RT Dissertation/Thesis
T1 Metalloporphyrine als potentiell präbiotische Moleküle und chemische Biosignaturen
A1 Pleyer,Hannes Lukas
WP 2022/11/25
AB Diese Doktorarbeit befasst sich mit zwei wichtigen astrobiologischen Aspekten von Metalloporphyrinen. Erstens mit der möglichen abiotischen Entstehung von Metalloporphyrinen unter präbiotisch plausiblen Bedingungen und zweitens mit Metalloporphyrinen als mögliche molekulare Biosignaturen im Zusammenhang mit der Suche nach außerirdischem Leben. Diese zweigleisige Herangehensweise ermöglichte es, einen umfassenderen Überblick über Metalloporphyrine im astrobiologischen Kontext zu gewinnen.
In den heute bekannten lebenden Organismen kommen Metallkomplexe von Porphyrinen und Porphyrinoiden ubiquitär vor; freie Porphyrinbasen spielen dagegen kaum eine Rolle. Zu den bekanntesten Beispielen zählen die Chlorophylle (Mg-Komplexe), die entscheidend an der Photosynthese beteiligt sind, und die Häm-Gruppe, z. B. als Cofaktor der Cytochrome, welche eine bedeutende Rolle bei der Zellatmung spielen. Evolutiv scheinen Porphyrinoid-Cofaktoren sehr alt zu sein, und tatsächlich wurden 1,1 Milliarden Jahre alte Geoporphyrine in Sedimentgestein gefunden.  Vorfahren der heute bekannten Porphyrinoid-Cofaktoren, einfache Metalloporphyrine, könnten schon in den ersten Lebewesen oder noch früher in abiotischen Protometabolismen vorgekommen sein. Zudem legt die weite Verbreitung von Porphyrinoid-Cofaktoren in den bekannten Organismen sowie ihre Beteiligung an grundlegenden biologischen Funktionen nahe, dass auch in möglichen Lebensformen außerhalb der Erde Metalloporphyrinoide vorkommen könnten. Somit könnten Metalloporphyrinoide als chemische Biosignaturen für die Suche nach Leben auf Mars, Europa, Enceladus und darüber hinaus geeignet sein.
Das erste Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob eine Komplexbildung mit ausgewählten Metallen (Fe, Mg, Co, Ni und Cu) unter präbiotisch plausiblen Bedingungen möglich ist. Ausgehend von einer zuvor von unserer Arbeitsgruppe beschriebenen präbiotischen Synthese von Octaalkylporphyrinen an simulierten urzeitlichen Vulkanküsten sollte der Einfluss von Nass-Trocken-Zyklen (NTZ) auf Octaethylporphyrin (OEP) und ausgewählte Metallquellen untersucht werden. Hierzu musste zunächst eine neuartige, automatisierte Apparatur entwickelt werden, die die Simulation der Bedingungen auf der frühen Erde, speziell an urzeitlichen Vulkanküsten, ermöglichte. Insbesondere musste diese Apparatur einen strikten Ausschluss von Luftsauerstoff sicherstellen und fluktuierende Wechsel zwischen Nass- und Trockenphasen ermöglichen. 
Zunächst wurden Experimente durchgeführt, um die neue Apparatur zu testen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Apparatur über einen längeren Zeitraum vollständig automatisch und zuverlässig arbeitete. In weiteren Versuchen wurde geprüft, ob oxidationsempfindliche Sub-stanzen in der Apparatur gehandhabt werden können. Hierbei konnte gezeigt werden, dass in der Tat ein strikter Ausschluss von Sauerstoff möglich ist. Damit erwies sich die Apparatur als geeignet für die Untersuchung der Bildung von Metall¬komplexen aus OEP und diversen Metallquellen unter dem Einfluss von wechselnden NTZ. Als Metallquellen wurden unter anderem Metall(II)-chloride, Metallsulfide, Basalt und Eisenmeteorite eingesetzt. Hierbei lag der Fokus auf Eisenquellen. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass sich mit den ent¬sprechenden Metallquellen Eisen-, Magnesium-, Cobalt , Nickel- und Kupfer-Komplexe in einer ungewöhnlichen Reaktion bildeten (vollständig wasserunlösliches OEP reagierte mit teilweise ebenfalls unlöslichen Metallquellen), wobei sich NTZ als essenziell erwiesen. In Süßwasser konnten Ausbeuten zwischen 20 und 78 % (bezogen auf das Porphyrin) erhalten werden. Außerdem wurde der Einfluss von künstlichem Meerwasser und niedrigen pH-Werten auf die Komplexbildung untersucht.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Frage nach der Stabilität von Metalloporphyrinen modellhaft anhand der Verbindung Chlorido(octaethylporphyrinato)eisen(III), [FeCl(oep)], nachgegangen. Für die durchgeführten Experimente wurden potentiell destruktive Bedingungen ausgewählt, die für Metalloporphyrine als mögliche chemische Biosignaturen relevant sind, aber auch Bedingungen, wie sie vermutlich an urzeitlichen Vulkanküsten herrschten. In umfangreichen Versuchsreihen konnte unter anderem gezeigt werden, dass (a) der Eisen-OEP-Kern über einen pH-Bereich von 0,0 bis 13,5 stabil ist, (b) [FeCl(oep)] bis ca. 250 °C in inerter Atmosphäre stabil ist, (c) eine Salzmatrix [FeCl(oep)] vor Röntgenstrahlung schützt, aber nicht vor Eisen-Partikelstrahlung, und (d) Hypochlorit, Wasserstoffperoxid, Chlorat und Salpetersäure [FeCl(oep)] oxidativ zersetzen (Oxidationswirkung in absteigender Reihenfolge). Perchlorat, das häufig im Zusammenhang mit seinem Vorkommen im Mars-Regolith genannt wird, zeigte dagegen keine Oxidationswirkung. Schließlich wird in der vorgelegten Arbeit die Bedeutung der Metalloporphyrine als potentielle Biosignaturen diskutiert, speziell vor dem Hintergrund ihrer Stabilität und möglicher abiotischer Synthesewege für diese Verbindungen.

K1 Metalloporphyrine
K1 Analytische Chemie
K1 Astrobiologie
K1 Biomarker
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2022/2093