Rendszerbiológia és evolúció

Átírás

1 PÁL CSABA PAPP BALÁZS BOGOS BALÁZS SOMOGYI KÁLMÁN SZAMECZ BÉLA Rendszerbiológia és evolúció Bevezetés 1. táb lá zat. Genomikai és posztgenomikai ada tok főbb tí pu sai Genomléptékű vizsgálat típusa Hivatkozás Génkifejeződés (génexpresszió) mé ré se az mrns szintjén [16] Génkifejeződés mérése a fehérjék szintjén [17] Fehérjék sejten belüli elhelyezkedése [18] Fehérje-fehérje (fizikai) kölcsönhatások listája [19] Génkölcsönhatások listája [20 Génkiütés sejtnövekedésre gyakorolt hatása [4] A géntérképezési eljárások automatizálásának és az internetes adatbázisok megjelenésének köszönhetően hatalmas menynyiségű molekuláris információ vált elérhetővé a biológusok számára. Az elmúlt évek ben nem csu pán a genomikai ada tok mennyisége öltött szinte ipari méreteket. A laboratóriumi technikák automatizálása és új eljárások felfedezése eredményeként ma már le he tő ség van szá mos mo le - kuláris biológiai és biokémiai vizsgálat nagy léptékű elvégzésére is. Az 1. táblázatban a teljesség igénye nélkül sorolunk fel néhányat ezen új vizsgálati módok közül. Jelent-e a biológiai információ ilyen mértékű megnövekedése valódi áttörést a sejt működésének megértésében? Vagy a biológiai kutatások egyfajta hatalmas katalógus részletes leírására szorítkoznának a jö vő ben? A je len cikk írói sze rint az el - ső válasz áll közelebb a valósághoz. Ezek a gigantikus kísérletsorozatok új szakterületek megszületését (vagy reneszánszát) is magával vonták. Ezek egyike a rendszerbiológia. A rendszerbiológia alapvető célkitűzése, hogy a meglévő adatok alapján a sejt egy funkcionálisan jól körülhatárolható genetikai alrendszererét (pl. anyagcsere vagy sejtciklus) megvizsgálva azonosít sa a részt ve vő gé ne ket és azok kap cso - latrendszerét, azaz hálózatát. A rekonstruált biológiai hálózat sajátságait számító gé pes mo del lek se gít sé gé vel elem zi, majd az előrejelzéseket újabb kísérletek ré vén tesz te li. Érez he tő, hogy ezek a mo - del lek meg kí ván ják az adott kí sér le ti rendszer, azaz sejt minél részletesebb ismeretét. Ennek megfelelően rendszerbiológiai tudásunk döntően a laboratóriumokban olyan gyakorta/régóta vizsgált élőlényekre korlátozódik, mint az egysejtű sör élesz tő vagy a kólibaktérium. Felmerülhet a kérdés: miért van szükség egyáltalán számítógépes modellekre? Mi ért nem elég, ha egy sze rű en szám ba vesszük az alkotó elemeket és azok kapcsolatrendszerét? A számítógépes modellek előnye kettős. Egy részt le he tő vé te szik, hogy egy bo - nyolult hálózat az adott vizsgálat szempontjából fontos és kevésbé fontos alkotóit elkülönítsük, és jobban megértsük azok hatásmechanizmusait. A modellek például se gít het nek meg ér te ni, mi lyen el len őr - ző mechanizmusok garantálják a sejtosztódás szabályos lezajlását. Másrészt gyakran sikeresen jósolják meg különböző genetikai manipulációk, mutációk és környezeti változások hatásait. Ezáltal segítik (és akár irá nyít ják is) újabb kí sér le tek tervezését, sőt, ötleteket adhatnak, hogyan lehetne biotechnológiai céllal feljavítani a sejtet. Konkrét példaként említve, mind elméleti, mind biotechnológiai felhasználás szempontjából fontos kérdés, hogyan lehet egyszerűsíteni egy adott egysejtű (pl. a kólibaktérium, Escherichia co li) genetikai állományát. Mely gének, géncsopor tok azok, ame lyek kü lön-kü lön és együtt is eltávolíthatóak a szervezetből anélkül, hogy a baktérium szaporodása komoly csorbát szenvedne laboratóriumi környezetben? Ezen géncsoportok azonosítása igen komoly informatikai feladat. Szerencsére ma már léteznek olyan bioinformatikai módszerek és rendszerbiológiai modellek, amelyek eredményesen jósolják meg az eltávolítható géneket. Más elméleti szakterületekhez hasonlóan a rendszerbiológia modelljei is többnyire egyszerűsítésekkel élnek, és számos molekuláris tényezőt (eleinte) figyelmen kívül hagynak. Mivel ez gyakran kivívja a kísérleti kutatók rosszallását, célszerű erről néhány szót ejteni. Az egyszerűsítés nem egyszerűen szükséges rossz ahhoz, hogy az el mé le ti ku ta tó (vagy még in - kább) számítógépe a problémát kezelni tudja. Ellenkezőleg: ha szeretnénk megérteni egy bonyolult biológiai jelenséget (pl. az anyag cse ré ben részt ve vő sok száz gén közül melyek szükségesek egy adott környezetben), ahhoz kezdetben olyan modellekre van szükség, amelyek az Occam borotvája elv men tén a le he tő leg ke ve - sebb elő fel te vés sel él nek. Az ilyen, gyak - ran szélsőségesen egyszerű modelleket fokozatosan célszerű fejleszteni, hogy lássuk, újabb biológiai tényezők figyelembevétele hogyan hat a modell sajátságaira és előrejelzéseinek pontosságára. Ha ezt az elvet nem követnénk, modellünk könynyen olyan sors ra jut na, mint a bi ro da lom tér ké pe Jorge Luis Borges egyik no vel lá já - ban. Eb ben az írás ban a kí nai csá szár meghagyja térképeszeinek, hogy egy tökéletes, minden részletre pontosan kiterjedő térképet készítsenek a birodalomról. Ehhez a hatalmas vállalkozáshoz persze az ország összes alattvalójára szükség van. A térkép természetesen soha nem készül el, hiszen az azonos méretű és részletességű lenne magával a birodalommal, s így teljesen felesleges és felfoghatatlan is egyben. Az evolúciós kutatások természete A biológiai evolúció jelenségét tanulmányozva lényeges tisztáznunk, hogy miért fontosak az ez irányú kutatások, és van-e ezeknek bármilyen gyakorlati jelentősége. Tinbergen a No bel-dí jas eto ló gus szerint bármely biológiai jelenség vizsgála ta so rán leg alább két egy mást ki egé - szí tő kér dést kell fel ten nünk. Egy részt alapvető megértenünk, hogyan működik az adott je len ség. Más részt azt is tud nunk A Természet Világa 2009/II. különszáma 43

