Metabolikus replikátor modell koncepció Könnyű Balázs

Átírás

1 Metabolikus replikátor modell koncepció Könnyű Balázs ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológia Tanszék

2 Tartalom 1) Prebiotikus információhordózó molekulák 2) Eigen-paradoxon 3) Metabolikus replikátor modell (MRM) 4) Evolúciós folyamtok az MRM koncepcióval

3 1) Prebiotikus információhordózó molekulák

4 Feltételezések az információ hordozó molekulákkal kapcsolatban 1) Tekintsünk el az információ hordozó molekula anyagi minőségétől Engelhart 2010

5 2) Az információ hordozó moduláris felépítésű polimerizáció hidrolízis

6 3) Véletlenszerű modul összekapcsolódás nem engedélyezett, ellenben a templát irányított replikáció igen Ma 2007

7 Templát irányított replikáció: Alapja a modulok egyértelmű egymáshoz rendelése De mi történik akkor, ha ez nem egyértelmű MUTÁCIÓ

8 Normális bázispárosodás az RNS/DNS esetén A C-G és a A-U(T) bázispárok hidrogéngidakkal kapcsolódnak Minden esetben egy nagyobb térigényű bázis (G v. A) van szemben egy kisebb térigényű bázissal (C v. U/T) DNS / RNS kettősspirál

9 Alternatív bázispárosodás az RNS DNS esetén Kémiailag sokféle bázis elképzelhető 3 hidrogénhíd alakulhat ki A hidrogénhidak akceptor/donor jellege alapján 8 bázispár képzelhető el (16, ha a méretet is figyelembe vesszük)

10 Információ replikáció A replikáció nem hibátlan (főleg nem replikáz és javító mechanizmusok nélkül) A másolás pontossága korlátozza a fenntartható információ hosszát. Mekkora információ tartható meg adott másolási pontosság mellett? RNA RNA RNA RNA RNA RGA RNA RNA RNA RNX RNA RNA RNH DNM RNA RNA RNA RQA RNA RNJ RPA WORLD WORLF WORLD WORLL IDRYD WORLD WORLD KORLD WORLD WORLD WORLD WERLD WORUD WORLD WORHD WORLD WORLD WORWD WORLD WORLD WRRLD HYPOTHESIS EYPKTHYSII HYPEXHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPETHESKS HYYOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOSHESIS HYPOTMESIS HTPOTHESIS CYPOTGESIS HYPOTHEGIA HYPOXHLSIS HYPXTHESIS HYPOTHESIS HYPUTHESIS

11 2) Eigen-paradoxon avagy mennyi információ tárolható egy molekulában

12 Megadható az a maximális replikátor hossz ami még enzim nélküli pontosan lemásolható x m= A m Qxm x m ( A m x m+ A j x j ) x j =A j x j + A m (1 Q )x m x j ( A m x m + A j x j ) xm: mester kópia gyakoriság, xj: egyéb szekvenciák gyakorisága, A: növekedési ráta, Q: másolási pontosság = qn ~ e-n(1-q) Koncentráció változás 0 és xm > 0 Q> Aj Am ln Am Aj N< 1 q pl.: q = 0.99 és Aj= 0.50Am akkor N ~ 69, de ha q = és Aj = 0.50Am akkor N ~ 6,9*107

13

14 Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkül! Az első katalitikus információ-hordozó makromolekulák nem lehettek nagyobbak mint ~100 nukleotid Ha a fenotípust nem befolyásoló mutációkat is figyelembe vesszük, akkor persze lehetnek hosszabbak!

15 Kísérleti eredmények Replikázok keresése: Ligázokból in vitro evolúcióval replikáz SZELEKCIÓ SZINTÉZIS v. VÉLETLENSZERŰ MOLEKULÁK Stabil átmeneti termék analóg * Affinitás kromatográfia * Fág vagy sejt display * Élesztő két hibrid rendszer stb. EVOLVÁLÓDOTT MOLEKULA SOKSZOROZÓDÁS PCR mutációval

16 Legjobb RNS szintetáz (replikáz) kb. 200 bázis hosszú és 95 nukleotidot tud egy templát alapján összekapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 99.5%-os másolási hűséggel kb. 24 óra alatt. Wochner 2011

17 Problémák: 1, Replikáz nagysága: ~200 nukleotidból álló replikáz csak 95 nukleotidot tud másolni. Ez nem a teljes replikáz! 2, Sebesség 3, Templát és másolat szétválása 4, Pontosság: 85% ha a különböző nukleotidokat azonos arányban alkalmazzák, mivel létrejön GC és GU páros is!

