Theoretical biology, early evolution of life (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Panel
Ecology and evolution 1
Department or equivalent
Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University)
Participants
Hubai, András Gábor Könnyű, Balázs Kőrössy, Csaba Szilágyi, András
Starting date
2012-01-01
Closing date
2016-12-31
Funding (in million HUF)
25.136
FTE (full time equivalent)
14.17
state
closed project
Summary in Hungarian
1) A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára (max. 200 szó)
Az első élő sejt kialakulásához vezető evolúciós út elméleti kutatását szeretnénk folytatni a javasolt projekt keretében. Eddigi eredményeink megmutatták, hogy a feltételezett RNS-szerű ős-replikátorok együttélése és az általuk katalizált metabolikus reakcióhálózat természetes szelekció révén történő tökéletesedése megfelelő ásványi felszíneken lehetséges volt a replikátorokat körülvevő sejtmembrán híján is. Sztochasztikus sejtautomata-szimulációk és a reakció-diffúziós modellezés kombinációjával most azt szeretnénk bizonyítani, hogy 1) a metabolikus rendszer kitermelhet magából olyan replikátorokat, amelyek membrán-alkotó molekulák előállítására képesek, és ezek a molekulák a legegyszerűbb formájukban is növelhetik a rendszer rátermettségét, ahol megjelennek; 2) a membrán áteresztőképessége a tápanyagokra, salakanyagokra és a rendszer belső anyagaira nézve optimalizálódhat az amfipatikus membrán-molekulák hidrofób „farkának” hosszára folyó szelekció révén; valamint 3) a replikáció mechanizmusára vonatkozó realisztikus feltevések (pl. az, hogy a templát és a másolat közül csak az egyik bír katalitikus aktivitással, ill. hogy a két szál egy ideig együtt marad, így katalitikusan ez idő alatt mindkettő inaktív) nem rontják, hanem – meglepő módon – javítják az együttélés esélyét. A javasolt kutatás a témán dolgozó csoport évtizedes, nemzetközileg is elismert munkájának közvetlen folytatása.
2) Mi a kutatás alapkérdése? (max. 200 szó)
Három főbb kérdéscsoportra keresünk választ a tervezett kutatási program keretében: 1) Növelheti-e a Metabolikus Replikátor Rendszer sejtautomata modelljeiben a metabolikus replikátor-készlet rátermettségét egy olyan metabolikus parazita replikátor kvázispéciesz, amely mutációval membrán-alapanyagok termelésére válik képessé? Segítheti-e egy ilyen evolúciós változás a felülethez kötött Metabolikus Replikátor Rendszer “elemelkedését” az ásványi szubsztráttól, létrehozva a replikátorok szabadon lebegő membrán-hólyagocskákba zárt populációját? 2) Feltételezve, hogy a membrán-alapanyagokat előállító replikátor kvázispéciesz különböző tagjai különböző hosszúságú hidrofób farokkal rendelkező membrán-molekulákat képesek létrehozni, lehetséges-e stabil, és optimális áteresztő-képességű membránokat evolválni a szabadon lebegő proto-sejt populációban? 3) Hogyan befolyásolja a templát-komplementaritás feltevése (azaz a gén- és az enzim-funkció két komplementer szálban történő elkülönülése) a Metabolikus Replikátor Rendszer dinamikáját – közelebbről a különböző replikátor-típusok együttélési hajlandóságát?
