Origin of Life: Untersuchungen von hydrothermal gebildeten Flüssigkeitseinschlüssen in Gesteinsproben sowie die Analyse von Simulationsexperimenten zur Peptid- und Nukleotidbildung mit einer Phasengleichgewichtshochdruck-Apparatur
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit fanden Untersuchungen zum Thema „Origin of Life“ mittels neuer analytischer Methoden und moderner Analysegeräten statt.
Im ersten Teil der Arbeit wurden verschiedene Gesteins-/Mineralproben auf mögliche Vorläufermoleküle für organisches Leben hin untersucht. Im Einzelnen handelte es sich um Calcite aus einem Bohrkern aus der Vulkaneifel (Wehrer Kessel), Knistersalze aus dem Werra-Gebiet (Thüringen) und Quarze aus Westaustralien. Bei allen Proben handelt es sich um Flüssigkeitseinschlüsse innerhalb von Abscheidungen hydrothermaler Herkunft. In diesen Abscheidungen konnten die Precursormoleküle für organisches Leben über die langen Zeiträume erhalten werden. Von besonderer Bedeutung ist auch, dass es sich um Bildungen eines in sich geschlossenen Systems handelt, welches nicht mit der Atmosphäre in Verbindung stand. Somit sind Einträge von außen auszuschließen. Es handelt sich um rein chemisch gebildete Moleküle. Die Untersuchungen zielten speziell auf Aldehyde und weitere polare organische Verbindungen als mögliche Vorläufermoleküle für organisches Leben ab.
In der Bohrkern-Probe (Calcitgang) konnten durch Abgleich mit analytischen Standards langkettige Aldehyde von C8–C16 erfolgreich mittels GC-qTOF eindeutig identifiziert werden. Die quantitative Analyse ergab Aldehyd-Konzentrationen von 17–582 µg/kg Calcit. Das Aldehyd Nonanal (C9) hat mit 582 µg/kg die höchste Konzentration und Tetradecanal (C14) mit 17 µg/kg die niedrigste. Diese Konzentrationen waren nur durch die sehr aufwändige Entwicklung des Reinigungs- und Probenaufbereitungsprozesses und einer optimierten und letztendlich etablierten Analysemethode zu erfassen. Darüber hinaus wurde eine neuartige DIP-qTOF MS-Kopplung getestet, um die Bohrkern-Feststoffprobe bezüglich des Vorhandenseins kurzkettiger Aldehyde (C2–C7) zu analysieren. Hierbei stellte sich heraus, dass keine ausreichende Sensitivität für den Nachweis von geringen Aldehyd-Konzentrationen vorlag. Eine weitere Untersuchung über die headspace-Analyse mittels GC-FID führte ebenfalls zu keinen weiteren Ergebnissen.
Bei der Binokular-Analyse der Knistersalz-Probe KS-2.1 waren Flüssigkeitseinschlüsse deutlich sichtbar. Die Analyse erfolgte mittels GC-qTOF und ergab zunächst keine identifizierbaren Substanzen. Daher sollten zukünftige Untersuchungen mit der bei den Calciten aus dem Bohrkern bewährten Methode wiederholt werden, um eine sichere Aussage über das Vorkommen eingeschlossener Vorläufermoleküle in Knistersalzen treffen zu können.
Die non-targeted Analyse und Auswertung der westaustralischen Quarz-Probe MU23.1 mittels UHPLC - Q Exactive Plus Orbitrap MS ergab eine Vielzahl an unterschiedlichen polaren organischen Verbindungen. Einige Verbindungen weisen eine hohe Anzahl an Stickstoffatomen auf. Diese Verbindungen zählen zu den wichtigsten Verbindungen der frühen Erde. Außerdem wurde ein hoher Bromgehalt in der Probe festgestellt, welcher verschiedene Reaktionen mit Alkanen, Alkoholen und Metallen fördern könnte. Diese Ergebnisse erweitern das Wissen über die präbiotische Chemie.
Im zweiten Teil der Arbeit lag der Schwerpunkt auf den Peptid- und Nukleotid-Bildungen in der Phasengleichgewichtshochdruck-Apparatur (PGGHA). Es wird davon ausgegangen, dass sich Peptide und Nukleotide bevorzugt in Umgebungen mit periodischen Druckschwankungen und damit verbundenem Wechsel von CO2 zwischen unterkritischem und überkritischem Zustand bilden konnten.