2 EVOLÚCIÓ AZ ELMÉLETBEN ÉS A GYAKORLATBAN kell, ho gyan és mi ért fej lő dött ki az evo lú - ció során. Hagyományos megközelítéssel él ve a mo le ku lá ris me cha niz mus fel tá rá - sa és evolúciós mozgatórugóinak az elemzése többnyire egymást követő folyamatok. Előbb célszerű például foglalkozni egy adott anyag cse re-út vo nal (pl. cit rom - sav cik lus) élet ta ni funk ci ó já nak a meg - ér té sé vel, majd fel tár hat juk az út vo nal fa jok kö zöt ti vál to za tos sá gá nak evo lú ci ós moz ga tó ru gó it. En nek meg fe le lő en az evo lú ci ós ku ta tá sok hoz zá já rul nak a bi o - ló gi ai je len sé gek mé lyebb meg ér té sé hez, de gyak ran fel té te le zik a (mo le ku lá ris vagy élet ta ni) me cha niz mus rész le tes is - me re tét. Az az, ha már ért jük, ho gyan mű kö dik az adott bi o ló gi ai je len ség, meg kér dez het jük, mi ért pont úgy ala kult ki, és mi lyen té nye zők mel lett ma rad hat fenn. Fon tos meg je gyez ni, hogy a genomika az evo lú ci ós ku ta tá sok ezen má sod la - gos sze re pét je len tő sen át ala kí tot ta. Az evo lú ció bi o ló gia nem csu pán pas szív be - fo ga dó ja a hir te len el ér he tő vé vált mo le - ku lá ris ada tok nak: az evo lú ci ós min tá za - tok vizs gá la ta a ge ne ti kai ele mek sze re - pé ről is fel vi lá go sí tást ad hat. Jó pél da er - re az az el já rás, amely kö ze li fa jok genomjának ös sze ha son lí tá sá val azo no - sít kon zer vált genomi sza ka szo kat, s így bár mi lyen más mo le ku lá ris in for má ció fel hasz ná lá sa nél kül ké pes meg jó sol ni gé nek és ge ne ti kai sza bá lyo zó ele mek je - len lét ét. Gyakori érv az evolúciós vizsgálatokkal szemben, hogy túlságosan elvontak, és így ezeknek a kutatásoknak nincs gyakorla ti je len tő sé ge. Ez tá vol ról sincs így, sőt: a darwinizmus hatása messze túlmutat a biológia szakterületein. Példaként említhető az evolúciós biotechnológia, evolúciós számítástechnika vagy evolúciós robotika. Az említett szakterületeknek közös jellegzetessége, hogy olyan iparilag fontos termékek létrehozására szakosodtak (fehérjék, programok, robotok), melyek mind a véletlenszerűen generált variáció és a szelekció darwini mechanizmusán alapul nak. Szám ta lan olyan nem zet kö zi leg is sikeres cég ismert, mely szinte kizárólag a darwini evolúció mintájára kidolgozott módszereket alkalmaz. Fon tos hang sú lyoz nunk, hogy az evo - lú ció fo lya ma tát gyak ran köz vet le nül is meg fi gyel het jük. A mikróbák gyors sza po ro dá suk, ma gas mu tá ci ós rá tá juk és nagy po pu lá ció mé re tük mi att rend - kí vül gyor san, akár he tek alatt al kal maz - kod hat nak új kör nye ze tek hez. Ezek a fo - Ha egy konkrét evolúciós elméletet szeretnénk érdemben vizsgálni, legalább három, egymást kiegészítő eszköztár áll rendelkezésünkre. Gyakran célszerű egy egysze rű szá mí tó gé pes szi mu lá ci ó val vagy matematikai modellel kezdeni a vizsgálatainkat. Ez lehetőséget ad arra, hogy megértsük a kulcsfontosságú változók közötti logikai összefüggéseket. Második lépésben meglévő adatok alapján különböző, eltérő ökológiai körülmények között élő fajok genetikai és fenotípusos sajátságait hasonlítjuk össze. Harmadik lehetőség az, hogy az evolúció folyamatát közvetlenül, laboratóriumi körülmények között vizsgáljuk meg. Néz zünk er re egy konk rét pél dát! Az evolúcióbiológia egyik kulcskérdése az, Evolúció a laborban hogy mi a sze xu á lis sza po ro dás elő nye. A sze xu a li tás je len tős ge ne ti kai vál to za tos - sá got ered mé nyez, és ez ál tal meg nö ve li az evo lú ci ós al kal maz ko dást vál to zó kö - rül mé nyek kö zött. Hamilton meg ha tá ro - zó el mé le te sze rint ez kü lö nö sen a pa ra - zi ták kal szem be ni vé de ke zés so rán hasz - nos. Az el mé let alap fel te vé se it először egy populációs modellen vizsgálták, majd a sze xu á lis sza po ro dás gya ko ri sá gát ha - son lí tot ták ös sze kü lön bö ző fa jok ban a pa ra zi ták gya ko ri sá gá nak függ vé nyé ben. Ar ra is le he tő ség van azon ban, hogy pa ra - zi ták (pl. ví ru sok) ha tá sát mik ro bák evo - lú ci ó já ra kont rol lált labóratoriumi kö rül - mé nyek kö zött is meg vizs gál juk [9], és ez - ál tal köz vet le nül is tesz tel hes sük az el mé - le tet. Érezhető, hogy ezen kísérletek sikerének egyik kul csa a meg fe le lő élő lény ki vá - lasztása: rövid generációs idejük, könnyű tenyészhetőségük és nagy populációméretük mi att a leg több kí sér let jól is mert egy - sejtűekkel (kólibaktériummal vagy élesztő gom bá val) dol go zik. To váb bi előny, hogy a laborban evolválódott populációk fagyasztott körülmények között évekig tárolhatók, így a sajátságaik később részletesen is megvizsgálhatók [10]. A legismertebb példa Richard Lenski 1988-ban kez dő dött és má ig is tar tó kí sér - letsorozata. Az alkalmazott módszer rendkívül egy sze rű. 12 azo nos E. co li baktériumpopulációt speciális tápanyagot tartalmazó üvegcsébe helyeztek el. Mindennap a felnőtt baktériumpopuláció 1%-át új, friss tápanyagot tartalmazó üvegcsébe tették, a maradékot elpusztították. Könnyen belátható, hogy a gyorsabban szaporodó változatok nagyobb eséllyel kerülnek át a másnapi friss tápoldatba (A áb ra). A populáció kezdetben csak lassan tud szaporodni ebben a közegben, ám pár nap le for gá sa alatt vé let len sze rű en meg je len - nek olyan mu tán sok, me lyek job ban tud - ják hasznosítani a tápanyagot. Ezek elterjednek a régi variánsok rovására, és így a populáció lassú lépések sorozataként alkalmazkodik az új környezethez. Az alkalmazkodás mértékét is könnyű megbecsülni az ősi és evolválódott populációk szaporodási rátájának összehasonlításával (B ábra és 3. ke re tes írás). A kísérletsorozatban má ra már több mint bak té ri - umgeneráció született, és jelentősen növekedett mind a szaporodás sebessége, mind a sejtek mérete. 44 DARWIN-ÉV EVOLÚCIÓ