3) Mi a kutatás jelentősége? (max. 250 szó)
A javasolt kutatás a témán dolgozó csoport évtizedes, nemzetközileg is elismert munkájának közvetlen folytatása. Úgy véljük, hogy az élet kémiai evolúcióval történt keletkezésének elméleti vizsgálata a tudomány egyik legizgalmasabb vállalkozása akkor is, ha tudjuk, hogy – nyilvánvaló okok (pl. fosszilis maradványok teljes hiánya) miatt – nem várhatunk közvetlen bizonyítékokat, ill. cáfolatokat egyetlen hipotézissel szemben sem. Amit viszont teljes joggal elvárhatunk ettől a kutatási iránytól, az egy vagy több plauzibilis „forgatókönyv” kidolgozása, amely összefüggő, és minden részletében empirikusan is igazolható történetként tárja elénk, hogy hogyan történhetett a prebiotikus evolúció kémiai szakasza. Egy ilyen empirikusan igazolt forgatókönyv önmagában igazolná az élet földi evolúciójának lehetőségét, így az élet keletkezésének megértését jelentené annak ellenére, hogy a három-négymilliárd évvel ezelőtti konkrét események megismerésére vélhetőleg soha nem lesz módunk. Egyelőre természetesen távol állunk egy ilyen forgatókönyvtől, ám egyre több biztató fejlemény mutatkozik az elméleti és az empirikus (kísérleti) oldalon egyaránt. Ehhez a kutatási irányhoz szeretnénk a továbbiakban is hozzájárulni a Metabolikus Replikátor Rendszer modelljeinek továbbfejlesztésével. Meggyőződésünk, hogy ezek a modellek az élet keletkezésének kutatásában ma az egyik vezető paradigmát képviselik.
4) A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára (max. 200 szó)
Pályázatunk a földi élet keletkezése korai szakaszának – az első élő sejt kialakulásának – kutatásához kíván hozzájárulni. A kutatás a téma természetéből fakadóan – ti. hogy 3-4 milliárd évvel ezelőtti eseményekre vonatkozó kérdéseket próbál tisztázni – jórészt elméleti jellegű, de ez nem jelenti azt egyúttal, hogy a kísérleti tudományok számára eleve hozzáférhetetlen lenne. Számítógéppel szimulált kémiai folyamatokat kívánunk tanulmányozni, amelyek az ősi Föld körülményei között végbemehettek, és végső soron a mai élőlényekre jellemző tulajdonságokkal bíró, a mai sejtekhez már némileg hasonló szerkezetű kémiai szuperrendszerek evolúciójához vezethettek. Modell-folyamataink természetesen hipotetikusak és egyelőre kémiai szempontból elnagyoltak, de a pályázatban megfogalmazott céljaink éppen a kémiai részletek finomítását, a modellezett folyamatok kísérletes megközelíthetőségét célozzák. A kutatás sikere esetén várhatóan közelebb jutunk annak megértéséhez, hogy hogyan képzelhetők el az első lépések az anyagcserét végző, örökítő anyagot (géneket) tartalmazó, sejthártyával borított, kezdetleges egysejtű lények, az ún. proto-sejtek kialakulásához vezető úton. Az evolúcióbiológia számára ma éppen e lépések megismerése jelenti a legnagyobb kihívást – minden ezek után következő lépés már könnyebben érthetőnek tűnik.
Summary
1) Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified assessors (max. 200 words)
We propose to continue our research on prebiotic evolution towards the emergence of the first proto-cell on Earth. So far we have shown that the coexistence of metabolically active RNA-like replicators and the improvement by natural selection of the metabolism they drive are logically feasible on a mineral surface as a substrate, even without the replicators encapsulated in membrane vesicles. Now we wish to show – by combining stochastic cellular automaton modeling with reaction-diffusion methods – that 1) the metabolic system is capable of producing membrane constituents which would increase the fitness of the system wherever they are present, even at their most primitive forms; 2) the membrane, once present, would evolve towards selective permeability for nutrients, waste materials and intermediate metabolites, by optimizing the length of the hydrophobic “tail” of its amphipathic constituent molecules; and 3) some realistic assumptions on the mechanism of replication (e.g., supposing that only one of the template and the copy is catalytically active, and that template and copy remain stuck together for a while during which they are both inactive) does not ruin but, surprisingly, enhance the propensity of the metabolic system for coexistence.
