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C-14 bomb peak dating of human DNA samples at the microgram level

Jakob Christoph Liebl

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Walter Kutschera

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30068.94369.218261-0

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Radiokohlenstoff (14C, t1/2 = 5700 ± 30 a) hat vielseitige Anwendungen von der Archäologie über die Erdwissenschaften bis zur Medizin, wobei in vielen Fällen die minimale Kohlenstoffmenge, in welcher das Verhältnis 14C/12C noch messbar ist, eine Limitierung darstellt. Mit der Einführung von Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry = AMS) wurde die für eine Messung benötigte Menge an Kohlenstoff von einigen Gramm (Zerfallszählung) auf circa ein Milligramm (AMS) reduziert. Die vorliegende Arbeit stellt eine weitere Reduktion auf ein Millionstel der für Zerfallszählung benötigten Probengröße hin zu wenigen μg Kohlenstoff dar. Dies ist zur Bestimmung des Entstehungszeitpunkts von menschlichen Zellen mittels 14C von atmosphärischen Kernwaffentests in den Jahren 1955 bis 1963 von entscheidender Bedeutung. Die Messung des 14C Anteils in genomischer DNA erlaubt eine Altersbestimmung von Zellen. Das wesentliche Ziel dieser Arbeit stellt die Reduktion der benötigten Kohlenstoffmenge für zuverlässige 14C Messungen in einem Ausmaß dar, das die Untersuchung von besonders interessanten und kleinen Bereichen des menschlichen Gehirns (z. B. des Riechzentrums, bulbus olfactorius) möglich macht. Detaillierte Untersuchungen und die Weiterentwicklung von 14C AMS Probenaufbereitungs- und Messmethoden für μg DNA Proben wurden in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Zell- und Molekularbiologie des Karolinska Instituts in Stockholm durchgeführt. Das bedeutungsvollste Resultat stellen 14C AMS Messungen an 4.6 μg C von DNA Proben mit einer Gesamtpräzision von 2.3% dar. Diese Messungen ermöglichten die Untersuchung von Neurogenese im menschlichen bulbus olfactorius, wobei festgestellt wurde, dass diese überwiegend bei der Geburt stattfindet. Eine obere Grenze für eine durch das gesamte Leben hindurch konstant angenommene jährliche Zellerneuerungsrate von Neuronen im menschlichen bulbus olfactorius von 0.34% (95% Konfidenzintervall) konnte dadurch bestimmt werden. Für Messungen am Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) wurde das Probenmaterial als Graphit aufbereitet. Ein Vergleich der Messungen bei VERA mit Messungen von CO2 mittels einer neuen Gasionenquelle an einem MIni radioCArbon DAting System (MICADAS) des Labors für Ionenstrahlphysik der ETH Zürich, wurde durchgeführt. Der hohe Grad an erzielter Übereinstimmung der 14C Messungen von aufgeteiltem CO2 Probenmaterial (bei VERA zu Graphit reduziert) bestätigt Messunsicherheiten von nur 1% für 10 μg C Proben in beiden Labors. Unabhängig von den DNA-Messungen wurden die entwickelten AMS Probenaufbereitungs- und Messmethoden für μg C Proben auch für die 14C Datierung mehrerer kleiner Stücke einer Darmsaite aus dem Antrieb einer astronomischen Uhr aus dem 16. Jhdt. angewandt. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus dem Gebiet Klima und Eis des Instituts für Umweltphysik der Universität Heidelberg wurden außerdem 14C Analysen von gelöstem und partikulärem organischen Kohlenstoff im μg Bereich aus alpinem Gletscher- und Höhleneis durchgeführt. Die vorliegende Arbeit etabliert eine zuverlässige Methode zur Durchführung von 14C AMS Messungen von wenigen μg Kohlenstoff, sowohl von biologischen Proben (DNA), als auch von Proben archäologischer und geophysikalischer Bedeutung.

Abstract

(Englisch)

Radiocarbon (14C, t1/2 = 5700 ± 30 years) is probably the radionuclide with the most versatile applications, spanning from archaeology to geoscience and medicine. Many of these applications are finally limited by the minimum amount of carbon in which the isotopic ratio 14C/12C can be measured. The required carbon sample size has dramatically decreased with the development of Accelerator Mass Spectrometry (AMS), typically from gram amounts for the classical beta counting method to about 1 milligram for AMS. The current work presents a further reduction into the few-μg carbon range. This means a decrease by a factor of one million compared to classical beta counting and is essential for the field of retrospective birth dating of human cells by means of radiocarbon from above-ground nuclear weapons testing between 1955 and 1963. The determination of 14C levels in genomic DNA can be used to retrospectively establish the birth date of cells in the human body. The main motive of the current work was to reduce the amount of carbon required for reliable 14C measurements to such an extent that investigations of neurons of particularly interesting small sections of the human brain (e.g. the olfactory bulb, bulbus olfactorius) were possible. In-depth investigations and development of 14C AMS sample preparation and measurement methods for μg-size DNA samples were carried out in close collaboration with the Department of Cell and Molecular Biology of the Karolinska Institute in Stockholm. As the most significant result, 14C measurements of 4.6 μg carbon DNA samples were performed with an overall precision of 2.3%. This allowed to study neurogenesis in the human olfactory bulb, which turned out to take place primarily at birth. Assuming throughout life a constant annual renewal rate of neurons in the human olfactory bulb, an upper limit of 0.34% for the renewal rate (95% confidence) was determined. At the Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) the μg carbon samples were prepared as graphite. A comparison of graphite measurements at VERA with measurements of CO2 at a new gas ion source at a MIni radioCArbon DAting System (MICADAS) of the Laboratory of Ion Beam Physics of the ETH Zurich was carried out. The high level of agreement reached for 14C measurements of split CO2 sample material (at VERA reduced to graphite) supports 1% measurement precisions for 10 μg C samples at both laboratories. Independent from the DNA measurements, the developed AMS sample preparation and measurement techniques for μg-size carbon samples were also applied to 14C dating of several small pieces of catgut string from a highly valuable astronomical clock built in the 16th century. In addition, 14C analysis of dissolved and particulate organic carbon at the microgram level from Alpine glacier and cave ice were conducted in collaboration with scientists investigating ice climate records at the Institute for Environmental Physics of the University of Heidelberg. Overall, the current work has established a reliable method to perform 14C AMS measurements at the level of a few μg carbon, applying it to biological samples (DNA) as well as to samples of archaeological and geophysical significance.

Autor*innen

Jakob Christoph Liebl

Haupttitel (Englisch)

C-14 bomb peak dating of human DNA samples at the microgram level

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

XII, 156 S. : Ill.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Hans-Arno Synal ,

Ingeborg Levin

Klassifikationen

33 Physik > 33.40 Kernphysik ,

44 Medizin > 44.90 Neurologie

AC Nummer

AC08824636

Utheses ID

13615

Studienkennzahl

UA | 791 | 411 | |

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Schlagwörter