3 Pál Csaba Papp Balázs Bogos Balázs Somogyi Kálmán Szamecz Béla: Rendszerbiológia és evolúció Fon tos ered mény to váb bá, hogy az egymástól függetlenül evolválódó populációkban jelentős genetikai különbségek hal mo zód tak fel. Ezt azt mu tat ja, hogy az esetleges, véletlenszerű változások szerepe az evo lú ció so rán je len tős és szá mos különböző megoldás lehetséges ugyanarra az evolúciós problémára. A kri ti kus ol va só vél he ti úgy, hogy ezek a kí sér le tek nem so ka kat mon da - nak ar ról, ho gyan zaj lik az evo lú ció ma - ga sabb ren dű élő lé nyek ben. Ez csak rész - ben van így: van nak olyan ál ta lá nos kér - dé sek, ame lyek meg vá la szo lá sá ra ezek a kí sér le ti rend sze rek tö ké le te sen al kal ma - sak. Ilyen kérdések például, hogy milyen sejttani folyamatok befolyásolják az evolúció sebességét, hogyan fejlődik ki a kooperáció, mitől függ a biológiai diverzitás mér té ke [11]. Fon tos szem pont, hogy a sejttani folyamatok jelentős része nagy hasonlóságot mutat emberben és egysejtűekben. Nem meglepő, hogy a genetikai kód feltárása is döntően az E. co li baktériumon végzett vizsgálatoknak köszönhető. Továbbá Richard Lenski kísérletsorozata magasabbrendű élőlényeken több okból is kivitelezhetetlen: kékbálna vagy ember esetén például a generáció közel évet ölel fel. Fontos megemlítenünk végül, hogy a kísérleti evolúció eszköztára különösen, ha kiegészül rendszerbiológiai és genomikai vizsgálatokkal [12] kiváló lehetőséget teremt arra, hogy megértsük, milyen fiziológiai tényezők befolyásolják kórokozók antibiotikumokkal szembeni rezisztenciájának kialakulását. lya ma tok la bo ra tó ri u mi kö rül mé nyek kö zött meg is mé tel he tő mó don vizs gál - ha tó ak, és kü lön szak te rü let fog lal ko zik ve lük (1. ke re tes írás: Evo lú ció a la bor - ban). A meg lé vő, for ga lom ba ho zott an ti bio - tikumokkal szembeni ellenálló képesség (rezisztencia) gyors kialakulása különösen aggasztó jelenség. Mivel ez az evolúciós folyamat hatalmas egészségügyi és gazdasági károkat okoz, mélyebb megértése rendkívüli jelentőségű (2. ke re tes írás: Az an ti bio ti kum-re zisz ten cia evo lú ci ó ja). Je - len leg is zaj la nak ku ta tá si prog ra mok olyan beavatkozások kidolgozására, amelyek a kórokozó baktériumok gyógyszerek hez va ló evo lú ci ós al kal maz ko dá sát gátolják. Mindezek fényében igen különös, hogy az evolúció oktatása szinte semmilyen szerepet sem kap az orvosi egyetemi kép zés so rán (ez az Egye sült Ál la mok - ra és ha zánk ra egy aránt igaz). A rendszerbiológia és az evolúció kapcsolatai Hogyan hasznosíthatják az evolúciós kutatások a rendszerbiológia és a genomika által kínált tudást és módszereket? Az evolúció iránya és sebessége különböző mutációk egyedi megjelenésétől és azok populációban való elterjedésétől egyaránt függ. Ezért alapvetően fontos képet kapnunk a lehetséges mutációknak a hordozó élőlényre gyakorolt előnyös, hátrányos vagy éppen közömbös hatásairól. A problé ma at tól vá lik ne héz zé, hogy a sejt bi o - lógiai hálózatai rendkívül összetettek, és így a leg több mu tá ció ha tá sa függ mind a környezettől, mind más mutációk jelenlététől. A rendszerbiológiai modellek lehető sé get ad nak ar ra, hogy ezt a kér dést a mo le ku lá ris me cha niz mu sok fi gye lem be - vételével vizsgáljuk, és akár meg is jósoljuk, milyen genetikai változások előnyösek egy adott új kör nye zet ben. A to váb bi - akban a modern molekuláris genetika egyik legérdekesebb paradoxonján keresztül mu tat juk be a két tu do mány ág kap - csolatát. A kulcsfontosságú gének paradoxona A funkcionális genomika egyik gyakran alkalmazott stratégiája a génkiütéses kísérletek végzése a génműködés felderítésé re: egy adott gén inaktivációjából ere dő fenotípusos változásból következtetni lehet az ép gén sze re pé re (reverz ge ne ti ka). Az el múlt évek ben vég re haj tott szisz te - matikus génkiütéses kísérletek meghökkentő eredménnyel jártak: a genomban kódolt gének többsége a túlélés szempontjából nem bizonyult kulcsfontosságú nak a la bo ra tó ri u mi kör nye zet ben, akár egysejtű, akár többsejtű fajban vizsgálták (2. táblázat). E felfedezések számos izgalmas kérdést vet nek fel. Elő ször is, mi a ma gya rá - za ta a nél kü löz he tő gé nek je len lét - ének? És mi ért van ilyen sok be lő lük? Mi - vel ezek a gé nek több nyi re rég óta je len vannak a genomban, nehéz elképzelni, hogy csupán funkció nélküli DNS-szakaszok lennének, hiszen akkor könnyedén elveszhettek volna az evolúció során. Másodszor, jelentheti-e a nélkülözhető gének nagy szá ma, hogy az élő lé nyek ro - busz tu sak (ér zé ket le nek/el len ál ló ak) az őket érő mutációkkal szemben? Ha igen, ak kor ez a faj ta ro busz tus ság mi ért és ho - gyan alakulhatott ki az evolúció során? A kö zel múlt ban több el kép ze lés is szü - letett a nélkülözhető gének létezésének magyarázatára. Az egyik iskola szerint az élő lé nyek kü lön fé le me cha niz mu sok se - gít sé gé vel kom pen zál ni tud ják egy-egy gén elvesztését, például egy anyagcsereútban történő mutációt egy kerülőútvonal kompenzálhat [1]. Mások azt hangsúlyozták, hogy a nélkülözhetőnek tűnő gének is hozzájárulnak az élőlény túléléséhez, de ha tá suk igen cse kély, ne he zen mér he - tő. A harmadik elképzelés már-már triviálisnak tűnik, de ennek ellenére sokáig figyel men kí vül hagy ták: esze rint az ilyen gé nek ugyan nem szük sé ge sek la bo ra tó ri - umi körülmények között, de más környezet ben már nél kü löz he tet len né vál nak (pl. hőstressz vagy eltérő tápanyagtípus megjelenésekor) [2]. Fon tos hang sú lyoz ni, hogy ezek az el - méletek gyökeresen más evolúciós világképet sugallnak. Ha a sejtekben számos tartalék elem vagy biztonsági útvonal van, azt je len ti, hogy az élő lé nyek evo lú ci - ójuk során egy stabil környezethez alkalmaz kod nak úgy, hogy csök ken tik a meg - jelenő káros mutációk hatásait. Ellenben ha a látszólag nélkülözhető gének speciális környezetben fontosak, akkor a szélsőséges, változó környezetekhez való alkalmazkodás a legfontosabb evolúciós hajtóerő. Ha bár ki ra ga dott eset ta nul má nyok mindegyik elképzelést alátámasztják bizonyos mértékig, a különböző magyaráza tok fon tos sá gát so ká ig nem si ke rült meg be csül ni. A nél kü löz he tő gé nek prob - lé má já nak meg ér té sé hez ugyan is el en - ged he tet len, hogy job ban is mer jük a 2. táblázat. Esszenciális (létfontosságú) gének becsült aránya különböző fajokban, nagy léptékű tanulmányok alapján Faj Létfontosságú gé nek aránya Saccharomyces cerevisiae (élesztőgomba) 19% Escherichia co li (kólibaktérium) 7% Salmonella typhimurium (szalmonella) 11% Bacillus subtilis 6,6% Staphylococcus aureus 25% Caenorhabditis elegans (fonálféreg) 7% Haemophilus influenzae 38 47% A Természet Világa 2009/II. különszáma 45

