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Auf der Erde entwickeln sich immer neue Spezies und passen sich an das Ökosystem an. Diese ständige Weiterentwicklung der Spezies ist im Allgemeinen schlecht verstanden. Wir stellen in dieser Arbeit ein molekulares Modellsystem vor, welches spontan neue Moleküle erzeugen und bestehende autokatalytisch vermehren kann. Dieses System kann dazu genutzt werden, die grundlegenden Prinzipien der Evolution zu untersuchen. Das System wird sowohl in einer Gillespiesimulation analysiert als auch experimentell durch eine Implementierung in DNA mit Hilfe der Taq-Ligase. In beiden Fällen kann eine Phase, in der alle möglichen Moleküle entstehen, und eine Phase, in der eine strikte Längenverdopplung stattfindet, festgestellt werden. Die Erweiterung des Phasenraums der vorkommenden Polymere durch eine zufällige Reaktion führt zu einer Längenverdopplungskaskade, welche für alle Reproduktionsarten (enzymatisch, autokatalytisch, sexuell) stabil ist. Dieser theoretische Prozess kann prinzipiell immer weiter fortgeführt werden und ist nur durch die zur Verfügung stehenden Ressourcen beschränkt. On earth, ever new species evolve and adapt to the ecosystem. This unceasing progress of the species’ evolution is generally poorly understood. In this work, we present a model system, which spontaneously generates new molecules and autocatalytically proliferates existing ones. This system is satisfactory to examine fundamental principles of evolution. The system is analysed both with the help of a Gillespie simulation and a realisation using DNA and Taq DNA ligase. Both implementations show a phase in which all possible molecules emerge and a phase in which a strict length-doubling of polymers is observed. The expansion of the phase space of occurring polymers is induced by a spontaneous reaction and leads to a length-doubling cascade, which is stable for all types of reproduction (enzymatic, autocatalytic, sexual). In principle, this theoretical process may progress continuously and is only restricted by available resources.

Die mechanischen Eigenschaften lebender Zellen sind grundlegend für biologische Prozesse, wie Wundheilung oder die Embryogenese. Zellen zeigen eine komplexe, nichtlineare mechanische Antwort, die sich sowohl als zunehmende als auch als abnehmende Steifigkeit äußern kann. Die auftretenden Nichtlinearitäten in der mechanischen Zellantwort und im besonderen ihre Abhängig-keit von Stimulus und Messmethode sind noch nicht verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die nichtlineare mechanische Antwort lebender Fibroblasten auf oszillatorische Stimuli mit stei-gender Amplitude charakterisiert. Die Resultate zeigen, dass die nichtlineare Zellantwort von der Verformungsgeschichte abhängt. Je nach Vorgeschichte zeigen lebende Zellen unterschiedliche Antworten auf den gleichen oszillatorischen Stimulus. Intrazyklische Versteifungen und interzy-klisch abnehmende Steifigkeiten können im gleichen Experiment beobachtet werden. Analogien zu vernetzten Biopolymergelen legen eine inelastische Umordnung des Zytoskeletts und eine re-sultierende pfadabhängige mechanische Adaption der Zellen als Grundlage der Abhängigkeit der Zellantwort von der Verformungsgeschichte nahe. Eine Modellierung der Ergebnisse mit einem elastoplastischen Kontinuumsmodell und einem dynamischen Filamentmodell unterstützt das mi-kroskopische Modell der inelastischen Umordnung. Adaptionen des Zytoskeletts können eine wich-tige Rolle für einzelne Zellen, Gewebe und Organismen spielen. The mechanical properties of living cells are a major determinant for biological processes, such as wound healing and embryogenesis. Cells exhibit a complex nonlinear mechanical response, including stiffening, softening and an adaptation of cytoskeletal structure. Nonlinearities in the cell mechanical response and especially their dependence on the stimulus and the experimental technique are not yet understood. In this thesis, the nonlinear response of living fibroblast cells is characterized using large amplitude oscillatory shear. The results show that nonlinear cell re-sponse depends on the strain history. Cells can exhibit different mechanical responses to identical oscillatory excitations. Fibroblast cells exhibit a superposition of intercycle softening and intra-cycle stiffening. Analogies to experimental and theoretical work on crosslinked biopolymer gels suggests that inelastic rearrangements of the cytoskeleton and resulting path-dependent mecha-nical adaptations are responsible for the strain history dependence. Modeling approaches using an elastoplastic continuum model and a dynamic, crosslinked filament model support the microscopic picture of inelastic rearrangements. Adaptations of the cytoskeleton can have an important role for single cells, tissues as well as whole organisms.