18 Megoldható-e az Eigen paradoxon, ha igen akkor hogyan? Hiperciklus

19 Hiperciklus Ha teljes információ túl nagy ahhoz, hogy egyetlen molekula raktározza akkor az adott információ-mennyiséget kódolja több replikátor! Előfeltevései: a replikátorok (I1..4) között szoros, specifikus kapcsolat van Következtetései: minden replikátor hatékonyan felveszi a versenyt saját hibás másolataival szemben; a különböző feladatokat ellátó replikátorok nem zárják ki egymást; az információ-integráló rendszer kiszorít minden más, nem megfelelő hatékonyságú rendszert és egyedet. Scheuring 2003

20 A Hiperciklus problémája Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt

21 A Hiperciklus problémája Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt P1: önző parazita I2 Scheuring 2003

22 A Hiperciklus problémája Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt P1: önző parazita P2: rövidzár parazita Scheuring 2003

23 Felület kötött Hiperciklus 1) Jellegzetes mintázatok 2) Önző parazita nem tud elterjedni, mert nem tud áthatolni a spirálkarokon a katalitikus segítségért, kivéve ha a parazita bejut a spirálkar közepébe, ahol cisztát képezve tartósan fennmaradhat 3) Rövidzár paraziták minden esetben nyernek Boerljist 1991, 2000

24 3) Metabolikus replikátor modell (MRM)

25 Metabolikus replikátor koncepció 1, minden replikátor-fajta egy hipotetikus reakcióhálózat egyetlen reakcióját katalizálja (folyamatos nyíl) 2, a hipotetikus reakcióhálózat előállít egy olyan monomert, amely az összes replikátor-fajta I4 replikációjához szükséges indirekt kapcsolat a replikátorok között (szaggatott nyíl) 3, minden replikátor-fajtának van saját növekedési rátája (k, templát irányított replikáció), mely kifejezi a replikátor hatékonyságát a replikációs folyamatban forrás versengés (körkörös nyíl) I1 M I3 I2

26 Jól kevert modell: dx i =x i [k i M (x) φ(x)] dt Működik a kompetitív kizárás elve Czárán 2000

27 Térben explicit (sejtautomata) modell 1, ásványi felszínhez kötődő replikátorok 300x300-as sejtautomata rácsháló toroidális peremfeltétellel rácsháló torusszal rácsháló 2, korlátozott diffúzió (mozgás) a felszín-kötöttség miatt 3, lokális kölcsönhatások a metabolikus és a replikációs folyamat során Szomszédság típusok: von Neumann Moore

28 Lokális metabolikus folyamat: M i= n n xj j=1 Lokális replikációs folyamat: W i =k i M i pi = Wi r W e+ W j j=1

29

30 Replikátorok mennyisége Együttélést elősegíti: Ritkaság előnye (kis metabolikus szomszédságnál) Keveredés: Diffúzió és/vagy nagy replikációs szomszédság Generációs idő

31

32 Generációs idő: 0 Generációs idő: 100 Az együttélés oka: Nagy metabolikus szomszédságnál ugyan minden replikátor metabolikus folyamata teljes, de a kis replikációs szomszédság miatt a kevés kompetitor között a ritka replikátor is tud győzni. Így ritka replikátorok közvetlen közelébe lehet csak túlélni, ami heterogén foltosodást eredményez

33 Hány metabolikus replikátor tud tartós közösséget alkotni?

34 Parazita az MRM-ben Csak önző parazita lehetséges Nem vesz részt a metabolizmusban Felhasználja a monomereket Modellbe történő implementációja: 3 metabolikus replikátor + 1 parazita

35 Az együttélés kedvezőbb, de ez csak látszólagos, mert csak 3 metabolikus replikátor kell a monomer előállításhoz

36 4) Evolúciós folyamtok az MRM koncepcióval

37 Evolúciós kérdések a MRM-ben 1) Kialakulhat-e a metabolikus replikátorok közössége? 2) Megjelenhet-e új funkcióval rendelkező replikátor a rendszerben?

38 A Metabolikus Replikátor Modell további evolúciós lehetőségei Új funkció

39 Replikáz replikátor evolúciója az MRM-ben Alapfeltevések: A sejtautomata rácsán a replikátorok korlátozottan diffundálnak. A monomerek előállításában csak a metabolikus replikátorok vesznek részt (metabolizmus). A monomerek csak abban az esetben képződnek ha egy adott térrészben (matabolikus-szomszédságban) minden metabolikus replikátor jelen van Csak a parazita két tulajdonsága a replikáz-hatékonysága és a szaporodási-hatékonysága evolválódik. E két tulajdonság között tarde-off viszony van.

40 Lokális metabolikus folyamat: M i= n n xj j=1 Lokális replikációs folyamat: W i =r i k i M i pi = Wi r W e+ W j j=1 A replikációs szomszédságon belül bármelyik R1, R2 és R3 replikáz segítheti (r>1) vagy gátolhatja (r<1) S1 replikátor replikációját

41 A parazita replikáz-hatékonyságának és szaporodási hatékonyságának mutációja Kemény trade-off: S1 Lágy trade-off: S1

42 A replikátorok együttélésének feltételei (hasonlóan Czárán & Szathmáry, 1998.): 1. Legyen diffúzió a rendszerben: hiányában aggregátumok képződnek metabolizmus leáll. 2. Kisméretű metabolikus-szomszédság: a ritkaság előnye, máskülönben a nagy szaporodási hatékonysággal rendelkezők kiszorítják a többieket metabolizmus leáll.

43 A parazita evolúciója csak akkor valósulhat meg, ha a replikátorok együtt élnek. ő

44 Replikázhatékonyság Replikátorok mennyisége Korlátozott mértékű diffúziónál és nem túl erős trade-off viszonyt feltételezve a replikációs ráta és a replikáz-aktivitás között, a replikáz-aktivitás megjelenhet a rendszerben: Generációs idő