4 EVOLÚCIÓ AZ ELMÉLETBEN ÉS A GYAKORLATBAN genotípus-fenotípus kap cso la tát, va gyis azokat a molekuláris folyamatokat, amelyek eredményeként egy mutáció megmutatkozik, vagy éppen észrevétlen marad a fenotípus szint jén. A rend szer bi o ló - gi ai meg kö ze lí té sek fő eré nye vi szont ép - pen az, hogy a rend szer mo le ku lá ris ösz - sze te vő i nek köl csön ha tá sa i ból pró bál ja le ve zet ni a tel jes rend szer vi sel ke dé sét, az az a fenotípusát. Emi att a rend szer bi o - lógiában használt matematikai modellek különösen alkalmasnak ígérkeznek a mutációk hatásmechanizmusának vizsgálatá ra. Az aláb bi ak ban a gé nek nél kü löz he - tőségének problémáján keresztül mutatunk be egy rendszerbiológiai megközelítést, amely integrálja a számítógépes modellezést a laboratóriumi kísérletekkel. Anyagcserehálózat: modellezés és tesztelés A sej tek anyag cse ré je az az a fel vett táp - anyagok átalakítása a sejt saját építőkockáivá az egyik legjobban tanulmányozott biológiai rendszer. Nem meglepő tehát, hogy jelenleg a legátfogóbb számítógépes rendszerbiológiai modellek is az anyag- Az antibiotikum-rezisztencia evolúciója Az első azonosított antibiotikum felfedezése Alexander Flemming nevéhez kötődik, aki 1928-ban, nyári vakációjából viszszatérve laborjába szembesült a Staphylococcus mintáit elpusztító Pencillium penészgom bák áldásos tevékenységével. A termelője után penicillinnek elnevezett, később magas tisztaságban izolált szer forradalmasította a későbbi orvosi mikrobiológiát és a fertőzéses megbetegedések kezelését [13]. A penicillin és a későbbi antibiotikumok rutinszerű alkalmazása az orvosi gyakorlatban sokak életét mentette meg, különösen a második világháborúban. Az antibiotikumok olyan vegyületek, melyek nagyon specifikus, térszerkezeti kapcsolatban állnak célpontjaikkal. Ezek a célpontok általában más mikrobákban (baktériumok, gombák, egysejtűek) található, alapvető sejtes funkciókban (DNS-anyag cse ré ben, fe hér je szin té zis - ben, sejtfal, sejtmembrán szintézisében) szerepet játszó enzimek, fehérjék. Hozzákötődve célpontjaikhoz lehetetlenné teszik azok normális működését, ezáltal súlyos károkat okoznak anyagcseréjükben. Az antibiotikumok segítségével vívott evolúciós küzdelem azonban egyáltalán nem ismeretlen a bioszféra mikroorga - nizmusai számára. Az antibiotikumok nyakló nélküli emberi alkalmazása előbb az orvosi gyakorlatban, később a mezőgazdaságban, állattenyésztésben olyan szelekciós környezethez vezetett, ahová lassan az antibiotikumokkal szemben védettséget nyújtó védekező mechanizmusok (rezisztencia) is kezdtek beszivá rog ni. Ezek a re zisz ten cia fak to rok rendkívül elterjedtek olyan talajbaktériumokban, melyek évmilliók óta küzdenek egymással kiválasztott antibiotikumok ré vén. Er re re mek pél dát mu tat D Costa és mun ka tár sai 2006-ban vég zett munkája [14]. 480 talajbaktérium-minta an ti bio ti kum ok kal szem be ni el len ál ló képességét vizsgálták és arra a meglepő következtetésre jutottak, hogy a talajból kinyert baktériumok többsége rezisztens volt a klinikumban alkalmazott antibiotikumok többségére és nem volt olyan univerzális szer, mely mindegyikükkel szem ben ered mé nyes lett vol na. Ez a fel - fedezés valójában nem meglepő, hiszen az említett baktériumok olyan ökológiai környezethez alkalmazkodtak, ahol ádáz küz de lem fo lyik a hoz zá fér he tő táp - anyag okért, és ahol az idők so rán rend kí - vül változatos antibiotikumokkal támadó és rezisztenciával védekező szelekciós küzdelem bontakozott ki. A ta laj bak té ri u mok több sé ge nem kórokozó baktérium, mégis rendkívül fontos forrásai a rezisztenciafaktoroknak. Áltatában az adott antibiotikumot termelő mikroba rezisztens is saját gátlószerével szemben, azaz remek forrása az ellenálló képességnek. Mivel az antibio ti kum ok és cél pont ja ik rend kí vül specifikus kapcsolatban állnak egymással, egy kis módosulás a célpont fehérjeszerkezetében is elég a kötődés gátlásához. Ha ez be kö vet ke zik, gyen gül a cél - pont és a hatóanyag kémiai kapcsolata, azaz ugyanazon gátlás eléréséhez nagyobb kon cent rá ci ó jú an ti bio ti kum ra van szük ség. A töb bi re zisz ten cia me cha - nizmus alapvető célja éppen ez, azaz a tá ma dó an ti bio ti kum tény le ges kon - centrációját csökkenteni. Ez történhet az antibiotikumok enzimatikus lebontásával (pl. -laktamázok segítségével), sejtbe történő bejutásának megakadályozásával (sejtfalmódosulások), sejtből történő aktív kijuttatásukkal (efflux pumpák). Ezek a rezisztenciamechanizmusok általában az evolúció alapvető folyamatainak, azaz a mutációknak és ezek szelekciójának révén terjedhetnek el egy szelekciós nyomás alatt álló populáció esetében (pl. kórházi intenzív osztály, ahol mindennapos az antibiotikumok alkalmazása). A mikroorganizmusok elképesztő létszámuk (1g bélsár akár szá mú egye det is tar tal maz hat) és ma - gas mutációs rátájuk révén hihetetlen se bes ség gel ké pe sek al kal maz kod ni a legkülönfélébb, számukra hátrányos környezethez. Ami igazán megdöbbentővé teszi az antibiotikumokkal szembeni ellenálló képességet, az a rendkívül gyors és hatékony terjedésük. A rezisztenciame cha niz mu sok több sé gé ért ugyan is olyan gé nek, gén cso por tok fe le lő sek, melyek általában mobil genetikai eleme ken (plazmidokon), vagy akár a re - zisztens baktérium pusztulása után annak kromoszómáján találhatóak. A fajok közötti genetikai információ áramlása egyáltalán nem ritka jelenség a baktéri u mok kö zött. Fenn áll te hát a le he tő sé - ge, hogy akár egy ártalmatlan talajbakté ri um ból egy kór oko zó bak té ri um ba jusson az a genetikai információ, amely a rezisztenciáért felelős. Ennek többször volt ta nú ja az or vos lás pél dá ul a Meticillin-rezisztens Staphylococcus Aureus (MRSA), vagy a Vancomycin-rezisztens Enteroccoccus-ok (VRE) ese té ben. Ezek a gé nek faj ról faj ra ter jed ve, akár nem kórokozó (komenzalista) bakteriális populációkban jelenhetnek meg és okozhatnak végzetes problémákat (pl. immunszupresszív állapotban levő, AIDSes páciensekben [15]). Az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia kialakulásának és terjedésének pontosabb megértéséhez elengedhetetlen az ezeket szabályozó genetikai faktorok feltérképezése. A teljes genomszekvenciák ismeretében (és az újraszekvenálás alkalmazásával) olyan változások azonosíthatóak rezisztens populációkban, melyek nem közvetlenül okozzák az el len ál ló ké pes ség ki ala ku lá sát, ha - nem an nak evo lú ci ó ját be fo lyá sol ják. Fontos az olyan folyamatok pontosabb meg ér té se pél dá ul, ame lyek rá vi lá gít - hatnak a bakteriális populációkban kis mennyi ség ben (1%) je len le vő ún. mutátor szubpopuláció szerepére. Ezekben az egyedekben a fajra jellemző mutációs ráta akár 2 3 nagyságrenddel magasabb lehet a speciális, DNS-javító mechanizmu sok elég te len mű kö dé se ré vén. A mo bil ge ne ti kai ele mek egy más tól evolúciós szempontból távoli fajokon ke resz tü li ter je dé se alap ve tő sze re pet játszik a rezisztencia terjedésében. Mindezek a genetikai változások egy baktériumtörzs esetében részletesen nyomon kö vet he tő ek a funkcionális-genomikai módszerek, valamint a kísérletes evolúció eszközeit alkalmazva. 46 DARWIN-ÉV EVOLÚCIÓ

5 Pál Csaba Papp Balázs Bogos Balázs Somogyi Kálmán Szamecz Béla: Rendszerbiológia és evolúció csere-folyamatok leírására állnak rendelkezésre. Egy-egy ilyen anyagcseremodell több száz, vagy akár ezer ké mi ai re ak ci ót és a hozzájuk tartozó enzimkódoló gént tartalmaz és képes megjósolni, hogy a bemenő tápanyagból a sejt milyen hatékonysággal tudja előállítani a növekedéshez szükséges építőkockákat [3]. Egysejtű élőlények esetében egy ilyen modell tulajdonképpen a sejt növekedési sebességét, vagyis némi leegyszerűsítéssel, az élőlény sza po ro dá si ké pes sé gét (fitnesz) ad ja meg. A mo dell se gít sé gé vel ki szá mít ha tó, hogy különféle tápanyagokat milyen hatékonysággal képes felhasználni a sejt, továbbá, hogy különböző génkiütéseknek mi lesz a növekedésre gyakorolt hatása (1. ábra). Egy ilyen rendszerbiológiai modell tehát képes a genotípus+környezet fenotípus egyszerűsített leképezésre, s így különösen hasznosnak ígérkezik evolúciós problémák vizsgálatára. Természetesen, mint min den mo dell, ez is csak a va ló ság egyik közelítése és számtalan részletet nélkülöz, például nem foglalja magában a génszabályozás működésének részleteit. A kér dés nem is az, hogy tö ké le tes-e a Kislexikon 1. ábra. Anyagcsere-hálózati modell sematikus vázlata. Egy tipikus anyagcsere-hálózati modell több száz, vagy akár ezer kémiai reakciót és hozzájuk tartozó enzimkódoló gént tartalmaz, és segítségével kiszámítható, hogy a felvehető tápanyag-molekulákból a sejt milyen hatékonysággal tudja előállítani a növekedéshez szükséges építőkockákat, azaz milyen gyorsan nő a sejt. A modellel különböző tápanyagok (környezetek) és génkiütések (genotípusok) is szimulálhatóak mo dell nyil ván nem az, ha nem hogy az anyagcserének a minket érdeklő jellemzőit képes-e kielégítő pontossággal és ellenőrizhető módon jósolni. Anyagcserehálózat: a sejt anyagcserefolyamatainak ös szes sé ge, amely a sejt ve gyü le - tei között lejátszódó biokémiai reakciókból áll. Genomika: az élőlények teljes genetikai állományával (genomjával) foglalkozó tudományág. Tágabb értelemben nemcsak a DNS-szekvencia meghatározását, hanem a genom működésének, evolúciójának és a gének kifejeződésének megismerését is magában foglalja. Génkölcsönhatás (genetikai interakció): két gén mutációja között akkor van génkölcsön ha tás, ha a mu tá ci ók együt tes ha tá sa nem ve zet he tő le a mu tá ci ók egye di ha tá - sának összegéből. Gépi tanulás: olyan algoritmusok, amelyek segítségével a számítógép adatok alapján tanul, azaz példákból szabályszerűségeket von le. Aktív tanulás esetén az algoritmus maga választja ki a tanuláshoz felhasználandó példákat. Mesterséges intelligencia: a számítástudomány egyik ága, amelynek célja intelligens gé pek lét re ho zá sa, va gyis az in tel li gens vi sel ke dés au to ma ti zá lá sa. Ere de ti leg a tu do - má nyos-fan tasz ti kus iro da lom ter mé ke, de ma nap ság va lós élet be li prob lé mák ra kí - nál megoldást, pl. az orvostudományban, a mérnöki tervezésben vagy a közgazdaságban. Mutációs ráta: az örökítőanyag (DNS) spontán megváltozásának gyakorisága. Befolyásolja a populáció genetikai változatosságát. Occam borotvája: a takarékosság elvének alkalmazása a tudományos elméletekre. Ha van két el mé let, amely ugyan azt a meg fi gye lést egy for mán ma gya ráz za, ak kor a ke - ve sebb elő fel te vést tar tal ma zó, egy sze rűbb el mé let ré sze sül előny ben. Fon tos meg - jegyezni, hogy ez nem örökérvényű szabály, csak heurisztikus elv. Rátermettség (fitnesz): az evolúcióbiológiában egy adott genotípusú egyed szelekciós sikerét jelenti, vagyis a genotípus által létrehozott átlagos utódszámot a versengő genotípus utódszámához viszonyítva (szaporodási siker). Aho gyan a pu ding pró bá ja az evés, úgy a modell próbája a jóslatok kísérletes ellenőrzése. Jól ismert élőlények esetében abban a szerencsés helyzetben vagyunk, hogy nemcsak részletes modell áll rendelkezésünkre a sejt anyagcseréjéről, hanem nagyszámú független kísérletes adat is, ame lyen a mo dell jós la tai tesz tel he tők. Az egyik legkézenfekvőbb ilyen adatsor a génkiütések fenotípusára vonatkozik, és ma már több faj ese té ben is a genom minden génjére rendelkezésre áll (2. táb - lázat). Ahogy fen tebb em lí tet tük, a leg - több gén kiütése ugyan nem befolyásolja a sejt életképességet, ám a kisszámú létfon tos sá gú gén azo no sí tá sa ko ránt sem egyszerű feladat. Hogy birkózik meg ezzel a feladattal egy rendszerbiológiai modell? Az élesz tő gom ba és kólibaktérium anyag - cseremodelljei a kísérletek tanulsága szerint igen jól: a létfontosságú és nélkülözhető géneket 80 90% pontossággal képesek elkülöníteni. Ha ennyire pontosan jósolja az anyagcseremodell, hogy mely gének létfontosságúak és melyek nélkülözhetőek, akkor jogosnak tűnik a feltételezés, hogy a nélkülözhetőség mechanizmusait is jól írja le. Mit mond te hát a mo dell a nem lét fon - tosságú génekről [2]? Meglepő módon egy megadott tápanyagkörnyezetben az enzimgének jelentős hányada egyszerűen inaktív, nem végez biokémiai katalízist. A gének másik része ugyan fontos feladatot lát el, de egy nél több pél dány szám ban sze re pel a genomban, így ha az egyik gént eltávolítjuk, a másik átveszi szerepét. A gé nek nek csak kis ré sze az, amely ugyan aktív, de mégsem kulcsfontosságú, mert elkerülő biokémiai útvonalak pótolhatják hi á nyát. Va jon mi a fel ada tuk az inak tív gé nek nek? Az anyag cse re mo dell nagy A Természet Világa 2009/II. különszáma 47

6 EVOLÚCIÓ AZ ELMÉLETBEN ÉS A GYAKORLATBAN előnye, hogy többféle környezeti körülmény között is könnyedén kiszámítható a génkiütések hatása, például különböző szénforrások jelenléte mellett, így ellenőriz he tő, hogy az inak tív gé nek ilyen kor fontos szerepet kapnak-e. Számítógépes szimulációk kimutatták, majd későbbi kísérletes vizsgálatok megerősítették, hogy a nélkülözhető gének nagy része környezetfüggő módon befolyásolja az élőlény rátermettségét (3. ke re tes írás: A fitnesz mérése laborban) [4]. Az az amíg a szok vá - nyos laboratóriumi körülmények között nincs fontos szerepe, addig egy eltérő környezetben akár létfontosságúnak is bizonyulhat. Mik a továbblépési lehetőségek? A következő részben azt vizsgáljuk meg, hogy hasonló modellek képesek-e az evolúciós változások genetikai hátterét is új köntösben értelmezni. Előre jelezhetők-e az evolúciós változások? Ha összehasonlítjuk olyan történeti tudományágak célkitűzéseit, szerkezetét és módszertanát, mint a kozmológia, az evolúcióbiológia és az emberi történettudomány, jelentős különbségeket figyelhetünk meg. A koz mo ló gia sze rint az uni - verzum múltja és jövője megérthető és előre jelezhető a fizikai törvényszerűségek ismeretében. Ezzel szöges ellentétben áll a humán történettudomány, mely egyedi események leírására és értelmezésére korlátozódik. A mai történettudomány a legritkább esetben vállalkozik a kozmológiához hasonlóan általános törvényszerűségek megfogalmazására vagy a jövőbeni változások előrejelzésére. Karl Popper, a híres tudományfilozófus szerint egy ilyen vállalkozás szükségszerűen kudarcra van ítélve, hiszen az emberi törté ne lem egy sze ri ese mény, az em be ri cse - lekedetek megjósolhatatlanok és a kiindulási állapotok tökéletes ismerete nélkül a jövőt megjósolni lehetetlen [5]. Sok szempontból az evolúcióbiológia a két tudományág között áll. Habár Darwin világos és rendkívül jól tesztelhető mechanizmust vázolt fel, a jelenlegi kutatások döntő többsége továbbra is azt firtatja, hogyan tudjuk értelmezni a fajok evolúciós múltja során lezajlott genetikai és fenotípusos változásokat. Nagyon kevés olyan elméleti modell áll rendelkezésre, amely egy adott faj rész le tes is me re te ré - vén ké pes len ne meg jó sol ni, hogy az adott környezethez való alkalmazkodás során milyen genetikai változások következ het nek be. Ez a prob lé ma nem csak az el mé le ti bi o ló gu sok bel ügye. Hi ány zik például az az elméleti eszköztár, amely A rendszerbiológiai és evolúciós kutatásokban jelentős szerepet játszik a sejtek növekedési, szaporodási képességének (leegyszerűsítve: fitneszének) meghatározása, lemérése. Ezeknél a méréseknél fő követelmény a pontosság, megbízhatóság. Tekintve, hogy egyes kísérletekben több száz, vagy akár több ezer vo nal (mu táns törzs) fitneszét is meg kell ha tá roz ni, nem el ha - nyagolható szempont a gyorsaság és a gazdaságosság sem. A A fitnesz mérése la bor ban B Az egyik lehetséges megközelítés a kiválasztott vonalak fitneszének egyenkénti lemérése. Ez egyaránt történhet szilárd tápanyag felszínén, vagy éppen folyadékkö zeg ben. Az előb bi ese tén a sej tek kis mennyiségét egy agarfelszínre jutattjuk (A áb ra). Az ott osz tód ni kez dő sej tek egy egyre növekvő átmérőjű, jellegzetesen kerekded alakú csoportot, telepet képeznek. A telep átmérője jól jellemzi a benne található sejtek számát, vagyis tulajdonképpen a vizsgált vonal osztódási képességét. Egy te nyér nyi agarlemezen akár több száz kü lön bö ző törzs te le pe it is el he lyez het - jük, fitneszüket egy-két nap el tel té vel meghatározhatjuk. Ez a műveletsor nagymértékben gépesíthető, hiszen a lemezeket lefényképezve képfeldolgozó és adatkezelő programok segítségével könnyedén kinyerhetők a fitnesz meghatározásához szükséges adatok. A módszer nagyszámú mutáns vizsgálatát teszi lehetővé viszony- 48 DARWIN-ÉV EVOLÚCIÓ

7 Pál Csaba Papp Balázs Bogos Balázs Somogyi Kálmán Szamecz Béla: Rendszerbiológia és evolúció előre jelezné egy adott új antibiotikum vagy gyógyszer-kombináció hosszú távú eredményességét, azaz a kórokozó rezisztenciájának kialakulási esélyét. Ez nagyon ko moly hi á nyos ság, és rész ben ez az oka an nak, hogy az or vos tu do mány és az evo - lúcióbiológia művelői között nagyon kevés szakmai kapcsolat van. A rendszerbiológia ezt a problémát is új megvilágításba helyezi. Már vannak olyan egy sze rű mo del lek, ame lyek le he - tőséget adnak arra is, hogy az evolúciós alkalmazkodás lehetséges genetikai hátterét mélyebben megértsük. Ezek közül két munkát említünk meg röviden. Nemrégiben az Escherichia co li baktérium anyagcseréjét vizsgálták egy olyan tápanyag mel lett (gli ce rin), amely hez az élő - lény evolúciós múltja során kevéssé alkalmazkodott. A modell előrejelzést tett arra vonatkozóan, hogy a hálózat működésében milyen evolúciós változásoknak kell bekövetkezniük az új környezethez történő alkalmazkodás során, azaz, hogy mely enzimatikus reakcióknak kell megváltozniuk. Az elmélet előrejelzéseit laborban végzett evolúciós és molekuláris biológiai kísérletekkel in vivo is alátámasztották [6]. Másik példánk a levéltetűvel szimbiotikus kapcsolatban álló baktérium (Buchnera sp.) esete. A levéltetvek tápláléka gyakran nem tartalmazza azokat az aminosavakat és vitaminokat, melyek bár elengedhetetlenül fontosak a rovar számára, önmaga képtelen azokat megtermelni. Ezeket a levéltetű azoknak a baktériumok nak a ré vén szer zi meg, me lyek vé - dett és stabil környezetben, a levéltetű speciális sejtjeiben élnek. Cserébe a levéltetű biztosítja a szükséges cukrokat és ásványi anyagokat a baktérium számára. A két faj közötti kölcsönösen előnyös kapcso lat több mint 200 mil lió év vel ez előtt kez dő dött. Ezen idő szak alatt a bak