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Untersuchung und Aufklärung von Reaktionsnetzwerken im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens und Implementierung der Hadamard-Transformation-Kapillarzonenelektrophorese auf kommerziellen Instrumenten
Untersuchung und Aufklärung von Reaktionsnetzwerken im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens und Implementierung der Hadamard-Transformation-Kapillarzonenelektrophorese auf kommerziellen Instrumenten
In scientific research, the origin(s) of life question is an interdisciplinary field studying the formation of inanimate, molecular building blocks of life and their mechanisms of interac-tions leading to the creation of living structures. This includes, for instance, the synthesis of small, organic molecules and the emergence of chemical reaction networks, but also the de-velopment of new analytical methods for the identification and characterization of complex prebiotic and biologic samples. In the here presented thesis, reaction networks for the for-mation of reactive phosphorus oxo species and monosaccharides were investigated, and a method for improving the sensitivity of the analysis of ionic biomolecules in aqueous matrices by means of Hadamard-transform capillary zone electrophoresis was established. Regarding the elucidation of reaction networks, three projects are discussed in the first half of the thesis. (1) Stereodynamic biphenyl ligands are ideal model systems for the study of self-amplifying, autocatalytic systems with their mechanisms providing understanding for the manifestation of homochirality. In the first project, the characterization of a new class of New-castle University-BIPHEP(O)s is presented that are modifiable in the back with sites for recog-nition of and interaction with substrate/product molecules. For the synthesized ligands, inves-tigations regarding the formation of diastereomeric adducts as well as on-column deracemiza-tion were conducted, and the rotational barriers were determined employing enantioselective dynamic HPLC. The characteristics found contribute to the development of specific stereo-dynamic ligands by design in self-amplifying autocatalysis. (2) In a second project, the mete-oritic material Schreibersite, Fe3P, whose availability by impacts of celestial bodies and reac-tivity in aqueous media is considered plausible, was studied with regard to released phospho-rous oxo species, their ability towards phosphorylation and their general reactivity towards small, biologically relevant molecules. In order to do so, a method based on capillary electro-phoresis for unbiased identification of phosphorus oxo anions was established, and the emer-gence of phosphite, diphosphite and phosphate was monitored over time for different reaction conditions. Though no significant phosphorylation of the corroding material was detectable, the catalytic formation of monosaccharides in the presence of formaldehyde, glycolaldehyde and/or glyceraldehyde was observed. This synthesis of sugars known as the formose reaction was catalyzed by the basified aqueous environment and released iron ions. The results imply a possible mutual origin of sugars and phosphates in a comet pond scenario. (3) In a third project, based on the observed sugar synthesis by schreibersite catalysis, the feasibility of formose-like aldol reactions was studied under nonaqueous and mechanochemical conditions. It was found that in the presence of Ca(OH)2 glycolaldehyde and/or glyceraldehyde give rise to a complex network of monosaccharides in which C4 and C6 sugars accumulate. The results visualize that the formation of monosaccharides as building blocks and/or energy source for early life is not limited to aqueous conditions but is also accelerated by mechanochemical force as through lithospheric activity. In the second part of the thesis, the development of a method for implementing multi-plexing into capillary zone electrophoresis based on Hadamard-transform and without the need of hardware modifications is presented. Challenges when performing vial exchanges and volt-age suspensions for translation of pseudo random binary sequences have been identified, and solutions are discussed. In addition, simulative and experimental studies are highlighted de-scribing crucial limitations