University of Groningen
Self-Replication out-of-Equilibrium
Yang, Shuo
DOI:
10.33612/diss.171627402
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from
it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2021
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Yang, S. (2021). Self-Replication out-of-Equilibrium. University of Groningen.
https://doi.org/10.33612/diss.171627402
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
124
Samenvatting
In dit proefschrift hebben we een synthetisch zelfreplicerend systeem gebruikt om de centrale eigenschappen van het leven, zoals diversiteit, ver-uit-evenwicht staten, complexiteit en homochiraliteit, na te bootsen en te begrijpen.
In Hoofdstuk 2 beschrijven we het ontstaan van twee nieuwe zelfreplicators (een pentameer en trimeer) uit bouwstenen die zich normaal gesproken repliceren in de vorm van een hexameer. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) bevestigde de formatie van vezels die samengesteld waren uit het pentameer en trimeer. Gebaseerd op optische metingen van de vezels veronderstellen we dat het toevoegen van guanidinium chloride de hydrofobe interacties tussen de bouwstenen versterkt, waardoor de grootte van de zelfreplicerende macrocyclus verandert. Experimenten waarbij het hexameer, pentameer en trimeer worden gebruikt als seed voor elkaars vezelvorming lieten een beperkte mate van kruiskatalyse zien. Kortom, door de reactieomstandigheden te veranderen met guanidinium chloride konden we zelfreplicatoren van verschillende groottes creëren vanuit een gemeenschappelijke bouwsteen.
Om redox reacties te implementeren in zelfreplicerende systemen richtte het onderzoek in Hoofstuk 3 zich op de kinetiek van redox- en uitwisselingsreacties in thiol-disulfide chemie bij verschillende pH-waardes. De resultaten lieten zien dat al deze reacties langzamer verliepen als de pH werd verlaagd en dat de reactiesnelheden de volgende onderlinge verhoudingen aanhielden: reductie > uitwisseling > oxidatie. De reductie van disulfides met behulp van TCEP is sneller dan de oxidatie van thiolen door NaBO3. Opmerkenswaardig was dat onze metingen
van de reactiesnelheden lieten zien dat de uitwisseling van disulfides nog steeds plaats vond bij een lage pH-waarde. Dit kinetisch onderzoek bood een goed fundament om ver-uit-evenwicht condities in zelfreplicerende systemen op te zetten.
De ontdekking gedaan in Hoofdstuk 2 en de kinetiek studie in Hoofdstuk 3 leidden tot het onderzoek van ver-uit-evenwicht systemen in Hoofdstuk 4. Wij toonden daar dat, als een systeem van replicatoren onderworpen werd aan een regime waar replicatie in competitie was met de destructie van de replicatoren, simpele en snelle replicerende trimeren plaats kunnen maken voor complexere en langzamere replicerende hexameren. Een ver-uit-evenwicht staat waar replicerende disulfide verbindingen continu vormen en opbreken werd bereikt door het constant toevoegen van oxidators en reductors. Vanwege de complexiteit van het systeem, dat bestaat uit meerdere verbindingen die in elkaar omgezet worden, met ieder een eigen kinetiek, maakten wij gebruik van computationele studies om een flux analyse uit te voeren als aanvulling op de experimentele observaties. Verder ontdekten wij dat de de structureel complexere replicatoren efficiënter waren in de katalyse van een modelreactie. Deze
resultaten lieten zien dat, door het toedienen van brandstoffen, systemen van replicatoren uit evenwicht gehouden kunnen worden, wat leidt tot de formatie van complexere replicatoren die anders niet gemakkelijk toegankelijk zijn.
In Hoofdstuk 5 beschrijven we het ontstaan van een homochirale zelfreplicator. Het zelfreplicerend pentameer dat we verkregen in Hoofdstuk 2 beschikte over een hoge chirale selectiviteit, wat werd bewezen met seed experimenten en massaspectrometrie. Het mengen van bouwstenen met een verschillende chiraliteit resulteerde enkel in de replicatie van een heterochiraal trimeer. Als daarentegen reeds gevormd pentameer als seed aan de reactie werd toegevoegd, groeide het homochirale zelfreplicerend pentameer vanuit een racemisch mengsel door alleen de bouwsteen met dezelfde chiraliteit te consumeren. De resultaten suggereren dat biochiraliteit zou kunnen ontstaan in verschillende stadia, waarbij de eerste simpele levensvormen kunnen zelfrepliceren op een heterochirale wijze en homochiraliteit pas in een later stadium van evolutie wordt geïntroduceerd.
Samenvatting
