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Urtel, Georg (2016): Evolutionary processes in replicating DNA species. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Eine wichtige Triebfeder der Darwinschen Evolution verschiedener Spezies sind deren gegenseitige Wechselwirkungen innerhalb eines Ökosystems. Das Studium dieser Ökosysteme erlaubt es daher, deren zugrunde liegende evolutionäre Mechanismen zu verstehen. Dies wird allerdings oft durch ihre Komplexität oder die lange Lebensdauer mancher Spezies erschwert. Modellsysteme können dabei helfen diese Probleme zu überwinden indem sie die Kontrolle entscheidender Parameter wie etwa der Konzentration von Ressourcen oder Degradationsraten erlauben. In dieser Arbeit werden DNA-Moleküle die sich mit Hilfe von Enzymen replizieren als Modellsystem genutzt um zwei evolutionäre Phänomene zu beleuchten: Kooperation in der frühen Evolution und zyklische Inhibierung verschiedener Spezies. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Kooperation zwischen DNA-Spezies untersucht. Dazu wurden zwei Spezies benutzt die eine Hairpin-Sekundärstruktur bildeten, weshalb sie in einer Polymerase-Kettenreaktion nur langsam replizierten. Eine Selektion von schnelleren Replikatoren durch Verdünnungen führte zum Aussterben dieser Hairpins. Hatten sie allerdings die gleiche Loop-Sequenz, kooperierten sie und erzeugten eine Kreuzung welche keine Sekundärstruktur aufwies und daher die Verdünnungen überlebte. Das Umkehren der Reaktion erlaubte es die Hairpins wieder zu erzeugen und zeigte, dass deren Information erhalten blieb. Die Experimente demonstrierten wie Fitness und Komplexität in einem Oligonukleotidpool durch eine Kreuzung gesteigert werden können. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich mit der zyklischen Inhibierung von Spezies in einem Schere-Stein-Papier Spiel. Dabei verfolgen drei Spezies eine vererbbare Strategie, welche zur Inhibierung einer anderen Spezies führt: Papier wickelt Stein ein, Stein schleift Schere und Schere zerschneidet Papier. Eine Möglichkeit dies auf molekularer Ebene umzusetzen ist die DNA-Toolbox, welche es erlaubt biochemische Reaktionsnetzwerke zu erstellen, in denen die Spezies DNA-Moleküle sind welche sich mithilfe von Enzymen replizieren. Zweidimensionale Simulationen mit einem Reaktions-Diffusions-Modell der DNA-Toolbox zeigten phasenverschobene Oszillationen und Spiralwellen. Durch räumliche Heterogenitäten konnten die dynamischen Muster beeinflusst werden. Für die experimentelle Umsetzung wurde ein Sequenz-Screening durchgeführt, dessen vorläufige Ergebnisse hier präsentiert werden. Die Erstellung des vollen Systems würde es ermöglichen die Bedingungen für die zeitlichen und räumlichen Oszillationen experimentell zu bestimmen und deren Robustheit gegenüber Störungen zu testen. Die DNA-Toolbox erlaubt es auch andere biologische Prozesse zu untersuchen, wie etwa die Regulierung genetischer Netzwerke. Im dritten Abschnitt wurde sie genutzt um einen experimentell erzeugten Morphogen-Gradienten zu interpretieren. Dazu reagierte eine autokatalytische DNA-Spezies mit dem Morphogen-Gradienten in einem Reaktions-Diffusions-Prozess. Es bildete sich eine Wellenfront, welche durch den Gradienten verlangsamt und lokalisiert wurde. Messungen der Position, Geschwindigkeit und Breite der Wellenfront wurden durchgeführt. Ähnliche Prozesse sind in der Embryogenese von Lebewesen zu finden, bei der der Morphogen-Gradient an genetische Netzwerke gekoppelt ist. Zusammengefasst zeigt sich, dass DNA und Enzyme nützliche Modellsysteme sind um komplexe biologische Phänomene zu untersuchen. Der bottom-up Ansatz erlaubt es unterschiedliche Aspekte wie Kooperation oder Embryogenese mit ähnlichen Techniken zu erforschen.

Abstract

The interaction of species in ecosystems is one of the main driving forces of Darwinian evolution. Observing the development of ecosystems allows to draw conclusions about the underlying evolutionary mechanisms. However, such observations are typically difficult, because of the complexity of ecosystems and the long lifetime of some species. Simple model systems that allow the precise control of key parameters, e.g. resource concentrations and degradation rates, can overcome this problems. Here, DNA molecules that replicate with the help of an enzymatic machinery were chosen as model systems to look at evolution from two different perspectives: cooperation of species in the early earth and cyclical inhibition of species. In the first part of the thesis, cooperation between the DNA species was studied. Two different species were designed to have hairpin secondary structures that slowed down replication during a polymerase chain reaction. Selection for fast replicators by serial dilutions resulted in an extinction of the hairpin species. However, when the two hairpin species only differed in their stems, but had the same loop sequence, they cooperated and formed crossbreeds. The crossbreeds lacked the secondary structure and survived the dilutions. Reversing the reaction resulted in reemergence of the hairpin species, demonstrating that the information was preserved. The presented results show how fitness and complexity of oligonucleotide pools on the early earth could have been increased by a simple crossbreeding step. In the second part, cyclical inhibition of species in a rock-paper-scissors game was studied. In such a game, three species play an inheritable strategy, where each species inhibits another species: paper wraps rock, rock crushes scissors, and scissors cut paper. One possibility to implement such a game on the molecular level is the DNA-toolbox: a framework to build biochemical reaction-networks where short DNA molecules are replicated by a polymerase and a nickase. Two-dimensional simulations with a reaction-diffusion model of the DNA-toolbox resulted in phase-shifted oscillations in time and characteristic chiral waves. Addition of spatial heterogenities to the simulations allowed to modify the the dynamic patterns and even could arrest them. For an experimental realization, a sequence screen to find suitable DNA species was performed and preliminary results are presented. Accomplishing the formation of the full system offers the opportunity to experimentally test the conditions needed for spatio-temporal oscillations and to probe their robustness to perturbations. The established DNA-toolbox can be used to study other complex biological processes, e.g. regulation of genetic networks. In the third part of the thesis, the DNA-toolbox is applied to interpret an experimentally created morphogen gradient. A self-replicating species reacts with a morphogen gradient in a reaction-diffusion process. This resulted in the formation of a traveling wavefront that localized in the gradient. Measurements of the positions, velocities and widths of the wavefronts are presented and analyzed. In biology, similar processes are found in embryogenesis, where a morphogen gradient is coupled to a genetic network. Taken together, model systems built of DNA and enzymes are useful tools to study complex biological phenomena. The bottom-up approach allows to tackle diverse topics like cooperation or embryogenesis with similar techniques.