Seit Beginn des Lebens entstehen durch Reproduktion, Variation und Selektion immer neue Spezies. Stetige Erneuerung statt Stagnation ist Teil der Evolution. Ein Modellsystem aus linearen DNA-Molekülen wurde entwickelt, in dem durch spontane Ligation neue Polymere entstehen, die sich Template-basiert vermehren. Bei adäquat hohen Reproduktionsraten wurden unter den länger werdenden Polymeren gewisse Längen selektiert. Dieser stetige, selektive Innovationsprozess zeigt gewisse Parallelen zur biologischen Evolution. Der Einbau nicht-kanonischer Aminosäuren kann natürliche Proteinfunktionen erweitern. Nicht-kanonische Aminosäuren-Analoga hemmen oft das Expressionswirts-Wachstum, limitieren so den in-vivo-Ansatz. Besonders der in-vivo-Einbau toxischer Analoga wie L-Canavanin ist schwierig. Jedoch konnte gezeigt werden, dass ein zellfreies Escherichia-coli-Expressionssystem dieses medizinisch relevante Analogon vollständig einbaut, ein neuer Ansatz, modifizierte Proteine für Folgestudien herzustellen. Weitere nicht-kanonische Aminosäuren wurden auch, jedoch weniger effizient, eingebaut. Die Regulation des epigenetischen Escherichia-coli-Pili-Phasenvariationsmechanismus erfolgt transkriptionell durch Modulation des DNA-Methylierungsmusters, involviert Koregulatoren. Es wurde eine synthetische regulatorische DNA im obigen Expressionssystem studiert und theoretisch analysiert. Die DNA wechselwirkte methylierungsabhängig mit sich selbst. Folglich wurde der Mechanismus neu interpretiert. Since the origin of life the emergence of new species has been promoted by reproduction, variation, and selection. Instead of stalling, Evolution innovates ad infinitum. A model system of linear DNA molecules was devised where new template-based proliferating polymers appear by spontaneous ligation. While length increasing polymers were emerging, for sufficiently high reproduction rates particular lengths were constantly being selected. This steady, selective innovation process bears resemblance to biological evolution. The incorporation of noncanonical amino acids can extend natural protein functionalities. The in vivo approach is limited as non-canonical amino acid analogues often act as growth inhibitors for expression hosts. In vivo incorporation of toxic analogues like L-canavanine is exceptionally difficult. However, it was shown that an Escherichia coli cell-free expression system completely incorporates this medically relevant analogue into a model protein, a new approach producing modified proteins for further studies. Other noncanonical amino acids were incorporated, albeit with lower efficiency. The regulation of the epigenetic Escherichia coli pili phase variation mechanism transcriptionally proceeds by DNA methylation pattern modulation, involving coregulators. A synthetic regulatory DNA was studied in the above expression system and theoretically analyzed. Dependent on the methylation pattern, this DNA self-interacted. Accordingly, the mechanism was reinterpreted.

