Dokument: Cofactors and H₂ metabolism at the origin of life

Titel:	Cofactors and H₂ metabolism at the origin of life
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=68776
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250310-161342-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Henriques Pereira, Delfina Patricia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 149,49 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.02.2025 / geändert 26.02.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Martin, William F. [Betreuer/Doktorvater] Dr. Preiner, Martina [Betreuer/Doktorvater]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Serpentinizing systems are a likely location for the origin of life. These underwater structures are rich in minerals, harbour pH and temperature gradients, dissolved carbon sources such as CO₂, and a stable source of electrons from geochemically produced H₂. Central to the hypothesis built around these geochemical systems are minerals as precursors of enzymes, e.g. catalysing the reduction of CO₂ with the electrons from H₂ to organic matter. Analyses of ancient metabolic networks place organic cofactors as central to the establishment of autocatalytic chemical networks as a step between abiotic and biotic chemistry. This work explores potential prebiotic functions of cofactors, considering H₂ as the energy source, natural minerals as primary catalysts, and conditions approaching those of hydrothermal systems. This work studies both organic (NAD) and protein-bound inorganic cofactors (iron-sulphur clusters in ferredoxin), focusing on their stability under hydrothermal conditions and functional interactions with H₂ and hydrothermal minerals. Experimental results from the first and second publications show that NAD⁺ is reduced with Ni(0), Fe(0), Ni/Fe alloys and Co(0) in the presence of H₂ (5 bar, anoxic, pH 8.5, 40 °C). Publication II also highlights the importance of the AMP moiety in the function of NAD in environments with different mineral compositions. In addition, this work demonstrates the functionality of these cofactors in hydrothermal environments in the presence of high metal and water activity. Finally, the third publication shows that Clostridium pasteureanum ferredoxin requires H₂ and Fe(0) to be reduced under the same conditions. The results show that complex enzyme functions can sometimes be substituted by metal and water alone, in certain cases not even requiring exogenous H₂. Overall, this work provides fundamental experimental insights into how cofactors may have contributed to the origin of life. Serpentinisierende Systeme sind eine mögliche Umgebung für die Entstehung des Lebens. Diese porösen Unterwasserstrukturen sind reich an Mineralien, beherbergen pH und Temperaturgradienten , gelöste Kohlenstoffquellen wie CO₂ und eine stabile Energie- und Elektronenquelle aus geochemisch erzeugtem H₂. Im Mittelpunkt der Hypothese, die sich auf diese geochemischen Systeme stützt, stehen Mineralien als Vorläufer von Enzymen, die z. B. die Reduktion von CO₂ mit den Elektronen aus H₂ zu organischem Material katalysieren. Bioinformatische Analysen konservierter Stoffwechselwege zeigen, dass organische Cofaktoren eine zentrale Rolle bei der Etablierung autokatalytischer chemischer Netzwerke spielen, die einen Schritt zwischen abiotischer und biotischer Chemie darstellen. In dieser Arbeit werden mögliche präbiotische Funktionen von Cofaktoren untersucht, wobei H₂ als Energiequelle, natürliche Mineralien als erste Katalysatoren und Bedingungen, die denen von hydrothermalen Systemen ähneln, berücksichtigt werden. In dieser Arbeit werden sowohl organische (NAD) als auch proteingebundene anorganische Cofaktoren (Ferredoxin) untersucht, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Stabilität unter hydrothermalen Bedingungen und funktionellen Wechselwirkungen mit H₂ und hydrothermalen Mineralien liegt. Experimentelle Ergebnisse aus Publikation I und II zeigen, dass NAD⁺ mit Ni(0), Fe(0), Ni/Fe-Legierungen und Co(0) in Gegenwart von H₂ (5 bar, anaerob, pH 8.5, 40°C) reduziert. Publikation II unterstreicht zudem auch die Bedeutung der AMP-Komponente für die Funktion von NAD. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit die Funktionalität dieser Cofaktoren in hydrothermalen Umgebungen in Gegenwart hoher Metall- und Wasseraktivität nachgewiesen. In Publikation III konnte gezeigt werden, dass Ferredoxin (isoliert aus Clostridium pasteureanum), im Gegensatz zu NAD weniger flexible in puncto Metallwahl ist und H₂ und Fe(0) benötigt, um unter den gleichen Bedingungen reduziert zu werden. Die Ergebnisse zeigen, dass komplexe Enzymfunktionen allein durch Metall und Wasser ersetzt werden können, wobei in bestimmten Fällen nicht einmal exogenes H₂ erforderlich ist. Insgesamt liefert diese Arbeit grundlegende Experimente, um festzustellen, wie Cofaktoren zur Entstehung des Lebens beigetragen haben könnten.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	10.03.2025
Dateien geändert am:	10.03.2025
Promotionsantrag am:	24.02.2024
Datum der Promotion:	14.11.2024