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The effect of mineral particle size of goethite on DNA adsorption and degradation
Jenny Hofbauer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Environmental Systems: Processes - Pollution - Solutions
Betreuer*in
Stephan Krämer
DOI
10.25365/thesis.80211
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18512.32348.658484-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die aus Umweltproben gewonnene DNA ist eine wichtige Quelle für genetische Informationen für eine Vielzahl von Anwendungen. Wenn sie jedoch von Organismen in die extrazelluläre Umwelt freigesetzt wird, ist sie anfällig für einen schnellen Abbau durch mehrere biotische und abiotische Zerfallswege. DNA-Adsorption an mineralischen Oberflächen wurde als Weg vorgeschlagen, um sie vor schneller Umweltzerstörung zu schützen und ihre langfristige Persistenz in der Umwelt zu fördern. Die jüngste Entdeckung einer zwei Millionen Jahre alten DNA aus grönländischen Sedimenten bestätigt diese Hypothese. Als geladenes Biopolymer (allgemein bekannt als Polyelektrolyt) existiert DNA in einer breiten Palette von Polymerlängen, die typischerweise von wenigen Basenpaaren (bp) bis zu einigen tausend bps in der Umwelt reichen. Die variierende Polymerlänge der DNA kann die Adsorption beeinflussen, daher vermuten wir, dass sie auch eine Rolle bei ihrem Schutz spielen kann. Zusätzlich, anstatt eine homogene Verteilung von Partikelgrößen zu sein, weisen Mineralkristalle ein breites Größenspektrum auf. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der DNA- Mineral-Wechselwirkungen, ist der Einfluss der Mineralpartikelgröße und Polymerlänge auf die DNA-Adsorption und letztlich auch auf die DNA-Persistenz nicht vollständig geklärt. Diese Masterarbeit untersucht die Wirkung der DNA-Polymerlänge (mit 99 und 1000 bp DNA) und Mineralpartikelgröße unter Verwendung von Goethit mit drei verschiedenen Oberflächengrößen (30.2, 61.5 und 91.2 m2/g) auf das Adsorptionsverhalten und den Schutz gegen enzymatischen Abbau. Zuerst wurden Goethit-DNA-Adsorptionsisothermen unter Verwendung verschiedener Partikelgrößen von Goethit erstellt, dann wurden zwei weitere Isothermen-Experimente durchgeführt, die sich auf die DNA-Molekülgröße und den Einfluss des pH-Wertes konzentrierten. Schließlich wurde die DNA nach vollständiger Adsorption mit zwei Konzentrationen von DNase I (0.9 und 50 ng/μL), einem Enzym, das die hydrolytische DNA-Spaltung katalysiert, behandelt, gefolgt von einer Desorption zur Analyse der überlebenden Fraktion. Die Ergebnisse wurden mit UV-vis-Spektroskopie, Fluorometrie und Gelelektrophorese gemessen und zeigen, dass je größer die spezifische Oberfläche des Goethitminerals ist, desto weniger DNA-Masse pro μL adsorbiert wird. Darüber hinaus adsorbierten längere DNA-Fragmente besser als kürzere, wenn sie auf die gleiche Oberfläche pro Charge standardisiert wurden. Der Einfluss des pH-Wertes der Lösung war offensichtlich, da die Adsorption bei pH 5 und 6 um 50% gegenüber den Adsorptionswerten im eher alkalischen Bereich erhöht war. Nach 48 Stunden Inkubation wurden durchschnittlich 90% der zuvor adsorbierten DNA desorbiert, ohne dass die Mineralpartikelgröße einen signifikanten Einfluss hatte. Die Abbauversuche zeigten eine erhöhte Anfälligkeit von längeren DNA-Molekülen gegenüber dem Abbau als kürzere Fragmente, wobei sich das Polymer bei ≈ 100 bp stabilisiert. Zusätzlich überlebte weniger DNA, wenn sie an die kleinsten Mineralpartikel adsorbiert wurde gegenüber Polymeren, die an die größeren Goethitfraktionen adsorbiert wurden. Aus diesen Ergebnissen wird geschlossen, dass die Oberflächenstellen von kleineren Goethitpartikeln schneller besetzt werden können als die von z.B. den größten in dieser Studie verwendeten Partikeln, abhängig davon, wie DNA-Fragmente an der Oberfläche adsorbieren. Längere DNA-Fragmente wurden leichter abgebaut als kürzere, jedoch sind weitere Studien zur Stabilisierung von DNA-Fragmenten nach der Exposition mit DNase I erforderlich.