2) What is your research question? (max. 200 words)
Specifically, we intend to answer three main groups of questions within the research project planned: 1) Can a metabolic parasite of the Metabolic Replicator System – which is converted to a quasispecies of membrane-producing enzymes by means of mutations – increase the fitness of the metabolic replicator set of the stochastic cellular automaton model? If so, does this change allow for the surface-bound Metabolic Replicator System to “take off” the surface and establish a viable population of free-floating protocells? 2) Assuming that different members of the membrane-producing quasispecies may catalise the production of membrane molecules of different hydrophobic tail-length, is it possible to evolve stable membranes of optimal permeability within the free-floating population of protocells? 3) How does the assumption of template complementarity (i.e., the differentiation of gene and enzyme functions within the replicator population) affect the dynamics of the Metabolic Replicator System from the viewpoint of the coexistence of different replicator types?
3) What is the significance of your research? (max. 250 words)
The proposed research topic is a direct continuation of a series of projects that our group has been working on with international recognition and success for about a decade by now. In our view, the prebiotic (chemical) evolution of life on Earth is one of the most exciting theoretical problems of contemporary science, even if – for obvious reasons – we cannot reasonably expect direct (e.g., fossile) evidence to be ever discovered and thus to prove or disprove any hypothesis. What we can expect is a single scenario or a few plausible scenarios that may be experimentally verified in all detail, so that we can say that we have a coherent story telling us how it might have happened. Even this would be equivalent to proving the possibility of – and in that sense to understanding – prebiotic evolution, without ever getting to know what actually happened on primordial Earth four to three billion years ago. Even though we are still far away from such a happy state of affairs at the moment, there are very important steps taken and being taken in the right direction, both in theoretical and in empirical (laboratory) work. We wish to contribute to this line of research with our Metabolic Replicator System models which, we are confident, represents one of the leading contemporary paradigms of research on the wake of life.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat keretében nagyobbrészt a korai evolúció felszínkötött replikátor közösség együttélési-feltételeinek részletes vizsgálatával és evolúciójával foglalkoztunk matematikai modellek és számítógépes szimulációk segítségével. Ebben a témakörben született 4 kutatási és 2 összefoglaló publikáció rangos nemzetközi folyóiratokban, valamint 3-3 nemzetközi konferencia előadás illetve poszter. A matematikai/szimulációs módszertan továbbá azt is lehetővé tette, hogy más, a fenti témához lazábban kapcsolódó problémákkal is foglalkozhassunk. Így született meg a támogatási időszak alatt az a hiánypótló elméleti könyv, mely az eredeti darwini szemléletmód alapján (újra) egyesíti az ökológiai és evolúciós alapelveket. A matematikai modellezés módszertana az a kapocs, mely néhány további – tematikailag egymástól eltérő – cikk megjelenését is lehetővé tette. Az egyikben gombák szomatikus fúziójának ökológiai és evolúciós hatásait vizsgáltuk [5], a másikban pedig a HIV vírus fehérjéinek proteolitikus hasítási modelljével a vírus érésének dinamikáját tártuk fel, elősegítve ezzel a vírus elleni hatékony gyógyszerek kifejlesztését. A szomatikus fúziós modell némi logikai módosítással és jelentős át-interpretálással humán populációk csoport-dinamikájának, vizsgálatában is hasznosnak bizonyult. A prebiotikus vizsgálataink új irányokban is kiterjesztettük, ezek a prebiotikus replikátorok kompartmentalizációjáról és a prebiotikus reakcióhálózatok modellezéséről szólnak.
