Quantifizierung der Allgemeingültigkeit des nichtenzymatischen rTCA-Zyklus mittels Hochdurchsatz-Experimenten

• Antragsteller: Dr. Maciej Piejko, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580368398

Ein zentrales Problem beim Verständnis des chemischen Ursprungs des Lebens besteht darin, den Übergang von einzelnen, isolierten Reaktionen zu den komplexen Reaktionsnetzwerken des biochemischen Stoffwechsels zu erklären. Einer der ältesten und für alles Leben fundamentalen Stoffwechselwege ist der inverse Citratzyklus (rTCA-Zyklus). Dieser Stoffwechselweg liefert die universellen Vorläufermoleküle, die für die Biosynthese aller zentralen Metaboliten der modernen Biochemie – Zucker, Lipide und Aminosäuren – erforderlich sind. Doch warum hat sich die Biologie gerade um diesen spezifischen Weg herum entwickelt? Obwohl der heutige rTCA-Zyklus durch Enzyme katalysiert wird, wurden nichtenzymatische Analoga dieses Zyklus von mehreren Forschungsgruppen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen beschrieben. Dies deutet darauf hin, dass die Reaktionen des rTCA-Zyklus besonders robust sind und unter einer Vielzahl von Bedingungen ablaufen können. Ziel dieses Projekts ist es, die Allgemeingültigkeit („Generality“) der Reaktionen, die den rTCA-Zyklus nachahmen, quantitativ zu definieren. Dazu werden Hochdurchsatz-Experimente mit datengestützten Analysemethoden kombiniert, um systematisch zu untersuchen, wie Reaktionsbedingungen die Entstehung von Produkten in solchen nichtenzymatischen Reaktionsnetzwerken beeinflussen. Zunächst werde ich die Methode des automatisierten Hochdurchsatz-Screenings zur Untersuchung präbiotischer Reaktionsnetzwerke etablieren. Anschließend werde ich damit einen Datensatz erzeugen, der den Reaktionsraum untersucht, der beim Mischen der Ketosäuren Glyoxylat und Pyruvat unter verschiedenen Bedingungen – etwa mit unterschiedlichen Additiven oder Katalysatoren – entsteht. Zur Bewältigung der analytischen Herausforderung, große Probenzahlen mit Dutzenden von Substraten quantitativ auszuwerten, werde ich Methoden der NMR-Metabolomik einsetzen. Darauf aufbauend werde ich das Konzept der multivariaten Korrelationsanalyse testen, um die Generalität des Reaktionsnetzwerks quantitativ zu definieren. Abschließend werde ich die zeitabhängige Entwicklung des Netzwerks untersuchen. Durch die Integration von Hochdurchsatz-Experimenten, NMR-Spektroskopie und fortgeschrittener Datenanalyse wird dieses Projekt einen Workflow etablieren, der analysieren kann, in welcher Weise einfache Moleküle komplexe Reaktionsnetzwerke hervorbringen können. Durch die Etablierung einer Methode zur Quantifizierung der Generalität eines Reaktionsnetzwerks, ermöglicht dieses Projekt die Überprüfung der Hypothese, dass die moderne Biochemie aus jenen Reaktionsnetzwerken hervorgegangen ist, die unter präbiotischen Bedingungen am robustesten und universellsten ohne Enzyme in Wasser ablaufen konnten.

• DFG-Verfahren: Stelle