due to electroosmotic flow instabilities. Those confinements can be resolved by (i) choosing short modulation times, (ii) setting detector configurations and (iii) subdividing longer sequences in shorter ones of low order that are run successively. This way, sequences of 255 elements/injections for a nucleotide mix were realized allowing for a signal enhancement of a factor between 6.9 and 5.2. The applicability of this new method–suitable on commercial equipment by use of a software–was, further, shown for a breastmilk substitute powder. The approach of subdividing sequences was, moreover, transferred onto HPLC equipment and allowed the realization of 12-bit sequences with an increase of the sig-nal-to-noise ratio by nearly a factor of 30. Sensitivity enhancements in HPLC and CE contribute significantly towards the identification and characterization of complex reaction mixtures., In der wissenschaftlichen Forschung wird mit der Frage nach dem Ursprung des Le-bens ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet beschrieben, welches im Zusammenschluss von Phy-sik, Astronomie, Chemie, Biologie und Geologie die Entstehung unbelebter, molekularer Bau-steine für das Leben und die Mechanismen ihres Wechselspiels hin zur Bildung belebter Struk-turen untersucht. Dies umfasst unter anderem die Synthese kleiner, organischer Moleküle und die Entwicklung chemischer Reaktionsnetzwerke, aber auch die Entwicklung neuer Analytik-methoden zur Identifizierung und Charakterisierung komplexer präbiotischer und biologischer Proben. In der hier vorliegenden Dissertationsschrift wurden zum einen Reaktionsnetzwerke zur Erzeugung von reaktiven Phosphorspezies und zur Darstellung von Monosacchariden vor dem Hintergrund von meteoritischen Einschlägen untersucht und zum anderen eine Methode zur Verbesserung der Sensitivität in der Analyse von ionischen Biomolekülen in wässrigen Matrizes mittels Hadamard-Transform-Kapillarelektrophorese etabliert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden im Zusammenhang mit der Aufklärung von Reakti-onsnetzwerken drei Projekte bearbeitet. (1) Stereodynamische Biphenyl-Liganden stellen ide-ale Modellsysteme für die Untersuchung von selbstamplifizierenden, autokatalytischen Syste-men dar, deren Wirkmechanismen zum Verständnis für die Entwicklung der Homochiralität beitragen. Im ersten Projekt wird daher die Charakterisierung einer neuen Klasse von im Rück-grat modifizierbaren Newcastle University-BIPHEP(O)s vorgestellt, die mit Bindungsstellen zur Erkennung und Wechselwirkung von Substrat/Produkt-Molekülen versehen sind. Für die syn-thetisierten Liganden konnten Untersuchungen zur Bildung von diastereomeren Addukten so-wie on-column Deracemisierung durchgeführt und mittels enantioselektiver dynamischer HPLC Rotationsbarrieren bestimmt werden. Die gefundenen Eigenschaften haben einen Bei-trag zur Entwicklung spezifischer, stereodynamischer Liganden nach Design zum Einsatz in selbstamplifizierenden Autokatalysen geleistet. (2) In einem zweiten Projekt wurde das mete-oritische Material Schreibersit, Fe3P, dessen Verfügbarkeit durch Einschläge von astronomi-schen Himmelskörpern und Reaktivität in wässrigen Umgebungen als plausibel betrachtet wird, hinsichtlich der erzeugbaren Phosphoroxo-Spezies, deren Phosphorylierungsfähigkeit und Reaktivität gegenüber kleinen, biologisch relevanten Molekülen getestet. Dazu wurde eine kapillarelektrophoretische Methode zur unverfälschten Bestimmung der in Lösung vorliegen-den Phosphoroxo-Spezies etabliert und die Bildung von Phosphit, Diphosphit und Phosphat über die Zeit für verschiedene Reaktionsbedingungen verfolgt. Wenngleich keine signifikante Phosphorylierungsfähigkeit des korrodierenden Materials festgestellt werden konnte, wurde die katalytische Bildung von Monosacchariden bei Anwesenheit von Formaldehyd, Glykolaldehyd und/oder Glyceraldehyd beobachtet. Diese unter dem Namen der Formose-Reaktion bekannte Darstellung von Zuckern wurde durch die Basifizierung des wässrigen Mi-lieus und die Freisetzung von Eisen-Ionen durch das Schreibersit katalysiert. Diese Erkennt-nisse implizieren einen möglichen gemeinsamen Ursprung von Zuckern und Phosphaten in einem Kometenteich-Szenario. (3) Ausgehend von der beobachteten Zuckersynthese durch Schreibersit wurde im dritten Projekt die Realisierbarkeit