University of Groningen
Steps towards de-novo life
Monreal Santiago, Guillermo
DOI:
10.33612/diss.121581426
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: 2020
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Monreal Santiago, G. (2020). Steps towards de-novo life: compartmentalization and feedback mechanisms in synthetic self-replicating systems. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.121581426
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.
Nederlandse samenvatting
In dit proefschrift hebben we geprobeerd een aantal fundamentele eigenschap-pen van leven in een synthetisch systeem te implementeren met het maken van de-novo leven als uiteindelijk doel. De aanpak die we hebben gekozen volgt de definitie van leven die Ganti in 1971 gaf. Deze definitie stelt dat een minimale versie van leven subsystemen moet bevatten die in staat zijn tot zelf-replicatie, compartimentering en metabolisme. Hoofdstuk 1 bespreekt deze eigenschappen en hun relevantie voor het leven en geeft een overzicht van de voortgang in de implementatie van zulke subsystemen.
Hoofdstuk 2 is gericht op het zelf-replicatie mechanisme van op
peptide-gebaseerde fibers die voortkomen uit een dynamische combinatoriële bibliotheek. Onze groep heeft al eerder vastgesteld hoe zulke fibers zichzelf repliceren door een combinatie van mechanische fragmentatie en getempleerde groei, gebruik makend van kleine disulfide macrocycli als voorlopers. In dit hoofdstuk bestud-eren we de groei van de fibers in detail, door deze direct te visualisbestud-eren met behulp van HS-AFM (High Speed Atomic Force Microscopy). Deze resultaten laten zien dat de groei van de fibers gebaseerd is op een nieuw mechanisme van supramoleculaire polymerisatie waarbij kleine macrocycli zich ophopen aan de buitenkant van de zelf-replicerende fibers en daarbij grotere aggregaten vormen waaruit deze macrocycli vervolgens naar de fiber uiteinden diffunderen. Ook hebben we de aggregatie van de macrocycli los van de fibers bestudeerd en con-cluderen dat deze aggregaten een off-pathway state zijn die niet bijdraagt aan de groei van fibers maar wel onderdeel kan zijn van de formatie van andere supramoleculaire polymeren en autokatalytische structuren.
Hoofdstuk 3behandelt compartimentering. Daarin worden complexe
coaver-vaten (druppels op basis van polyelektrolyt complexatie) gebruikt om de zel-freplicerende fibers, die in het voorgaande hoofdstuk zijn besproken, in te kapse-len. Eerst wordt de opname van replicatoren en voorlopers van deze replica-toren door de coarcervaten besproken. Die opname is, in beide gevallen, nage-noeg compleet als gevolg van hun hoge lading. Vervolgens bestuderen we dif-fusie tussen coarcervaten, waarin we hebben laten zien dat kleine macrocycli veel makkelijker in en uit de coacervaat fase kunnen bewegen dan de fibers. Dit is een zeer nuttig resultaat voor de-novo leven: in dit systeem worden de moleculen die de informatie bevatten bewaard in een compartiment, terwijl hun voorlop-ers kunnen worden uitgewisseld met de omgeving. Tot slot laten we zien hoe inkapseling in coavervaten invloed heeft op de dynamische combinatoriële bib-liotheek en op veranderingen in stabiliteit van de disulfide macrocycli: er wordt een trimeer replicator gevormd in de coacervaat fase, in tegenstelling tot de hex-ameer die de bibliotheek domineert in bulkoplossing.
De resultaten van Hoofdstuk 4 zijn het eerste voorbeeld van een synthetisch systeem dat zowel in staat is om zichzelf te repliceren èn externe energie kan
Nederlandse samenvatting
bruiken om de formatie van zijn eigen voorlopers te katalyseren. In dit hoofdstuk ontdekken we dat de op peptide-gebaseerde replicatoren, die eerder beschreven zijn, in staat zijn om bepaalde kleurstoffen te rekruteren die singlet-zuurstof kun-nen produceren. Deze rekrutering verandert de eigenschappen van de kleurstof-fen, waardoor hun absorptievermogen toeneemt of de absorptiemaxima verschui-ven naar andere golflengtes. Onder bepaalde omstandigheden neemt de foto-katalytische efficiëntie van de kleurstoffen in aanwezigheid van replicatoren toe, wat leidt tot een verbeterde foto-oxidatie. Deze foto-oxidatie geeft de voorlop-ers van de replicator als product, waardoor de replicatiesnelheid toeneemt. Deze kritische eerste stap maakt toekomstig onderzoek mogelijk waarbij de replica-toren de vorming van andere verbindingen zouden kunnen katalyseren of ges-electeerd zouden kunnen worden gebaseerd op hun vermogen om deze proto-metabolische reactie in gang te zetten.
De rekrutering van foto-katalytische cofactoren beschreven in hoofdstuk 4 combineert twee vormen van positieve feedback in één systeem: zelfreplicatie en oxidatie. Maar de resultaten van dit hoofdstuk geven ook aan dat foto-oxidatie van leiden tot in een negatieve feedback: door een andere golflengte te kiezen waarmee wordt bestraald kan de foto-oxidatie door de replicatoren worden geremd in plaats van versterkt. In Hoofdstuk 5 wordt dit effect experi-menteel bevestigd en wordt het gebruikt om een chemische oscillator te ontwer-pen. We gebruiken een kinetisch model om dit ontwerp te simuleren, waarbij we bevestigen dat de voorgestelde combinatie van zelf-replicatie, negatieve feed-back en uit-evenwichtcondities (door constante instroom van een reductans, dat de replicator uiteen laat vallen in monomeren) kan theoretisch leiden tot oscil-laties. De oscillaties die zijn gevonden in het gebied van de parameter-ruimte bestudeerd door het model zijn echter altijd gedempte oscillaties en vereisen een sterke inhibitie – mogelijk sterker dan wat het systeem op dit moment kan bew-erkstelligen. Om dit oscillatorontwerp experimenteel te kunnen implementeren zouden nieuwe foto-oxidatoren moeten worden onderzocht.
Tot slot doet Hoofdstuk 6 een stap terug en zet de resultaten van dit proef-schrift in de context van het synthetiseren van de-novo leven. De auteur denkt na over wat er is bereikt en wat de volgende stappen voor dit systeem zijn, en geeft zijn persoonlijke kijk op de toekomst van het veld.