Das Prinzip der Musterbildung ist aus nichtlinearen und dissipativen Systemen, die in der Physik ausführlich behandelt wurden (z. B. Laser), bekannt. Es ist unklar, unter welchen Bedingungen in einem organischen, chemischen System spontan eine Strukturbildung einsetzt. Diese Frage ist fundamental für das Verständnis der Entstehung des Lebens auf der Erde. In dieser Arbeit wurden verschiedene komplexe, chemische Mischungen untersucht. Sie entstanden unkontrolliert aus einfachen organischen Verbindungen. Die zeitliche Entwicklung der getriebenen Gemische wurde mittels Massenspektrometrie kontinuierlich verfolgt. Es wurde reproduzierbar eine spontane, aperiodische Oszillation mehrerer oligomerer Spezies beobachtet. Die Oligomere tauchten mehrfach innerhalb von Sekunden auf und blieben einige Sekunden oder Minuten in den Massenspektren sichtbar, bevor sie verschwanden. Die Gesamtheit der Ergebnisse spricht für eine auto- oder kreuzkatalytische Bildung der Oligomere. Der hier vorgestellte Reaktor erzeugt zufällig neue Moleküle und legt auf diese Weise selbstständig neue Reaktionswege fest. In einem Laser relaxiert ein angeregter Zustand in einer selbstreproduzierenden optischen Mode. Analog relaxieren in dem Reaktor angeregte Zustände durch spontane Ausbrüche autokatalytischer, chemischer Moden. Das selbstreproduzierende Verhalten ist in der organischen Chemie offenbar bereits eingebaut. Es führt unter verschiedenen Bedingungen zur Bildung autokatalytischer, dynamischer Oligomere. Pattern formation is well-known from non-linear, dissipative systems (e. g. lasers) and was intensively studied in physics. However, the conditions needed for structure formation in an organic, chemical system are not known. This question is fundamental for the understanding of the origin of life on Earth. In this thesis many complex, chemical mixtures were analysed. They evolved unregulated from simple, organic compounds. We continuously monitored the temporal development of the mixture by mass spectrometry. We observed the spontaneous, aperiodic oscillation of several oligomeric species. The oligomers appeared repeatedly within seconds, stayed for minutes until they disappeared. The observations can be explained by auto- or cross-catalytic chemical reaction mechanisms. The presented reactor produces randomly new molecules. It redefines autonomously possible reaction pathways. In a laser, an excited state relaxes through a self-reproducing optical mode. In analogy, in the reactor the excited states relax through spontaneous bursts of autocatalytic, chemical modes. This self-reproducing behaviour is obviously built into the rules of organic chemistry. It delivers autocatalytic, dynamic oligomers under various conditions.

Die spezifische molekulare Erkennung zwischen Bindungspartnern ist für alle biologische Systeme von größter Wichtigkeit. Jedoch ist die zugrundeliegende Physik nur teilweise verstanden. Ein Beispiel einer molekularen Erkennung ist die DNAHybridisierung, unter der man die Formation einer DNA-Doppelhelix aus zwei komplementären DNA-Einzelsträngen versteht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich experimentell und theoretisch mit zwei Aspekten der DNA-Hybridisierung im thermodynamischen Gleichgewicht: i) Das Auftreten nicht-kanonischer Bindungskonformationen bei der Hybridisierung von teilweise komplementären DNA-Strängen macht den Prozess der molekularen Erkennung deutlich komplexer. Daher wird zum einen der Einfluss einzelsträngiger Schleifenstrukturen (Loops), als Beispiel einer nicht-kanonischen Bindungskonfiguration, untersucht, die bei Hybridisierung von DNA-Strängen ungleicher Länge entstehen können. ii) Zum anderen wird die Spezifität der molekularen Erkennung in Konkurrenz untersucht. Gerade in einer Konkurrenzsituation zwischen einer Vielzahl von ähnlichen Molekülen muss die molekulare Erkennung äußerst spezifisch sein, damit mit hoher Wahrscheinlichkeit nur Bindungen zwischen passenden Bindungspartnern auftreten. Es wurde gezeigt, dass die Untersuchung dieser Aspekte ein tiefgreifenderes Verständnis der DNA-Hybridisierung ermöglicht und sich dadurch ein umfassenderes Bild der molekularen Erkennung ergibt. Molecular recognition between matching marcomolecules is central to the biological organism. However, to date, the underlying physical mechanisms are poorly understood. An example of molecular recognition is the process of DNA hybridization, that describes the formation of a stable DNA double-helix from two complementary single strands. The present thesis focuses, experimentally and theoretically, on two aspects of DNA hybridization in thermal equilibrium. i) Non-canonical binding conformations, emerging upon hybridization of partly complementary DNA strands, may complicate the process of molecular recognition. As an example of a non-canonical binding conformation, the influence of bulged loops that can occur upon hybridization of DNA strands of unequal lengths is investigated. ii) The second part deals with the investigation of the specificity of molecular recognition in competition. In a competitve environment between many similar molecules the process of molecular recognition needs to be highly specific, so that only matching binding partners form stable bonds with a high probability. We have shown that the investigation of these two aspects helps to gain a deeper understanding of DNA hybridization and of molecular recognition in general.