von Formose-artigen Aldolreaktionen unter nicht-wässrigen und mechanochemischen Bedingungen untersucht. Dabei wurde gefun-den, dass Glykolaldehyd und/oder Glyceraldehyd unter Anwesenheit von Ca(OH)2 ein kom-plexes Monosaccharid-Netzwerk aufbauen, in welchem C4 und C6-Zucker angereichert wer-den. Diese Erkenntnisse zeigen, dass die Bildung von Monosacchariden als Bausteine und/ oder Energiequelle für frühes Leben nicht nur auf wässrige Milieus begrenzt ist, sondern auch durch mechanische Krafteinwirkung wie lithosphärische Aktivität beschleunigt werden können. Im zweiten Teil der Dissertation wird die Entwicklung einer auf Hardware-Modifikatio-nen verzichtende Methode zur Implementierung eines Multiplexing-Ansatzes basierend auf Hadamard-Transformation in der Kapillarzonenelektrophorese dargestellt. Dabei werden die auftretenden Herausforderungen einer Umsetzung mittels Vial-Austausches und Stromunter-brechungen zur Übersetzung der pseudo-zufälligen binären Modulationssequenzen beschrie-ben und Lösungsstrategien diskutiert. Dazu werden simulative und experimentelle Studien präsentiert, die zeigen, dass wesentliche Einschränkungen aufgrund von Instabilitäten des elektroosmotischen Flusses durch Wahl kurzer Modulationszeiten, Detektoreinstellungen und Unterteilung langer Sequenzen in mehrere Kurze kleinerer Ordnung, die sequentiell gemessen werden, gelöst werden können. So wurden Sequenzen mit bis zu 255 Elementen/Injektionen für ein Nukleotid-Standard-Mix realisiert, die Signalverbesserungen in der Größenordnung zwischen 6.9 und 5.2 erzielt haben. Die Anwendbarkeit dieser neuen Methode, die auf kom-merziell erhältlichen Systemen mittels zusätzlicher Software umsetzbar ist, wurde ferner an einem Muttermilchersatzpräparat gezeigt. Der etablierte Ansatz zur Unterteilung langer Se-quenzen in kurze wurde darüber hinaus auf die Flüssigkeitschromatographie übertragen und hat dort die Realisierung von 12-bit Sequenzen mit Signal-zu-Rausch-Verstärkungen von bis zu einem Faktor von 30 ermöglicht. Signalverbesserungen in der HPLC und CE leisten einen wesentlichen Beitrag zur Identifizierung und Charakterisierung von komplexen Reaktionsge-mischen.
Not available
Pallmann, Sebastian
2018
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Pallmann, Sebastian (2018): Untersuchung und Aufklärung von Reaktionsnetzwerken im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens und Implementierung der Hadamard-Transformation-Kapillarzonenelektrophorese auf kommerziellen Instrumenten. Dissertation, LMU München: Faculty of Chemistry and Pharmacy
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Abstract

In scientific research, the origin(s) of life question is an interdisciplinary field studying the formation of inanimate, molecular building blocks of life and their mechanisms of interac-tions leading to the creation of living structures. This includes, for instance, the synthesis of small, organic molecules and the emergence of chemical reaction networks, but also the de-velopment of new analytical methods for the identification and characterization of complex prebiotic and biologic samples. In the here presented thesis, reaction networks for the for-mation of reactive phosphorus oxo species and monosaccharides were investigated, and a method for improving the sensitivity of the analysis of ionic biomolecules in aqueous matrices by means of Hadamard-transform capillary zone electrophoresis was established. Regarding the elucidation of reaction networks, three projects are discussed in the first half of the thesis. (1) Stereodynamic biphenyl ligands are ideal model systems for the study of self-amplifying, autocatalytic systems with their mechanisms providing understanding for the manifestation of homochirality. In the first project, the characterization of a new class of New-castle University-BIPHEP(O)s is presented that are modifiable in the back with sites for recog-nition of and interaction with substrate/product molecules. For the synthesized ligands, inves-tigations regarding the formation of diastereomeric adducts as well as on-column deracemiza-tion were conducted, and the rotational barriers were determined employing enantioselective dynamic HPLC. The characteristics found contribute to the development of specific stereo-dynamic ligands by design in