Results in English
The project has resulted in 12 publications on the topics for which we applied for funding, 4 related publications based on the methods developed for this project but on different subjects, and 2 papers in preparation. The publications related to our focal topic of prebiotic ribozyme evolution on mineral surfaces are 4 research papers, 2 reviews, all of them published in international journals of high impact, 3 oral presentations and 3 posters presented at international conferences. We have co-authored a theoretical textbook on ecological and evolutionary processes, relying on the mathematical and simulation methodologies used in the project. The book re-interprets ecological principles on Darwinian grounds and builds the foundations of a coherent theory of ecology. The common methodology connects 3 other publications to this project: one is on the ecological and evolutionary consequences of somatic fusion in fungi, the other is an extension of that model to human cooperation and group dynamics, with a slight logical modification and a thorough re-interpretation of the fungal model. The third one is on the dynamics of HIV viral infections based on a proteolysis model of viral peptides, leading to proposals on a way to combat the infection. Extensions of the prebiotic studies include promising mechanisms to produce replicator compartmentalization and the explicit modelling of metabolic reaction networks. The first two corresponding publications are being prepared.
Könnyű B, Czárán T.: Template directed replication supports the maintenance of the Metabolically Coupled Replicator System, 2nd ISSOL – The International Astrobiology Society and Bioastronomy (IAU CSI) Joint International Conference 6-11 July, 2014, Nara, Japan, 2014
Könnyű B, Czárán T: Template directed replication supports the maintenance of the Metabolically Coupled Replicator System, Origin of Life and Evolution of Biosphere (in press), 2014
Á. Kun, A. Szilágyi, B. Könnyű, G. Boza, I. Zachar, E. Szathmáry.: The dynamics of RNA world: insight and challenges., Annals of the New York Academy of Science 1341: 75-95. doi: 10.1111/nyas.12700, 2015
T. Czárán, B. Könnyű, E. Szathmáry: Metabolically Coupled Replicator Systems: Overview of an RNA-world model concept of prebiotic evolution on mineral surfaces., Journal of Theoretical Biology 381: 39-54, doi:10.1016/j.jtbi.2015.06.002, 2015
B. Könnyű, T. Czárán: Template directed replication supports the maintenance of the Metabolicallly Coupled Replicator System., Origins of Life and Evolution of Biosphere 45: 105-112. doi: 10.1007/s11084-015-9409-6, 2015
B. Könnyű, A. Szilágyi, T. Czárán: In silico rybozym evolution in a metabolically coupled RNA population., Biology Direct 10: 30, doi: 10.1186/s13062-015-0049-6, 2015
B. Könnyű, A. Szilágyi, T. Czárán: In silico rybozym evolution in a metabolically coupled RNA population., 7th WIVACE 2015: the Workshop on Artificial Life and Evolutionary Computation. 22. September – 25. September Bari. Italy. Conference publication p. 61, 2015
L Pásztor, Z Botta-Dukát, G Magyar, T Czárán and G Meszéna: Theory-based ecology. A Darwinian approach, Oxford University Press UK, 2016
B Könnyű, A Szilágyi, T Czárán: In silico rybozyme evolution in a metabolically coupled RNA population, Poster at the Czech Chemical Society Symposium Series 3 & CMST COST Action CM1304 Conference SysChem 8 – 12. May 2016 Valtice Chateau, Czech Republic, 2016
B Könnyű, K Ruiz-Mirazo, T Czárán, E Szathmáry: The co-evolution of membranes, metabolism and membrane channels within prebiotic vesicle: research proposal, COST Action Meeting on Emergence and Evolution of Complex Chemical Systems.21-22 November 2014, Pullach, Germany, 2014
Könnyű, B. & Czárán, T.: Spatial aspects of coexistence and stability in a metabolically coupled replicator system on mineral surfaces, in prep., 2013
Könnyű B, Sadiq SK, Turányi T, Hírmondó R, Müller B, Kräusslich H-G, Coveney PV, Müller V: Gag-Pol processing during HIV-1 virion maturation: A Systems Biology approach, PLOS COMPUTATIONAL BIOLOGY 9(6): e1003103, 2013, doi:10.1371/journal.pcbi.1003103, 2013