Die somit gewonnenen Peptide wurden mittels UHPLC - Q Exactive Plus Orbitrap MS analysiert, und es konnte ein Octapeptid (KSPPAAFF) gefunden werden, dessen exakte Sequenz noch bestätigt werden muss. Bei der weiteren Analytik der Peptide mittels NanoHPLC, gekoppelt mit dem Orbitrap Fusion Lumos Tribrid MS, und der anschließenden De-Novo-Peptidsequenzierung mit Peaks® Studio Xpro konnten mögliche Peptidsequenzen mit einem Score von 69–97 % gefunden werden. Hierbei handelt es sich um Penta- bzw. Hexapeptide (Versuchsreihe B: FVTLK, TTALT, TTKALK, TAATP und Versuchsreihe C: SSKVGK, TAATP, TTKALK und TLLPPP) aus zwei von vier Versuchsreihen (A–D).
Die auch mit der PGGHA generierten Nukleotide wurden mittels Q Exactive Plus Orbitrap MS über das Direkteinlassverfahren analysiert. Es wird vermutet, dass sich ein Dinukleotid (ApA) aus einem Mononukleotid (AMP) bilden kann.
In the context of the present work, investigations on the topic of "Origin of Life" took place using new analytical methods and modern analytical equipment.
In the first part of the work, various rock/mineral samples were analyzed to find possible precursor molecules for organic life. In detail, these were calcites from a drill core from the Wehrer Kessel (volcanic Eifel), crackling salts from the Werra area (Thuringia) and quartz from Western Australia. All samples are fluid inclusions within deposits of hydrothermal origin. In these deposits, precursor molecules for organic life could be obtained over the long time periods. It is also of particular importance that these are formations of a self-contained system that was not in contact with the atmosphere. Thus, inputs from the outside can be ruled out. These are purely chemically formed molecules. The investigations specifically targeted aldehydes and other polar organic compounds as possible precursor molecules for organic life.
In that a calcite vain containing drill core sample, long-chain aldehydes of C8–C16 were successfully identified by comparison with analytical standards using GC-qTOF. The quantitative analysis showed aldehyde concentrations of 17–582 µg/kg calcite. The aldehyde nonanal (C9) had the highest concentration with 582 µg/kg and tetradecanal (C14) the lowest with 17 µg/kg. These concentrations could only be detected through the very intensive cleaning and sample preparation process and an optimized and finally established analytical method. In addition, a novel DIP-qTOF MS coupling was tested to analyze the drill core solid sample in regards of the presence of short-chain C2–C7 aldehydes. It was found that there was insufficient sensitivity to detect low aldehyde-concentrations. A further investigation via headspace analysis using GC-FID also did not lead to any further results.
In the binocular analysis of the crackling salt sample KS-2.1 fluid inclusions were clearly visible. The analysis was done by GC-qTOF and initially did not reveal any identifiable substances. Therefore, future investigations should be repeated with the method proven with the calcites from the drill core in order to be able to make a reliable statement about the occurrence of entrapped precursor molecules in crackling salts.
The non-targeted analysis and evaluation of the Western Australian quartz sample MU23.1 using the UHPLC - Q Exactive Plus Orbitrap MS showed a large number of different polar organic compounds. Some compounds have a high number of nitrogen atoms. These are some of the most important compounds of the early Earth. In addition, a high bromine content was detected in the sample, which could enhance various reactions with alkenes, alcohols and metals. These results expand the knowledge of prebiotic chemistry.
In the second part, the focus was on peptide and nucleotide formations in the phase equilibrium high pressure apparatus (PGGHA). It is assumed that peptides and nucleotides could be formed preferentially in environments with periodic pressure variation and associated alternation of CO2 between subcritical and supercritical state.
On this way obtained peptideswere analyzed by UHPLC - Q Exactive Plus Orbitrap MS and an octapeptide (KSPPAAFF) was found, the exact sequence still needs to be confirmed. Further analysis of the peptides using NanoHPLC coupled with the Orbitrap Fusion Lumos Tribrid MS and subsequent De-Novo-peptide-sequencing using Peaks® Studio Xpro found possible peptide sequences with a score of 69–97 %. These are penta- or hexapeptides (experimental series B: FVTLK, TTALT, TTKALK, TAATP and experimental series C: SSKVGK, TAATP, TTKALK and TLLPPP) out of two series of four experiments (A–D).
The nucleotides which were also generated with the PGGHA were analyzed by using the Q Exactive Plus Orbitrap MS via the direct-injection method. It is assumed that a dinucleotide (ApA) can form via a mononucleotide (AMP).