self-amplifying autocatalysis. (2) In a second project, the mete-oritic material Schreibersite, Fe3P, whose availability by impacts of celestial bodies and reac-tivity in aqueous media is considered plausible, was studied with regard to released phospho-rous oxo species, their ability towards phosphorylation and their general reactivity towards small, biologically relevant molecules. In order to do so, a method based on capillary electro-phoresis for unbiased identification of phosphorus oxo anions was established, and the emer-gence of phosphite, diphosphite and phosphate was monitored over time for different reaction conditions. Though no significant phosphorylation of the corroding material was detectable, the catalytic formation of monosaccharides in the presence of formaldehyde, glycolaldehyde and/or glyceraldehyde was observed. This synthesis of sugars known as the formose reaction was catalyzed by the basified aqueous environment and released iron ions. The results imply a possible mutual origin of sugars and phosphates in a comet pond scenario. (3) In a third project, based on the observed sugar synthesis by schreibersite catalysis, the feasibility of formose-like aldol reactions was studied under nonaqueous and mechanochemical conditions. It was found that in the presence of Ca(OH)2 glycolaldehyde and/or glyceraldehyde give rise to a complex network of monosaccharides in which C4 and C6 sugars accumulate. The results visualize that the formation of monosaccharides as building blocks and/or energy source for early life is not limited to aqueous conditions but is also accelerated by mechanochemical force as through lithospheric activity. In the second part of the thesis, the development of a method for implementing multi-plexing into capillary zone electrophoresis based on Hadamard-transform and without the need of hardware modifications is presented. Challenges when performing vial exchanges and volt-age suspensions for translation of pseudo random binary sequences have been identified, and solutions are discussed. In addition, simulative and experimental studies are highlighted de-scribing crucial limitations due to electroosmotic flow instabilities. Those confinements can be resolved by (i) choosing short modulation times, (ii) setting detector configurations and (iii) subdividing longer sequences in shorter ones of low order that are run successively. This way, sequences of 255 elements/injections for a nucleotide mix were realized allowing for a signal enhancement of a factor between 6.9 and 5.2. The applicability of this new method–suitable on commercial equipment by use of a software–was, further, shown for a breastmilk substitute powder. The approach of subdividing sequences was, moreover, transferred onto HPLC equipment and allowed the realization of 12-bit sequences with an increase of the sig-nal-to-noise ratio by nearly a factor of 30. Sensitivity enhancements in HPLC and CE contribute significantly towards the identification and characterization of complex reaction mixtures.

Abstract

In der wissenschaftlichen Forschung wird mit der Frage nach dem Ursprung des Le-bens ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet beschrieben, welches im Zusammenschluss von Phy-sik, Astronomie, Chemie, Biologie und Geologie die Entstehung unbelebter, molekularer Bau-steine für das Leben und die Mechanismen ihres Wechselspiels hin zur Bildung belebter Struk-turen untersucht. Dies umfasst unter anderem die Synthese kleiner, organischer Moleküle und die Entwicklung chemischer Reaktionsnetzwerke, aber auch die Entwicklung neuer Analytik-methoden zur Identifizierung und Charakterisierung komplexer präbiotischer und biologischer Proben. In der hier vorliegenden Dissertationsschrift wurden zum einen Reaktionsnetzwerke zur Erzeugung von reaktiven Phosphorspezies und zur Darstellung von Monosacchariden vor dem Hintergrund von meteoritischen Einschlägen untersucht und zum anderen eine Methode zur Verbesserung der Sensitivität in der Analyse von ionischen Biomolekülen in wässrigen Matrizes mittels Hadamard-Transform-Kapillarelektrophorese etabliert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden im Zusammenhang mit der Aufklärung von Reakti-onsnetzwerken drei Projekte bearbeitet. (1) Stereodynamische Biphenyl-Liganden stellen ide-ale Modellsysteme