Anorganische genetische Materialien

1. Hauptseminar AC V Inna Dewald 13.07.10 Anorganische genetische Materialien

2. Gliederung Einleitung Bedingungen für ein einfaches Replikationssystem Schichtsilikate als Modelle 3.1 Montmorillonit (A. Weiss) 3.2 Interkalation (A. Weiss) 3.3 Bändermodell (A. G. Cairns-Smith) 4. Zusammenfassung 5. Quellenangaben

3. Einleitung • das erste feste Gestein: vor 4,5 Mrd. Jahren • älteste fossile Funde: 3,3-3,5 Mrd. Jahre alt • biologische Evolution hatte bereits begonnen

4. Einleitung Chemische Evolution: präbiologische Atmosphäre: stark reduzierend elektrische Entladung (Blitz) UV-Strahlung Bausteine: Aminosäuren, Purine, Pyrimidine, Fettsäuren und Zucker Aufkonzentrierung, Kondensation, Polymerisation Makromoleküle = Informationsträger Galaktische Evolution Ursprüngliche Atmosphäre auf der Erde Chemische Evolution NA, DNA, Proteine und Replikation Biologische Evolution

5. Einleitung • Replikation: • System aus DNA, RNA und Ribosomen ungeeignet • Grund: organische Makromoleküle sind unter den harschen präbiotischen Bedingungen nicht stabil • Zersetzung in Bausteine Galaktische Evolution Ursprüngliche Atmosphäre auf der Erde Chemische Evolution NA, DNA, Proteine und Replikation Biologische Evolution

6. Einleitung • Nur Ribonukleinsäuren replikationsfähig? • Andere Replikationssysteme? Einfachere? • Wenn die Replikation eines Informationsträgers eine allgemeine Eigenschaft aller chemischen Systeme ist, so ist das System aus DNA und Proteinen möglicherweise eine perfekte Realisierung dieses Prinzips.

7. Bedingungen für ein einfaches Replikationssystem • spontane Selbstvervielfältigung des Informationsträgers • Weitergabe der Information von Generation zu Generation • einfache Chemie des Systems • genetisches Material muss unter den vorherrschenden Umweltbedingungen stabil sein • stabile Bindungen (z.B. ionische Bindungen) • präziser Replikationsprozess • Mechanismus zur Trennung der Matrix von dem Replikat

8. Schichtsilikate als Modelle • Information = 2D - Ladungsdichteverteilung • (durch isomorphe Substitution) • Stellen erhöhter Konz. an: • - neg. Ladung (Lewis-Base) • - pos. Ladung (Lewis-Säure) • Stellen hoher katalytischer Aktivität • eine Schicht = Modell eines Multienzymkomplexes • Katalyse von: - Dimerisierung und Oligomerisierung ungesättigter Fettsäuren • - Isomerisierung • - Redoxreaktionen • - Kondensationsreaktionen und Hydrolyse

9. Schichtsilikate als Modelle Am Beispiel von Montmorillonit:

10. Schichtsilikate als Modelle Am Beispiel von Montmorillonit: • Eindringen von Wasser zwischen die Schichten • Abstand nimmt zu • Reversible Separation • individuelle Schichten der Dicke 9-10 Å • je kleiner Ionenstärke, desto größer der Abstand • ab einer Elektrolykonzentration < 10-3 M zerfallen die Kristalle in einzelne Schichten • Matrix • Aufbau neuer Schichten

11. Schichtsilikate als Modelle Am Beispiel von Montmorillonit: • Aufbau neuer Schichten • in der Natur: • z.B.: Wechsel zwischen Regen- und Dürreperioden • Information ( Substitution: Si4+ Al3+ ; • Al3+ Mg2+) kann nicht übertragen werden • Grund: langreichweitige WW notwendig (ca. 23 Å)

12. Synthese von Silikatschichten durch Interkalation Am Beispiel von Rectorit: • Wachstum neuer Schichten im Zwischenschichtraum • Vorteil: keine langreichweitigen WW notwendig

13. Synthese von Silikatschichten durch Interkalation Am Beispiel von Rectorit: • durch bedachte Wahl der Reaktionsbedingungen: • Stabilisierung des Abstandes zwischen den Schichten Wachstum neuer Schichten in den Zwischenschichten

14. Synthese von Silikatschichten durch Interkalation • Übertragung der Information bzgl. struktureller Unregelmäßigkeiten • Schichtpaare Interkalation nur in jeder zweiten Zwischenschicht • Mechanismus entspricht einer primitiven, 2-dimensionalen Replikation der DNA-Doppelhelix

