Alternatives to Terran Biochemistry in Water. Markus Endl Forschungsplattform Astrobiologie

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1 Alternatives to Terran Biochemistry in Water Markus Endl Forschungsplattform Astrobiologie

2 Baustein des Lebens - DNA CRASHKURS Page 2

3 Baustein des Lebens - DNA DNA Desoxyribonukleinsäure, Erbinformation Kettenmolekül/Polymer 3 Bestandteile Nukleotid Zucker (Desoxyribose, 5 C-Atome) Phosphat Heterozyklische Base (Nukleobase) Watson-Crick-Paare Adenin-Thymin Guanin-Cytosin Standard Nukleobasen keine kovalente Bindungen Page 3

4 Baustein des Lebens - DNA Aufeinanderfolge der Nukleobasen ergibt genetischen Code Transkription: Kopie eines DNA-Abschnittes Proteinkomplex löst Doppelhelix Anlagerung v. komplementären Ribonukleotiden Enstehung von m(rna) Translation mrna dockt an Ribosom an Information der mrna in Kette aus Aminosäuren übersetzt Zubringer trna, je eine für 20 Aminosäuren Bildung eines Proteins / räumlichen Strukturen Page 4

5 Baustein des Lebens - DNA Doppelhelix Aminosäuren / Codons Page 5

6 Notwendige Fragestellungen Frage: Ist DNA limitiert auf die 4 bekannten Standard-Nukleobasen? die 20 Standard-Aminosäuren z.b. Desoxyribose Synthetische Biologie! Page 6

7 Baustein des Lebens - DNA CRASHKURS Page 7

8 Biochemie auf Erde Wasser als Lösungsmittel (flüssig) Nukleinsäuren (DNA) für genetische Funktionen, Proteine als Katalysator Reproduktion und Evolution C=O-Metabolismus Thermisch dissipativ, basierend auf chem./solaren/geothermalen Energiequellen KURZFORM Wasser + Energie = Leben GEOZENTRISCH und RISKANT aber Beweis es funktioniert Page 8

9 Synthetische Biologie erforscht Alternativen Ziel ist die Kreation von neuen funktionierenden biologischen/biochemischen Systemen, Evolution Voraussetzungen des Produkts:» Funktionierende Strukturen» Informationsträger» Reproduzierend für Evolution» Möglichkeit zur Beantwortung der Frage: Sind die auf der Erde vorkommenden biomolekularen Strukturen die einzigen, welche die Anforderung an Leben erfüllen können? Page 9

10 DNA nicht limitiert auf A-G,T-C Entwicklung neuer stabiler Basen(Paare) zur Erweiterung des genetischen Codes Gleiche Größenordnung (Purin mit Pyrimidin) Wasserstoff-Bindungen (Donor, Acceptor) Page 10

11 Erweiterung auf 12 Nukleobasen bzw. 6 Basenpaare erfolgreiche Implementierung in DNA Erstellung künstlicher Systeme Fähigkeit zur Evolution (Reproduktion, Mutation, Vererbung) Page 11

12 DNA nicht limitiert auf (Desoxy)Ribose Suche nach alternativem Zucker als backbone Herstellung einer Analog-DNA mit veränderten Eigenschaften in Bezug auf Stabilität Allose Altrose Hexose (6 C-Atome) Glukose LNA (locked nucleic acids) Threose (4 C-Atome) Page 12

13 Non-Standard-Aminosäuren Durch Erweiterung des genetischen Alphabets Vergößerung der Codon-Kombinationen für mrna Neue Aminosäuren entschlüsselt Durchgeführt für Saccharomyces cerevisiae (Hefepilz) E-coli-Bakterium Page 13

14 Problem Detektion Alternativen sind möglich Anzahl? Aufgabe: Standard-Detektoren für Standard-DNA/Aminosäuren Benötigen Detektionsmöglichkeit für Non-Standard Nicht nur für andere Planeten/Monde!!! Theorie von unentdeckten Lebensformen mit Non-Standard-DNA / Aminosäuren auf Erde Page 14

15 Wasser als Lösungsmittel Wasser H2O Wasserstoff andere Elektronegativität als Sauerstoff Ausprägung eines Dipols bzw. Polarität Wasserstoff positiv, Sauerstoff negativ DNA ist negativ geladen (Phosphat im Backbone) Löslichkeit durch elektrostatische Kräfte Page 15

16 Non-Ionische DNA-Analoge Ansatz zur Erhöhung der DNA-Stabilität Ersatz des Phosphates durch neutrales Dimethylsulfon für längere Polymere nicht erfolgreich Erfolgreich für kurze Polymere (SNAs) Beobachtung von veränderter Löslichkeit, Struktur und chem. Reaktivität mit nur einer Base Unterschied für Genetik deshalb ungeignet Page 16

17 Gründe für geladene Phosphat-Bindungen 1. Ohne sich wiederholende Ladungen könnten Watson-Crick- Bindungen, die sich zwischen den Strängen abspielen überall auftreten (aber STABIL) 2. Sich wiederholende Ladungen implizieren mehr Stabilität ggü. Auffaltung/Spiralstruktur Kopie der Stränge 3. Verhindern Zusammenlegen verschiedener Stränge 4. Physische Eigenschaften dominiert vom Backbone Austausch von Nukleobasen nur sekundärer physischer Effekt auf DNA Page 17

18 Alternative zur Detektion von DNA Umgehung Problem Detektion Aminosäuren Polyanionisch/er-kationischer Backbone in Wasser Rückschluss: nach erfolgreicher Detektion von Wasser Nachweis des Backbones Suche nach Leben möglich, welches sich durch bekannte/unbekannte Nukleobasen unterscheidet Strukturelle Eigenschaften einfacher detektierbar, Technik wäre vorhanden Page 18

19 Alternative zur Detektion von Aminosäuren Bindung (Amide) von Polypeptid-Ketten weisen Dipol- Charakter auf WICHTIG für effizienten Katalyse-Prozess in Wasser (Proteine, Enzyme) Alternativen zu Amiden mit monopol-charakter scheiden aufgrund des langsamen Katalyse-Prozessen aus Page 19

20 Ansatz Nur Wasser als Lösungsmittel? Dipolare Interaktionen stärker in unpolaren Lösungsmitteln Methan ABER: Nachteil: Löslichkeit eines Monopols geht gegen Null Theoretisch KEINE EVOLUTION möglich Nur polares Lösungsmittel zulässig! Page 20

21 Conclusio Trotz vieler neuer Ergebnisse steht Forschung steht noch am Beginn Aufgrund der vielen Möglichkeiten: Weltraum-Missionen zur Abschätzung der örtlichen Verhältnisse Einengung der Optionen für Polymer-Strukturen Anlegen eines Pools für biochemische Möglichkeiten Anpassung der Detektionseinrichtungen Page 21

22 Danke für die Aufmerksamkeit