für die Untersuchung von selbstamplifizierenden, autokatalytischen Syste-men dar, deren Wirkmechanismen zum Verständnis für die Entwicklung der Homochiralität beitragen. Im ersten Projekt wird daher die Charakterisierung einer neuen Klasse von im Rück-grat modifizierbaren Newcastle University-BIPHEP(O)s vorgestellt, die mit Bindungsstellen zur Erkennung und Wechselwirkung von Substrat/Produkt-Molekülen versehen sind. Für die syn-thetisierten Liganden konnten Untersuchungen zur Bildung von diastereomeren Addukten so-wie on-column Deracemisierung durchgeführt und mittels enantioselektiver dynamischer HPLC Rotationsbarrieren bestimmt werden. Die gefundenen Eigenschaften haben einen Bei-trag zur Entwicklung spezifischer, stereodynamischer Liganden nach Design zum Einsatz in selbstamplifizierenden Autokatalysen geleistet. (2) In einem zweiten Projekt wurde das mete-oritische Material Schreibersit, Fe3P, dessen Verfügbarkeit durch Einschläge von astronomi-schen Himmelskörpern und Reaktivität in wässrigen Umgebungen als plausibel betrachtet wird, hinsichtlich der erzeugbaren Phosphoroxo-Spezies, deren Phosphorylierungsfähigkeit und Reaktivität gegenüber kleinen, biologisch relevanten Molekülen getestet. Dazu wurde eine kapillarelektrophoretische Methode zur unverfälschten Bestimmung der in Lösung vorliegen-den Phosphoroxo-Spezies etabliert und die Bildung von Phosphit, Diphosphit und Phosphat über die Zeit für verschiedene Reaktionsbedingungen verfolgt. Wenngleich keine signifikante Phosphorylierungsfähigkeit des korrodierenden Materials festgestellt werden konnte, wurde die katalytische Bildung von Monosacchariden bei Anwesenheit von Formaldehyd, Glykolaldehyd und/oder Glyceraldehyd beobachtet. Diese unter dem Namen der Formose-Reaktion bekannte Darstellung von Zuckern wurde durch die Basifizierung des wässrigen Mi-lieus und die Freisetzung von Eisen-Ionen durch das Schreibersit katalysiert. Diese Erkennt-nisse implizieren einen möglichen gemeinsamen Ursprung von Zuckern und Phosphaten in einem Kometenteich-Szenario. (3) Ausgehend von der beobachteten Zuckersynthese durch Schreibersit wurde im dritten Projekt die Realisierbarkeit von Formose-artigen Aldolreaktionen unter nicht-wässrigen und mechanochemischen Bedingungen untersucht. Dabei wurde gefun-den, dass Glykolaldehyd und/oder Glyceraldehyd unter Anwesenheit von Ca(OH)2 ein kom-plexes Monosaccharid-Netzwerk aufbauen, in welchem C4 und C6-Zucker angereichert wer-den. Diese Erkenntnisse zeigen, dass die Bildung von Monosacchariden als Bausteine und/ oder Energiequelle für frühes Leben nicht nur auf wässrige Milieus begrenzt ist, sondern auch durch mechanische Krafteinwirkung wie lithosphärische Aktivität beschleunigt werden können. Im zweiten Teil der Dissertation wird die Entwicklung einer auf Hardware-Modifikatio-nen verzichtende Methode zur Implementierung eines Multiplexing-Ansatzes basierend auf Hadamard-Transformation in der Kapillarzonenelektrophorese dargestellt. Dabei werden die auftretenden Herausforderungen einer Umsetzung mittels Vial-Austausches und Stromunter-brechungen zur Übersetzung der pseudo-zufälligen binären Modulationssequenzen beschrie-ben und Lösungsstrategien diskutiert. Dazu werden simulative und experimentelle Studien präsentiert, die zeigen, dass wesentliche Einschränkungen aufgrund von Instabilitäten des elektroosmotischen Flusses durch Wahl kurzer Modulationszeiten, Detektoreinstellungen und Unterteilung langer Sequenzen in mehrere Kurze kleinerer Ordnung, die sequentiell gemessen werden, gelöst werden können. So wurden Sequenzen mit bis zu 255 Elementen/Injektionen für ein Nukleotid-Standard-Mix realisiert, die Signalverbesserungen in der Größenordnung zwischen 6.9 und 5.2 erzielt haben. Die Anwendbarkeit dieser neuen Methode, die auf kom-merziell erhältlichen Systemen mittels zusätzlicher Software umsetzbar ist, wurde ferner an einem Muttermilchersatzpräparat gezeigt. Der etablierte Ansatz zur Unterteilung langer Se-quenzen in kurze wurde darüber hinaus auf die Flüssigkeitschromatographie übertragen und hat dort die Realisierung von 12-bit Sequenzen mit Signal-zu-Rausch-Verstärkungen von bis zu einem Faktor von 30 ermöglicht. Signalverbesserungen in der HPLC und CE leisten einen wesentlichen Beitrag zur Identifizierung und Charakterisierung von komplexen Reaktionsge-mischen.