Hydrothermale Akkumulation Samuel Moll
Evolution Origin of life -Problem Miller-Urey (1953): Ursuppe Konzentrationsproblem: Oberflächen? Vielversprechendes Szenario: Hydrothermalquellen
Hydrothermale Quellen heißes mit Mineralien gesättigtes Wasser bildet poröse Kamine Lebensraum von thermophilen Archaen starke Temperatur-gradienten als Motor für Reaktionen starke Anreicherung von Biomolekülen in den Poren
Überblick Thermophorese Akkumulation in Poren Mechanismus Einfluss der Porengeometrie Robustheit gegenüber Störungen Konvektion als Motor für Reaktionen
Thermophorese Bewegung von Molekülen entlang eines Temperaturgradienten Komplexer Effekt Ladung Größe
Thermophorese Bewegung von Molekülen entlang eines Temperaturgradienten Fick's Gesetz: j = - DM c DT c(1-c) T Komplexer Effekt Ladung Größe j = c*v => v = DT T Phys. Biol. 1(2004) Thermal force approach to molecular evolution
Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no. 22 9346-9351 Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems
Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no. 22 9346-9351 Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Konvektion und Elektrophorese führen zu exponentieller Anreicherung bei optimaler Porenbreite
Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no. 22 9346-9351 Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Anreicherung im Bereich 8 16 10 bis 10 -fach
Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt links heiß, rechts kalt
Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt Jede Zelle hat ein cmolekül links heiß, rechts kalt Zeitschritte: links steigen die Moleküle auf rechts sinken sie ab
Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt Jede Zelle hat ein cmolekül links heiß, rechts kalt Zeitschritte: links steigen die Moleküle auf rechts sinken sie ab
Minimalmodell Paternoster Thermodiffusion jt = cw * DT von heiß nach kalt
Minimalmodell Paternoster Thermodiffusion jt = cw * DT von heiß nach kalt Massendiffusion jm = c * DM in alle Richtungen
Minimalmodell Paternoster Freie Parameter: Thermische Diffusionskonstante DT Massendiffusionskonstante DM Porenlänge L *(1-DT) Output: Akkumulationsverhältnis Zeit bis zum Gleichgewicht
Minimalmodell Paternoster Einfluss der Porenlänge
Minimalmodell Paternoster Einfluss der Porenlänge Erwartet: t L / DM
Minimalmodell Paternoster Einfluss von DT
Minimalmodell Paternoster Einfluss von DT
Minimalmodell Paternoster Einfluss der Massendiffusion
Minimalmodell Paternoster Zusammenfassung Unzulänglichkeiten: DM entspricht nicht dem Massendiffusionskoeffizienten Porenbreite nicht im Modell DT normalerweise temperaturabhängig
Minimalmodell Paternoster Zusammenfassung Unzulänglichkeiten: DM entspricht nicht dem Massendiffusionskoeffizienten Porenbreite nicht im Modell DT normalerweise temperaturabhängig Kann erklären: exponentielle Abhängigkeit von L und DT Existenz optimaler Parameter
Einfluss der Porenbreite PNAS May 29, 2007 vol. 104 no. 22 9346-9351 Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Porenbreite kritisch optimale Porenbreite gegeben durch:
Einfluss der Porenbreite PNAS May 29, 2007 vol. 104 no. 22 9346-9351 Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems
Einfluss der Porengeometrie Akkumulation ist sehr robust gegen Änderungen der Porengeometrie
Einfluss der Porengeometrie Akkumulation ist sehr robust gegen Änderungen der Porengeometrie cbottom/ctop ist für diese Geometrien gleich Gründe: Massendiffusion Neigung:
Undichtigkeiten Pore nach unten nicht völlig geschlossen
Undichtigkeiten Pore nach unten nicht völlig geschlossen Entfernung zum freien Wasser wichtig verringert Akkumulation nicht übermäßig leichte Strömung macht auch nicht viel aus
Fazit: Robustheit gegenüber Störungen suboptimale Bedingungen, z.b. kleines T oder DT suboptimale Porenbreite, grosse Neigung Undichtigkeiten können durch größere Porenlänge ausgeglichen werden:
PCR durch Konvektion Phys. Biol. 1(2004) Thermal force approach to molecular evolution Runde Kammer wird mittig durch Laser erhitzt Konvektionsströmnung Exponentielle Vermehrung der DNA
PCR durch Konvektion Exponentielle Kettenreaktion Könnte auch andere Reaktionen antreiben z.b. selbstreplizierende RNA sollte auch in Poren funktionieren
Zusammenfassung Poren in Hydrothermalquellen können Biomoleküle exponentiell anreichern Die Anreicherung ist robust gegenüber Störungen Hydrothermalquellen sind ein vielversprechender Kandidat für den Ursprung des Lebens
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