Replikation und Selektion unter Nichtgleichgewichtsbedingungen mit reaktiven Nukleotiden durch Hyperexponentielle RNA Polymerisation in einer thermischen Falle

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Braun; Professor Dr. Ulrich Gerland
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265469975

Können wir das Nichtgleichgewicht eines thermischen Gradienten nutzen, um einen Darwin-Prozess der Replikation und Selektion zu implementieren, der allein auf den reaktiven Nukleotiden cGMP und cCMP aufbaut? Wir haben kürzlich eine experimentelle Plattform etabliert, welche dieses ehrgeizige Ziel erreichbar macht. Speziell haben wir zentrale Prozesse demonstriert, welche den Übergang der chemischen zur biologischen Phase machbar erscheinen lässt. Die Prozesse starten von geologisch plausiblen Bedingungen, wie niedrige Konzentration einfacher Moleküle ohne die Existenz von Proteinen. Wir haben gefunden, dass thermische Fallen (Konvektion und Thermophorese in einer Gesteinsspalte) eine natürliche Lösung zur Akkumulierung von Molekülen darstellt: ein globales Nichtgleichgewicht der Temperatur akkumuliert die Moleküle und treibt hierdurch Reaktionen in Richtung größerer Komplexität an. Beispielsweise konnten wir kürzlich mit DNA-Oligomeren zeigen [C.B. Mast, S. Schink, U. Gerland and D. Braun, PNAS 110, 8030-8035 (2013)], dass eine thermische Falle eine hyperexponentiellen Verstärkung einer Polymerisierungsreaktion erlaubt. Wir werden dieses Ergebnis auf die Einzelnukleotid-Ebene übertragen. Wir werden eine kürzlich gezeigte, schnelle Polymerisierung von RNA 20meren ausgehend von cGMP der di Mauro Gruppe benutzen. Wir haben seine Ergebnisse im Labor reproduziert. Diese Reaktion passt gut auf die Bedingungen einer thermischen Falle und läßt eine reiche Replikations- und Selektionsstruktur erwarten. Wir werden drei Hauptziele verfolgen:1. Hyperexponentielle Polymerisation. Kreation von langer RNA in einer thermischen Falle. Die Polymere bilden sich aus dem konstanten Zufluß von cGMP geringer Konzentration. 2. Codon-Replikator basierend auf tRNA. Replikation langer Codon-Sequenzen mittels Hairpin-ligation von cGMP, gestartet von poly-C Templaten, verstärkt durch die thermische Falle.3. Theoretische Beschreibung und Exploration des Zusammenspiels der Nichtgleichgewichts-Physik der thermischen Falle und stochastischen chemischen Reaktionen. Die Ansätze reichen von vereinfachten analytischen Beschreibungen bis zu vollständigen Finite-element Simulationen von detaillierten raumzeitlichen Modellen. Alle Ansätze werden eng mit dem Experiment verknüpft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen