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Adsorptive preservation of DNA on goethite under the influence of competing species
Paul Johann Klier
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Stephan Krämer
DOI
10.25365/thesis.80847
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13603.00090.860131-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Umwelt-DNA (eDNA), die in Böden und Sedimenten konserviert ist, stellt ein wichtiges genetisches Archiv für die Rekonstruktion früherer Umweltbedingungen und Biodiversitätsmonitoring dar und spielt zudem eine zentrale Rolle in biogeochemischen Prozessen wie dem Phosphorkreislauf und dem horizontalen Gentransfer. Während nicht gebundene extrazelluläre DNA in Lösung hauptsächlich durch mikrobielle Nukleaseaktivität rasch abgebaut wird, kann DNA in Sedimenten bis zu 2 Millionen Jahre überdauern. Diese außergewöhnlich lange Konservierung wird weithin der Adsorption an Mineraloberflächen zugeschrieben, wodurch die Anfälligkeit für enzymatischen Abbau verringert wird. Mineraloberflächen in natürlichen Umgebungen sind jedoch selten rein, sondern typischerweise mit organischen und anorganischen Molekülen bedeckt, die um Bindungsstellen konkurrieren und dadurch die Adsorptionsdynamik von DNA sowie ihre langfristige Erhaltung beeinflussen können. Trotz dieser Komplexität basieren die meisten bisherigen Studien auf reinen Mineraloberflächen und berücksichtigen konkurrierende Spezies nur unzureichend. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Modell-Konkurrenten organischer und anorganischer Natur, Rinderserumalbumin (BSA) und Phosphat, die Adsorption, Desorption und den Schutz vor enzymatischer Hydrolyse von DNA-Fragmenten unterschiedlicher Länge (99, 1000 und ~20.000 Basenpaare) an einem Modell-Fe(III)-Oxyhydroxid, Goethit, beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Konkurrenten die DNA-Adsorption deutlich reduzieren, wobei Phosphat einen stärkeren hemmenden Effekt ausübt als BSA. Die Desorption nimmt mit abnehmender Polymerlänge zu, da kürzere Moleküle über weniger Oberflächenkontaktpunkte verfügen und daher leichter gelöst werden. Experimente mit sequenzieller versus simultaner Zugabe zeigen, dass das System innerhalb von drei Wochen kein Gleichgewicht erreicht, was auf kinetisch kontrollierte Adsorptions-Desorptionsprozesse hinweist. Zusätzlich deuten die vergleichsweise langsame Desorption und ein „nicht desorbierbarer“ Anteil von DNA auf kinetische Trapping-Effekte hin. Experimente zur Hydrolyse mittels der Modell-Endonuklease DNase I zeigen eine verstärkte enzymatische Degradation in Anwesenheit von BSA oder Phosphat im Vergleich zu reinem Goethit, wobei kurze Fragmente, die in BSA-Multischichten eingebettet sind, teilweise physikalisch geschützt wurden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass konkurrierende Spezies die DNA-Adsorption deutlich verringern, die Desorption fördern und die Anfälligkeit gegenüber enzymatischem Abbau erhöhen.
Abstract
(Englisch)
Environmental DNA (eDNA) preserved in soil and sediments is a critical genetic archive for paleoenvironmental reconstruction, biodiversity monitoring and plays a crucial role in biogeochemical processes such as phosphorus cycling and horizontal gene transfer. While non-bound extracellular DNA in solution degrades rapidly, primarily through microbial nuclease activity, DNA can persist for up to 2 million years in sediments. This exceptional long-term preservation is widely attributed to adsorption onto mineral surfaces, which reduces susceptibility to enzymatic decay. However, mineral surfaces in natural environments are rarely pristine and are typically coated with organic and inorganic molecules that may compete for surface binding sites, thereby potentially altering DNA adsorption dynamics and long-term preservation. Despite this complexity, most previous studies have relied on pristine mineral surfaces and have largely overlooked the effects of competing species. Here, it was investigated how model organic and inorganic competitors, bovine serum albumin (BSA) and phosphate, affect the adsorption, desorption and protection from enzymatic hydrolysis of DNA fragments of varying lengths, 99, 1000, and ~20,000 base pairs (bp), on a model Fe(III)-oxyhydroxide, goethite. Results show that both competitors significantly reduced DNA adsorption, with phosphate exerting a stronger inhibitory effect than BSA. Desorption increased with decreasing polymer length due to the ease of desorption of fewer surface attachment points. Sequential versus simultaneous addition experiments show that the system did not reach equilibrium within three weeks, indicating kinetically controlled adsorption–desorption processes. Additionally, the comparatively slow desorption and a “non-desorbable” fraction of DNA indicates kinetical trapping. Hydrolysis using a model endonuclease, DNase I, reveals an enhanced enzymatic degradation in the presence of BSA or phosphate relative to pristine goethite, although short fragments embedded within BSA multilayers exhibited partial physical protection. Together, these findings demonstrate that competing species substantially reduce DNA adsorption, promote desorption and increase susceptibility to enzymatic decay.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
DNA Goethit Phosphat BSA
Schlagwörter
(Englisch)
DNA goethite phosphate BSA
Autor*innen
Paul Johann Klier
Haupttitel (Englisch)
Adsorptive preservation of DNA on goethite under the influence of competing species
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
58 Seiten
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Krämer
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie
AC Nummer
AC17828264
Utheses ID
79957
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |