show that non-complementary DNA stays in solution and that the process is not dominated by the interaction of DNA with fluorescent dyes. Two self-complementary strands with orthogonal sequences, i.e. a minimal sequence overlap, form pure hydrogels when accumulated together. In part two, the accumulation of molecules at gas-water interfaces in a temperature gradient is demonstrated. In this system, the local evaporation of water at the warm side of the interface leads to a capillary flow towards the meniscus and therefore an accumulation of molecules in this area, reaching a more than 1000-fold concentration increase. This mechanism is length-dependent, accumulating larger molecules better. At the interface, the activity of the Hammerhead ribozyme strongly increases due to the combined accumulation of oligomers and magnesium. In addition, the accumulation can trigger the gelation of self-complementary RNA, the encapsulation of molecules in vesicle clusters, the crystallization of ribose aminooxazoline, and the enhanced phosphorylation of nucleotides. A full simulation of the accumulation mechanism confirms these results. The third part describes the implementation of a circular dichroism imaging microscope (CDIM) in deep UV. The aim was to study the circular dichroism (CD) of prebiotic molecules such as the RNA precursor ribose aminooxazoline, while simultaneously observing its accumulation and possible crystallization. In this part, the experimental realization of the CDIM is shown, with a focus on the mechanisms to create circularly polarized light from a pulsed UV laser using a photoelastic modulator. Measurements of samples with a known CD were used to calibrate the system. The results show that the system might be used to determine the sign of the CD of a sample in water. However, further experiments are necessary to exclude measurement artifacts and investigate if the system can be combined with thermal traps

Fission of Lipid-Vesicles by Membrane Phase Transitions in Thermal Convection

Unilamellar lipid vesicles can serve as model for protocells. We present a vesicle fission mechanism in a thermal gradient under flow in a convection chamber, where vesicles cycle cold and hot regions periodically. Crucial to obtain fission of the vesicles in this scenario is a temperature-induced membrane phase transition that vesicles experience multiple times. We model the temperature gradient of the chamber with a capillary to study single vesicles on their way through the temperature gradient in an external field of shear forces. Starting in the gel-like phase the spherical vesicles are heated above their main melting temperature resulting in a dumbbell-deformation. Further downstream a temperature drop below the transition temperature induces splitting of the vesicles without further physical or chemical intervention. This mechanism also holds for less cooperative systems, as shown here for a lipid alloy with a broad transition temperature width of 8 K. We find a critical tether length that can be understood from the transition width and the locally applied temperature gradient. This combination of a temperature-induced membrane phase transition and realistic flow scenarios as given e.g. in a white smoker enable a fission mechanism that can contribute to the understanding of more advanced protocell cycles

Quantification of biodegradation for o-xylene and naphthalene using first order decay models, Michaelis-Menten kinetics and stable carbon isotopes

At a former wood preservation plant severely contaminated with coal tar oil, in situ bulk attenuation and biodegradation rate constants for several monoaromatic (BTEX) and polyaromatic hydrocarbons (PAH) were determined using (1) classical first order decay models, (2) Michaelis-Menten degradation kinetics (MM), and (3) stable carbon isotopes, for o-xylene and naphthalene. The first order bulk attenuation rate constant for o-xylene was calculated to be 0.0025 d(-1) and a novel stable isotope-based first order model, which also accounted for the respective redox conditions, resulted in a slightly smaller biodegradation rate constant of 0.0019 d(-1). Based on MM-kinetics, the o-xylene concentration decreased with a maximum rate of k(max)=0.1 mu g/L/d. The bulk attenuation rate constant of naphthalene retrieved from the classical first order decay model was 0.0038 d(-1). The stable isotope-based biodegradation rate constant of 0.0027 d(-1) was smaller in the reduced zone, while residual naphthalene in the oxic part of the plume further downgradient was degraded at a higher rate of 0.0038 d(-1). With MM-kinetics a maximum degradation rate of k(max)=12 mu g/L/d was determined. Although best fits were obtained by MM-kinetics, we consider the carbon stable isotope-based approach more appropriate as it is specific for biodegradation (not overall attenuation) and at the same time accounts for the dominant electron-accepting process. For o-xylene a field based isotope enrichment factor epsilon(field) of - 1.4 could be determined using the Rayleigh model, which closely matched values from laboratory studies of o-xylene degradation under sulfate-reducing conditions. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved

Heated gas bubbles enrich, crystallize, dry, phosphorylate and encapsulate prebiotic molecules

Non-equilibrium conditions must have been crucial for the assembly of the first informational polymers of early life, by supporting their formation and continuous enrichment in a long-lasting environment. Here, we explore how gas bubbles in water subjected to a thermal gradient, a likely scenario within crustal mafic rocks on the early Earth, drive a complex, continuous enrichment of prebiotic molecules. RNA precursors, monomers, active ribozymes, oligonucleotides and lipids are shown to (1) cycle between dry and wet states, enabling the central step of RNA phosphorylation, (2) accumulate at the gas-water interface to drastically increase ribozymatic activity, (3) condense into hydrogels, (4) form pure crystals and (5) encapsulate into protecting vesicle aggregates that subsequently undergo fission. These effects occur within less than 30 min. The findings unite, in one location, the physical conditions that were crucial for the chemical emergence of biopolymers. They suggest that heated microbubbles could have hosted the first cycles of molecular evolution