Abstract
(Englisch)
DNA obtained from environmental samples is an important source of genetic information for a variety of applications. However, when released by organisms into the extracellular environment, it is prone to rapid degradation by several biotic and abiotic decay pathways. DNA adsorption to mineral surfaces has been proposed to protect it against rapid environmental decay and promote its long-term persistence in the environment. The recent discovery of a two-million-year-old DNA from Greenland sediments further validates this hypothesis. As a charged biopolymer (commonly known as a polyelectrolyte), DNA exists in a wide range of polymer lengths, typically ranging from few base pairs (bp) to a few thousand bps in the environment. Varying polymer length of DNA can affect adsorption, thus we hypothesize that it may also play a role in its protection. Additionally, instead of being a homogeneous distribution of particle sizes, mineral crystallites also exist in a wide range of sizes. Despite decades long research in the field of DNA-mineral interactions, the effect of mineral particle size and polymer length on DNA adsorption and ultimately, DNA persistence is not well understood. This master’s thesis investigates the effect of DNA polymer length (using 99 and 1000 bp DNA) and mineral particle size using goethite of three different surface areas (30.2, 61.5 and 91.2 m2/g) on adsorption and protection against enzymatic degradation. First goethite-DNA adsorption isotherms were generated using different particle sizes of goethite, then two more isotherm experiments focussing on DNA molecule size and impact of pH-value were performed in a similar manner. Lastly, after complete adsorption, DNA was subjected to two concentrations of DNase I (0.9 and 50 ng/μL), an enzyme that catalyses DNA hydrolytic cleavage, followed by desorption to analyse the fraction that survived. The results were measured using UV-vis spectroscopy, fluorometry and gel electrophoresis and reveal that the larger the specific surface area of the goethite mineral the less DNA mass per μL adsorbs. Furthermore, longer DNA fragments adsorbed better than shorter ones when standardized to same surface area per batch. The influence of solution pH was evident with ≈ 50% increased adsorption at pH 5 and 6 compared to those in the more alkaline range. After 48 hours of incubation an average of 90% of previously adsorbed DNA desorbed, with no significant impact of mineral particle size. The degradation experiments highlighted increased susceptibility of longer DNA molecules towards degradation than shorter fragments, with stabilization of the polymer occurring at ≈ 100 bp. Additionally, less DNA survived when adsorbed to the smallest mineral particles than polymers adsorbed onto the larger goethite fractions. Based on these results it is concluded that smaller goethite particles’ surface sites may be occupied more rapidly than those of e.g. the largest particles used in this study, depending on the way in which DNA fragments adsorb on the surface. Longer DNA fragments degraded more easily than shorter ones, however, further studies on the stabilization of DNA fragments after exposure to DNase I are required.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
DNA Adsorption DNA Desorption Mineralpartikelgröße Goethit Enzymatische Hydrolyse Schutz von DNA Polyelektrolyt
Schlagwörter
(Englisch)
DNA Adsorption DNA Desorption Mineral particle size Goethite Enzymatic hydrolysis Protection of DNA Polyelectrolyte
Autor*innen
Jenny Hofbauer
Haupttitel (Englisch)
The effect of mineral particle size of goethite on DNA adsorption and degradation
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
50 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Krämer
Klassifikationen
38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie ,
43 Umweltforschung > 43.12 Umweltchemie
AC Nummer
AC17770751
Utheses ID
74590
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |