Oligonucleotide selection and replication in early earth environments

Schwintek, Philipp (2024): Oligonucleotide selection and replication in early earth environments. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die molekulare Evolution von Nukleinsäuren mit ihrer dualen Fähigkeit, genetische Informationen zu speichern und ihre eigene Replikation zu katalysieren, spielt eine zentrale Rolle in der Erforschung des Ursprungs des Lebens. Die Auswahl funktionsfähiger Oligonukleotide aus Pools sowie deren Replikation waren jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. In dieser Arbeit werden zwei Schlüsselmechanismen untersucht, die diese Prozesse in der frühen Erdumgebung begünstigt haben könnten. Kapitel 1 befasst sich mit der Entstehung von funktionellen Oligonukleotiden durch einen molekularen Selektionsmechanismus. Zyklische Prozesse wie tägliche Temperaturschwankungen werden als Auslöser für sequenzspezifische Phasentrennung vorgeschlagen. Anhand von Experimenten mit DNA wird gezeigt, dass in der sedimentierten dichten Phase eine sequenzspezifische Anreicherung stattfindet, die insbesondere kurze 22-mer DNA-Sequenzen bevorzugt, die durch Basenpaarung eine bienenwabenartige Sekundärstruktur bilden. Dieser Selektionsmechanismus, der gegenüber Änderungen der Pufferbedingungen robust ist und mit Finite-Elemente-Simulationen übereinstimmt, verändert die Sequenzverteilung in Oligonukleotidpools im Zeitverlauf. Bei Anwendung auf ein realistisches Durchflussszenario in einem porösen Gesteinsimitat wird beobachtet, dass sich bestimmte Sequenzen gegen einen verdünnenden Abfluss schützen und konzentrieren, was ein präbiotisches Modell für die Entstehung autokatalytischer, selbstreplizierender Oligonukleotide darstellt. Kapitel 2 befasst sich mit der Replikation von Nukleinsäuren, die durch Verdünnung und Schwierigkeiten bei der Strangtrennung in Gegenwart divalenter Ionen wie Mg2+ beeinträchtigt wird. Herkömmliche Lösungen beinhalten Temperaturgradienten, die zwar effektiv sind, aber zum Zerfall der Moleküle führen können und nur begrenzt zur Verfügung stehen. Hier wird eine isotherme geologische Umgebung untersucht, in der ein Gasfluss über eine offene Gesteinspore in Verbindung mit einem Wasserzufluss die Ansammlung von Biomolekülen und die zyklische Strangtrennung durch lokale Salzkonzentrationsschwankungen antreibt. Experimentelle Daten und Simulationen zeigen, dass dieses System Nukleinsäuren bis zu 30-fach anreichert und zirkuläre Strömungsmuster hervorruft, die eine Strangtrennung ohne die Notwendigkeit einer Erhitzung ermöglichen. Dieser Mechanismus, der durch Fluoreszenzbildgebung und Monte-Carlo-Simulationen unterstützt wird, ermöglicht die Replikation von Nukleinsäuren unter isothermen Bedingungen, was durch die Zugabe von Taq-Polymerase als Modellreplikator nachgewiesen wurde. Diese Entdeckung erweitert das Spektrum der plausiblen Umgebungen für frühes Leben auf unserem Planeten erheblich.

Abstract

The molecular evolution of nucleic acids, with their dual capacity to store genetic information and to catalyze their own replication, plays a central role in origin of life research. However, the selection of functional oligonucleotides from pools, as well as their replication were required to overcome significant challenges. This thesis explores two key mechanisms that could have facilitated these processes in early Earth environments. Chapter 1 focuses on the emergence of functional oligonucleotides through a molecular selection mechanism. Cyclic processes like daily temperature oscillations are proposed to trigger sequence-specific phase separation. Through experiments with DNA, it is shown that sequence-specific enrichment occurs in the sedimented dense phase, particularly favoring short 22-mer DNA sequences that form a honeycomb-like secondary structure via base-pairing. This selection mechanism, supported by finite element simulations and robust to buffer condition changes, shows an increase of pool sequence bias over time. When applied to a realistic flow-through scenario in a porous rock mimic, specific sequences shelter and concentrate against a diluting outflux, providing a prebiotic model for the emergence of auto-catalytic, self-replicating oligonucleotides. Chapter 2 addresses the challenge of nucleic acid replication, which is hampered by dilution and the difficulty of strand separation in the presence of divalent ions likeMg2+. Conventional solutions involve temperature gradients that, while effective, can lead to molecular degradation and are environmentally limited. Here, an isothermal geological environment is investigated, where a gas flow across an open rock pore with an inflow of water, drives the accumulation of biomolecules and cyclic strand separation through local salt concentration oscillations. Experimental data and simulations demonstrate that this system accumulates nucleic acids up to 30-fold and induces circular flow patterns, which facilitate strand separation without the need for heating. This mechanism, supported by evidence from fluorescence imaging and Monte Carlo simulations, enables the replication of nucleic acids under isothermal conditions, demonstrated by using Taq Polymerase as a model replicator. This finding significantly expands the range of plausible environments for early life on our planet.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Origin of Life, Replication, Early Earth Environments, Nucleic Acids, Phase Separation, Isothermal PCR, Molecular Evolution
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Braun, Dieter