té ri - um elveszítette a genetikai állományának közel 75%-át: mindazokat a géneket, amelyek ettől eltérő körülmények között lenné nek szük sé ge sek. Va jon meg le het-e mon da ni a bak té - ri um élet mód já nak és az ős genomjának ismeretében, hogy hogyan és miért pont úgy csökkent a baktérium genetikai állománya? A válasz, úgy tűnik, igen. Szeren csés hely zet, hogy a kólibaktérium anyagcseréjéről részletes rendszerbiológiai modellek állnak rendelkezésre, és a baktérium egyben rokona is a Buchnerának. Ezáltal lehetővé vált, hogy számítógépes szimulációk révén megvizsgáljuk, hogyan csökkent az ősi baktérium genetikai állománya. Ehhez figyelembe vettük a baktérium és a levéltetű közötti szimbiotikus kapcsolat (azaz a tápanyagáramlás) lag rövid idő alatt, alacsony költségráfordítás mel lett. Gyen gé je vi szont az, hogy a sejtek osztódásának dinamikájáról (a telep méretének növekedéséről) kevés információt szolgáltat, emellett a telepek átmérője nem teljesen pontos mutatója a sejt szám nak. Sokkal informatívabb adatokat szolgáltathat a folyadékközegben történő folyamatos mérés (B áb ra). Az er re a cél ra (is) szolgáló műszerekbe olyan lemezek helyez he tők, me lyek kis üveg csé i be fo lyé - kony táp ta laj tölt he tő. A le me zen ként fel - használható több száz üvegcsébe más-más vonal (mutáns törzs) sejtjei juttathatók be egy egyszerű átoltási művelettel, majd a műszer néhány percenként automatikusan végrehajtott méréseivel követhetjük a sejtek számának változását (vagyis a sejtek osztódóképességét, fitneszét). A mé - rés alap ja, hogy a fo lya dék ban je len lé vő sejtek megnövelik annak fényelnyelő képességét (optikai denzitását), mégpedig ará nyo san az zal, hogy men nyi sejt van je - len a kö zeg ben. A mód szer rend kí vül pon - tos adatokat szolgáltat a sejtek szaporodásának dinamikájáról. Ez az eljárás elsősorban a mé rő mű szer ma gas ára mi att költ - ségesebb a telepátmérők meghatározásánál, és egyszerre kevesebb a kivitelezhető mérések száma is. Az elő ző ek től lé nye ge sen kü lön bö ző meg kö ze lí tést je lent, ha a vo na lak fitneszét nem egyen ként ha tá roz zuk meg, ha nem kü lön bö ző sej te ket egy azon kö - zeg ben nö vesz tünk és ará nyuk meg vál to - zá sát kö vet jük. Ilyen hely ze tek ben ar ra szá mí tunk, hogy a ros szabb nö ve ke dé si ké pes sé gű (va gyis ala cso nyabb fitneszű) sej tek ará nya idő vel le csök ken a ma ga - sabb fitneszű ver sen gő part ner ja vá ra. Ezek nek a kí sér le tek nek fon tos fel té te le (egy ben hát rá nya), hogy a vizs gá lan dó vo - na lak nak hor doz ni uk kell va la mi lyen ge - ne ti kai je lö lést (mar kert), amely alap ján bár mi kor meg ha tá roz hat juk az ös sze ke - vert sejt po pu lá ci ó ban az egyes tí pu sok ará nyát. A kí sér le tek ben is mert arány ban (pl %) pá ro sá val ös sze ve gyí tett vo - na la kat fo lya dék kö zeg ben nö veszt het jük, majd időn ként min tát ve he tünk. Ilyen kor a ki vett sej te ket olyan úgy ne ve zett sze lek - tív táp ta laj ra he lyez zük, ahol a le me zen nö ve ke dő, te le pe ket lét re ho zó sej tek va la - mi lyen jel leg ze tes tu laj don sá ga meg nyil - vá nul hat. Pél dá ul az egyik faj ta sejt egy adott táp ta la jon pi ros, míg a má sik fe hér te le pe ket ké pez. A te le pek szá má nak ará - nyá ból kö vet kez tet he tünk az ere de ti sejt - ará nyok ra. Egy másik mérési eljárás módot ad a kétféle sejttípus arányának folyamatos köve té sé re: eh hez az szük sé ges, hogy egyi - kük egy fluoreszkáló fehérjét termeljen. A korábban ismertetett mérőműszer a sejteket tartalmazó táptalaj fényáteresztő képessége mellett képes a sejtek által kibocsá tott fluorescens fényt is mér ni, e két adat ból pe dig jól meg ha tá roz ha tó egy - részt a tel jes sejt szám, más részt a fény ki - bocsátó sejtek mennyisége is. To váb bi mód sze rek le he tő sé get ad nak ar ra is, hogy ne csak pá ron ként, ha nem egyet len kí sér let ben akár egy szer re szá zá - val, ez ré vel ha tá roz zuk meg a ki vá lasz tott vo na lak fitneszét. Ilyen kí sér le tek ben a vizs gált vo na lak mind egyi ke egy-egy egye - di jel zést hor doz, a kro mo szó má já ba be - épí tett rö vid DNS-sza kasz for má já ban. Ez a jel zés, ha son ló an az üz le tek ben hasz - nált vo nal kó dok hoz, egy ér tel mű en azo - no sít ja a hor do zó sej tet. A kí sér let ben a je lölt sej te ket azo nos arány ban ele gyít - het jük, tet sző le ges ide ig együtt nö veszt - het jük. Az elegy ből vett min tát azu tán meg fe le lő en ke zel ve egy DNS-mikrocsip ala pú tech ni ka se gít sé gé vel le ol vas hat - juk a vo nal kó do kat, meg ha tá roz va, hogy egy adott je lű sejt ből mennyi volt a kí sér - le ti po pu lá ci ó ban. Ez az adat meg mu tat - ja, hogy az egyes vo na lak a töb bi ek hez ké - pest men nyi re vol tak ké pe sek sza po rod - ni, meg ad va egy vi szony la gos fitneszértéket. Ez az el já rás nagy lép té kű és pon - tos mé ré se ket tesz le he tő vé ma gas költ - ség rá for dí tás mel lett [4]. Esz köz tá run kat to vább szé le sí ti az a le - he tő ség, hogy az egyes vo na lak fitneszét nem csak a nor mál la bo ra tó ri u mi vi szo - nyok kö zött vé gez het jük el, ha nem le he - tő sé günk van az egyes mu tán sok fitneszét tet sző le ge sen vá lasz tott kö rül mé - nyek kö zött is meg fi gyel ni. Pél dá ul a táp - ta laj ba mér ge ző ha tó anya go kat ke ver ve meg vizs gál hat juk a kü lön bö ző sej tek el - len ál ló ké pes sé gét, egyes gyógy sze rek re re zisz tens mu tán so kat ke res ve. A nagy lép ték ben el vé gez he tő kí sér le tek nek kö - szön he tő en nem csak egy-egy ki vá lasz tott gént ve he tünk gór cső alá, ha nem akár a tel jes genomra néz ve ál ta lá nos meg fi - gye lé se ket te he tünk ar ról, hogy egyes kör - nye ze ti té nye zők höz (pl. táp anyag ok, stressz ha tá sok, mér gek stb.) tör té nő élet - ta ni al kal maz ko dás mi lyen ge ne ti kai tu - lajdonságok meglétét igényli a vizsgált sejtben. A Természet Világa 2009/II. különszáma 49