15. Synthese von Silikatschichten durch Interkalation • Probleme bei der Replikation 2-dimensionaler Informationsträger: • Startpunkt? • zufällig an Kristallgrenzen selektiv bei bestimmter Ladungsdichte • Größe der neuen Schicht? • kein Stoppzeichen • zusätzliche Informationen durch ungehinderten Wachstum • fehleranfällig durch 2-Dimensionalität • Experimente nicht reproduzierbar

16. Neuer Ansatz Gestaltung eines primitiven Gens: • Aufbau der DNA Struktur eines primitiven Gens • Basenpaare einzelne Schichten

17. Neuer Ansatz 2 Arten von Schichtkristallen: Permutation chemisch unterschiedlicher Schichten „mixed layer crystals“ Bsp.: Rectorit Permutation chemisch identischer Schichten mit unterschiedlicher Orientierung „polytypes“ Bsp.: Illit, Glimmer

18. Neuer Ansatz • Beispiel für gemischte Schichten: • Rectorit: geordnete Abfolge hydratisierter und nicht hydratisierter Schichten Permutation erst durch ungeordnete Abfolge Informationsspeicherung

19. Neuer Ansatz Beispiel für Polytypie: Glimmer 6 einfache Stapelvarianten von 10 Å dicken Glimmerschichten:

20. Neuer Ansatz Glimmer:

21. Neuer Ansatz Glimmer: Illit: ungeordnete Stapelfolge Informationsspeicherung

22. Bändermodell Schlüssel zur Replikation = Wachstum an der Kante Wachstum durch seitliche Anlagerung gelöster „Bauteile“; es entstehen bemerkenswert dünne Bänder Bsp.: Illit Das Wachstum ist ungleichmäßig und stark verzweigt, wodurch scheinbar unorganisierte Überlappungen entstehen.

23. Bändermodell Schlüssel zur Replikation = Wachstum an der Kante dadurch hat jedes Band in jeder Verzweigung die gleiche Schichtsequenz

24. Genetic Takeover Übergang vom primitiven zum weiterentwickelten Replikationssystem G1 = erstes genetisches Material (anorganisch); Information = Permutation mikrokristalliner Unregelmäßigkeiten G2 = fortgeschrittenes genetisches Material, z.B. RNA G2 zunächst auf G1 angewiesen symbiotische Zusammenarbeit G1 wird am Ende verworfen

25. Zusammenfassung • bisher nur Hypothesen • experimentelle Nachweise nicht reproduzierbar • Experimente mit natürlich vorkommenden Tonmineralen durchgeführt: • biologisch kontaminiert; keine 100%ige Reinigung • Beeinflussung der katalytischen Aktivität durch Fe3+ (unter präbiotischen Bedingungen nur Fe2+) Wiederholung der Experimente mit synthetisch hergestellten Tonmineralen, die in einer präbiotischen Atmosphäre synthetisiert wurden

26. Quellenangaben • A. Weiss, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1981, 20, 850-860 • G. Arrhenius, A. G. Cairns-Smith, H. Hartman, S. L. Miller, L. E. Orgel, Angew. Chemie. 1986, 98, 654 • A. G. Cairns-Smith, Chem. Eur. J. 2008,14, 3830-3839 • S. W. Fox, Nature 1965, 205, 328; The Sciences I1980, 18. • A. G. Cairns-Smith, J. Theoret. Biol. 1966,10, 53; The Life Puzzle, Oliver & Boyd, Edinburgh 1971 • http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Montmorillonit.png; letzter Zugriff: 21.06.10 • http://www.tutorvista.com/content/biology/biology-iii/organic-evolution/organic-evolution.php; letzterZugriff: am 26.06.10 • http://www.topnews.in/health/files/dna.jpg; letzter Zugriff: 27.06.10 • Deer, Howie, Zussman, Rock-Forming Minerals 2003, Vol. 3A; Micasby M.G. Fleet, 2. Ed., p. 22-23 • http://de.wikipedia.org/wiki/Illit; letzter Zugriff: 7.07.10 • Vorlesungsmaterial Umweltgeologie, Abschnitt 4: Struktur und Eigenschaften der Tonminerale und Tonrohstoffe, TU Dresden, S. 22-34: http://www.tu-dresden.de/biw/geotechnik/geologie/studium/download/umwgeol/abschnitt4.pdf; letzter Zugriff: 7.07.10 • http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol6550/polymorphs.html ; letzter Zugriff: 7.07.10

27. Vielen Dank für ihre aufmerksamkeit