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Möller, Friederike Maria (2016): Biomolecule transport in electrochemical non-equilibrium systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Central processes in biological systems, such as energy metabolism and cell signaling, rely on steep ion and pH gradients across membranes. Laboratory models of such electrochemical non-equilibrium systems provide a versatile playground to explore the biotechnology that cellular life invented in the course of evolution. The first part of this work describes the electrophoretic transport of biomolecules in photochemically induced electric fields on the microscale. The theoretical framework for this novel phenomenon is based on the coupling of photochemical reactions and electrokinetics: A highly localized photodissociation reaction induces steep ionic gradients in free solution. Differential diffusion of charged photoproducts invokes charge separation on the microscale and generates an electric potential Φ. The transport of biomolecules in this potential is dominated by electrophoresis and diffusion and a steady state is reached within tens of seconds. Experimentally, the biomolecule concentration is accessed by fluorescence and settles towards exp(-µ/D Φ) in steady state. This renders Photochemical Microscale Electrophoresis (PME) a fast, sensitive, and all-optical method for the simultaneous determination of electrophoretic mobilities µ and diffusion coefficients D. Additionally, the concentration distribution upon PME also provides a sensitive measure for binding probabilities. As a consequence, titration experiments allow the quantification of binding affinities in the nanomolar range in microliter volumes at nanomolar sample concentration. The second part of this thesis explores the rich non-equilibrium system of alkaline hydrothermal vents, which comprises redox potentials and steep gradients in pH, temperature, and ionic composition across precipitated, catalytic barriers of Fe(Ni)S minerals. This setting has been hypothesized to represent an inorganic equivalent of modern energy metabolism and to trigger first carbon-fixation reactions. However, only steep pH gradients render such reactions thermodynamically favorable. In this work, a microfluidic vent replica was used to access the ionic gradients and the associated electrokinetic transport phenomena on the microscale. The experimental results demonstrate that the precipitation of FeS clusters at the fluid interface strongly enhances the steepness and stability of the pH gradient in comparison to a purely diffusive system. Furthermore,flow experiments showed directed colloid transport, strong colloid accumulation, and the emergence of colloid-free zones at the barrier. Numerical simulations enabled the correlation of these observations with ionic gradients, and identified diffusiophoresis as the driving force. The coupling of such transport phenomena in electrochemical gradients can invoke intricate feedback situations. In this context, the microfluidic vent replica represents an ideal testbed for the discovery of evolutionary scenarios for the emergence of an early energy and carbon metabolism.

Abstract

In biologischen Systemen basieren die wichtigsten Prozesse, wie der Energiestoffwechsel und die Nervenreizleitung, auf pH- und Ionengradienten. Labormodelle solch elektrochemischer Nichtgleichgewichtssysteme bieten die Möglichkeit biotechnologische Prozesse zu erforschen, welche die Natur im Laufe der Evolution entwickelt hat. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem elektrophoretischen Transport von Biomolekülen in photochemisch erzeugten, mikroskaligen, elektrischen Feldern. Die Theorie hinter diesem neuen Phänomen koppelt photochemische Reaktionen mit elektrokinetischen Effekten: Eine lokale Photodissoziationsreaktion erzeugt extreme Ionengradienten in wässriger Lösung. Die differentielle Diffusion der geladenen Photoprodukte führt daraufhin zu einer Ladungstrennung auf der Mikrometerskala und zum Aufbau eines elektrischen Potentials Φ. Der Transport von Biomolekülen in diesem Potential wird durch Elektrophorese und Diffusion dominiert, zwischen denen sich innerhalb von Sekunden ein Gleichgewicht einstellt. Im Experiment wird die Biomolekülkonzentration durch Fluoreszenz bestimmt und folgt im Gleichgewicht exp(-µ/D Φ). Dies macht die "photochemisch-induzierte, mikroskalige Elektrophorese" (PME) zu einer sensiblen, schnellen und volloptischen Methode zur gleichzeitigen Bestimmung von elektrophoretischen Mobilitäten µ und Diffusionskonstanten D. Weiterhin stellt die Biomolekülverteilung in Titrationsexperimenten ein sensibles Maß für Bindungswahrscheinlichkeiten dar und erlaubt so die Anwendung von PME zur isothermen Quantifizierung von Bindungsaffinitäten im nanomolaren Bereich unter Verwendung von Probenvolumina im Mikroliterbereich und nanomolaren Konzentrationen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem vielseitigen Nichtgleichgewichtssystem alkalischer, hydrothermaler Quellen. Dieses umfasst sowohl steile pH und Ionengradienten als auch Redoxpotentiale die an dünnen, katalytischen Fe(Ni)S-Barrieren abfallen. Die Ähnlichkeit dieses Systems zu modernen Zellmembranen macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für das erste Auftreten von Kohlenstofffixierungsreaktionen und organischen Stoffwechselprozessen auf der jungen Erde. Jedoch sind solche Reaktionen nur in steilen pH Gradienten thermodynamisch günstig. Um die Situation in hydrothermalen Quellen zu simulieren wurde in dieser Arbeit eine mikrofluidische Flusszelle verwendet, welche eine Charakterisierung von elektrochemischen Gradienten und die Beobachtung der damit einhergehenden elektrokinetischen Transportprozesse auf der Mikrometerskala ermöglicht. So konnte gezeigt werden, dass die Fällung von FeS-Clustern die Steilheit und Stabilität des pH Gradienten im Vergleich zu einem rein diffusiven System stark erhöht. Darüber hinaus wurden in Flussexperimenten gerichtete Kolloidbewegungen, sowie die Akkumulation von Kolloiden und die Ausbildung von kolloidfreien Zonen an der Barriere beobachtet. Mithilfe von numerischen Simulationen konnten diese Beobachtungen mit Ionengradienten korreliert und so durch Diffusiophorese, dem gerichteten Kolloidtransport in Ionengradienten, erklärt werden. Die Kombination solcher Transportphänomene mit elektrochemischen Gradienten kann zu spannenden Kopplungseffekten führen. In diesem Zusammenhang stellt die hier präsentierte Flusszelle eine ideale Testumgebung dar, um Szenarien für die Entwicklung eines einfachen Protometabolismus unter Bedingungen der frühen Erde zu entwickeln.