8 EVOLÚCIÓ AZ ELMÉLETBEN ÉS A GYAKORLATBAN A B 2. áb ra. A) A ro bot ku ta tó hi po té zis ge ne rá lá si és kí sér le te zé si cik lu sa. A ro bot ku ta tó öt - le te egy la bo ra tó ri u mi ro bo ton és a ro bot in tel li gens al go rit mu sok kal tör té nő ve zér lé - sén alap szik. A ro bot ké pes ar ra, hogy is mét lő dő mó don hi po té zi se ket ál lít son fel a mo - dell mű kö dé se alap ján, ezek tesz te lé sé re ki vá las sza és meg ter vez ze a leg meg fe le lőbb kí - sér le te ket, a kí sér le te ket fi zi ka i lag vég re hajt sa, ki ér té kel je, majd az ered mé nyek függ vé - nyé ben az ép pen vizs gált hi po té zist el ves se vagy el fo gad ja, és en nek meg fe le lő en új is - meretekre tegyen szert, illetve frissítse a modellt. B) Adam, az Aberystwythi Egye temen (Wales, Egyesült Királyság) működő robotkutató készülék részleteit. A számítógépes modell eredményeit (azaz a szimuláció során kapott, csökkent méretű genomot) összehasonlítva a va ló di Buchnera génkészletével közel 80%-os egye zést ka punk [7]. Ez azt mu tat - ja, hogy a 200 mil lió év so rán be kö vet ke - zett genetikai változások egy részét egy egyszerű rendszerbiológiai modell képes előre jelezni. Külön érdekesség, hogy az evolúciós szimulációkat megismételve, a kapott genetikai állomány rendre egy kicsit más és más. Ez na gyon fon tos ered - mény, hi szen azt mu tat ja, hogy a ge ne ti kai rendszerek evolúciója mind szükségszerű, mind esetleges elemeket is tartalmaz: tökéletesen egyező kezdeti körülmények és szelekciós hatások mellett is jelentős genetikai különbségek halmozódhatnak fel. Mit hoz a jö vő? A rendszerbiológiai kutatások egyik elengedhetetlen sajátsága, hogy a kísérletezés és a modellezés ciklikus folyamatban ismétlődnek és egymást segítik. A modell és a kísérleti adatok közötti eltérések gyakran fontos információt rejtenek, melyek lehetővé teszik, hogy a modellt tovább finomítsuk. A javított modell újabb előrejelzéseket ad, lehetővé téve azok további tesztelését (2/A áb ra). Ha bár ez a sa ját ság elvileg számos más biológiai tudományterületen is érvényesül, a kutatás lezáratlan sajátossága kiemelten fontos a rendszerbio ló gi á ban. Az egyik leg ér de ke sebb új irány az úgynevezett robotkutató koncepció mentén körvonalazódik [8]. Az idetartozó kutatások olyan eljárások kidolgozását tűzték ki célul, melyek lehetővé teszik, hogy a teljes kutatási ciklust (2/A áb ra) automatizálják, és minimálisra csökkentsék az emberi beavatkozást. Ez nem egyszerűen a molekuláris biológiai rutinmunkák gépiesítését jelenti, hiszen erre ma is számos, kereskedelmi forgalomban lévő laboratóriumi folyadékkezelő robot képes. A robotkutató egy olyan integrált munkaállomás (2/B áb ra), amely nemcsak emberi beavatkozás nélkül végez el nagyszámú, elemi molekuláris és mikrobiológiai feladatot, hanem a csatlakoztatott számítógép a megfelelő, beépített mesterséges intelligencia algoritmusok révén kiértékeli az eredményeket, újabb kisérleteket javasol és hajt végre a különböző hipotézisek tesztelésére. Másképpen fogalmazva: a ro - bot a kezdeti beépített biológiai háttértudás alapján tovább finomítja a meglévő modellt, azaz az aktív gépi tanulás egy vállfaját valósítja meg. A robotkutató kiváló eszköz lehet olyan bonyolult problémák vizsgálatára, mint a gének funkciójának és kap cso lat rend sze re i nek a fel tá rá sa, vagy újabb kémiai hatóanyagok automatizált feltérképezése. Ezekre a problémákra igaz, hogy a lehetséges elméletek száma na gyon nagy, és azok egye di tesz te lé se meghaladja az emberi kapacitást. Nem tartunk attól, hogy a robotkutató feleslegessé tenné az emberi gondolkodást. Ellenkezőleg: lehetővé teszi, hogy a kutatások új szintre emelkedjenek. Könynyen elképzelhető, hogy a mesterséges intelligencia és a biológiai kutatások teljesen összefolynak majd a jövőben. A kutatók nem annyira egyedi kísérletek megvalósításával bajlódnak majd, hanem az adott problémát jellemző biológiai háttértudást igyekszenek formalizálni és a lehetséges hipotézisek kapcsolatrendszerét térképe- IRODALOM [1] A. Wagner: Robustness against mutations in genetic networks of yeast. Nat. Genet. 24, [2] B. Papp és mtsai: Metabolic network analysis of the causes and evolution of enzyme dispensability in yeast. Nature 429, [3] N. D. Price és mtsai: Genome-scale models of microbial cells: evaluating the consequences of constraints. Nat Rev Microbiol 2, [4] M. E. Hillenmeyer és mtsai: The chemical genomic portrait of yeast: uncovering a phenotype for all genes. Science 320, [5] K. Popper: A historicizmus nyomorúsága. Akadémiai Kiadó, Budapest, [6] R. U. Ibarra és mtsai: Escherichia coli K-12 undergoes adaptive evolution to achieve in silico predicted optimal growth. Nature 420, [7] C. Pál és mtsai: Chance and necessity in the evolution of minimal metabolic networks. Nature 440, [8] R. D. King és mtsai: Functional genomic hypothesis generation and experimentation by a robot scientist. Nature 427, [9] C. Pál és mtsai: Coevolution with viruses drives the evolution of bacterial mutation rates. Nature 450, [10] S. F. Elena, R. E. Lenski: Evolution experiments with microorganisms: the dynamics and genetic bases of adaptation. Nat Rev Genet 4, sor húzás a végéről [11] A. Buckling és mtsai: The Beagle in a bottle. Nature 457, [12] S. S. Fong, B. O. Palsson: Metabolic genedeletion strains of Escherichia coli evolve to computationally predicted growth phenotypes. Nat Genet 36, [13] A. Fleming: The discovery of penicillin. Br Med Bull 2, [14] V. M. D'Costa és mtsai: Sampling the antibiotic resistome. Science 311, [15] C. S. Stearns, J. C. Koella: Evolution in health and disease. Oxford University Press, New York, [16] Y. Ruan és mtsai: Interrogating the transcriptome. Trends Biotechnol 22, [17] S. Ghaemmaghami és mtsai: Global analysis of protein expression in yeast. Nature 425, [18] W. K. Huh és mtsai: Global analysis of protein localization in budding yeast. Nature 425, [19] A. C. Gavin és mtsai: Functional organization of the yeast proteome by systematic analysis of protein complexes. Nature 415, [20] A. H. Tong és mtsai: Global mapping of the yeast genetic interaction network. Science 303, További részletek: Magyar nyelvű irodalom: zik fel. Min den más ra ott lesz a robot DARWIN-ÉV EVOLÚCIÓ