Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Panel
Ecology and evolution 1
Department or equivalent
Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University)
Participants
Czárán, Tamás Könnyű, Balázs Kun, Ádám Paczkó, Mátyás Lajos Szabó, Péter Szilágyi, András Szilágyi, András Vig-Milkovics, Zsuzsanna
Starting date
2016-10-01
Closing date
2020-06-30
Funding (in million HUF)
21.915
FTE (full time equivalent)
6.77
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az RNS-világ a prebiotikus evolúció legelfogadottabb modellje. Széleskörű elfogadottsága ellenére azonban több olyan kifejezetten nehéz problémát is felvet, amelyekre egyelőre nincs kielégítő válasz. Pályázatunkban javasolt vizsgálataink négy témát ölelnek fel. Elsőként a hibridizált RNS-ek nem-enzimatikus szálszétválásának energetikáját tervezzük in silico vizsgálni. A hibridizált RNS szálak szétválást követő strukturális diverzitását, valamint a kis ékként működő RNS szálak szétválásban betöltött szerepét analizáljuk, különös tekintettel a komplementerszálak energetikai viszonyaira. Második vizsgálatunk a felszínkötött replikátorok (explicit) térbeli viselkedésére fókuszál. Egy részleteiben vizsgált és ismert működésű modell (a metabolikusan csatolt replikátor rendszer, MCRS) képezi továbblépésünk alapját. Harmadik vizsgálati irányunk tárgya a genom és a metabolizmus koevolúciója. Kémiai kinetikával bíró explicit reakcióhálózatok segítségével kívánjuk megérteni a növekvő komplexitású metabolikus hálózatokat létrehozó lehetséges evolúciós utakat. A negyedik témánk a fenntartható információ mennyiségét vizsgálja erős mutációs teher mellet, amely kizárhatja a komplex organizmusok megjelenésének lehetőségét. A probléma egy ígéretes megoldása a Szathmáry és munkatársai által javasolt sztochasztikus korrektor modell (SCM). Az SCM-ben a kompartmentumok belső dinamikája által vezérelt kétszintű szelekció működik. A hierarchikusan csatolt dinamika által elősegített együttélés segíthet annak megértésében, hogy hogyan hidalható át a prebiotika információs szakadéka.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Meg szeretnénk érteni a komplex makromolekulákat és a modern sejtet összekötő evolúciós utat, amely az RNS-világon keresztül haladt. Alapfeltevésünk, hogy ez az evolúciós út létezik. Legfőbb feladatunknak tekintjük, hogy a prebiotikus érában a komplexitás növekedésének dinamikai lehetőségeit felfedjük. Pályázatunkban az RNS-világ fejlődésének öt kiemelkedő fontosságú lépését kívánjuk vizsgálni. Választ keresünk az alábbi kérdésekre: (1) Milyen feltételek mellett jöhetett létre a metabolikus replikátorok egyszerű metabolizmusa? (2) Mennyire stabil és mennyire ellenálló a parazitákkal szemben a kooperatív replikátorok rendszere? (3) Hogyan jöhet létre enzimek segítsége nélkül szálszétválás az RNS másolódása után? (4) Az enzim-katalizált reakcióhálózatokból milyen módon evolválódott a metabolizmus? (5) Hogyan tudja a sztochasztikus korrektor modell áthidalni a prebiotika információs szakadékát?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az élet keletkezéséről kapcsolatos ismeretanyag az elmúlt évtizedben számottevően nőtt, de az új ismeretanyag nagy része a molekuláris biológia és a szupramolekuláris kémia területéről érkezett. Bár az első sejt megjelenésére vezető evolúciós utak bizonyos állomásairól számottevő ismerettel rendelkezünk, sokkal kevesebbet tudunk arról, milyen módon jöhetett létre az egyik állapotból a rákövetkező. Szathmáry Eörs és csoportja az élet keletkezésével kapcsolatos dinamikai modellezés területének egyik vezető szereplője. Javasolt kutatásaink eredményei számottevően kiterjeszthetik ismereteinket az élet keletkezése és a földi élet evolúciója néhány kulcslépésének tekintetében, amely a biológia egyik legnagyobb megoldatlan kérdése. A kutatás javaslatokat és a későbbiekben kísérletesen ellenőrizhető predikciókat tesz.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A javasolt kutatási témák az élet keletkezésének és korai evolúciójának megoldatlan kérdéseivel foglalkozik. Számítógépes szimulációk (egyszerű, általános modellek, valamint a folyamatok részletes kémiáját is magában foglaló, összetett modellek) segítségével keresünk választ az RNS-világ (az élővilág korai evolúciójának egy fontos fázisa) létrejöttének és fennmaradásának néhány kulcskérdésére. Hogyan növekedett a komplexitás az evolúció abban a korai időszakában, amikor másolódásra képes molekulák egyszerre voltak információhordozók és reakciókat katalizáló enzimek? Milyen feltételek mellett növekedhetett az anyagcsere hatékonysága a katalitikus képességek folyamatos evolúciója során? Mindannyiunkat érdeklő kérdés, hogy honnan származunk, az élet megjelenése és az élővilág korai evolúciója pedig a 3,5 milliárd éven átívelő „nagy történet” kezdete.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The RNA world is the most accepted hypothesis of prebiotic evolution. While it is widely endorsed, it has raised some notoriously hard problems for which no satisfactory solutions exist yet. Our proposed investigations will address four issues: The energetics of nonenzymatic strand separation of hybridized RNAs. We plan to perform two in silico investigations: 1. analysis of the structural diversity and energetics of hybridized RNA strands focusing on the energetic difference of complementarity strands; 2. analysis of the effect of RNA wedges on lowering the energetic threshold of hybridization. The second investigation focuses on surface-bound spatial replicators in a spatially explicit situation. A well-studied and understood spatial model (metabolically coupled replicator system (MCRS)) will be used as baseline model. The subject of the third investigation is the coevolution of genome and metabolism. Using explicit reaction networks coupled with chemical kinetics we intend to understand the possible evolutionary path of increasing metabolic complexity. The mutational load sets a threshold on the amount of information sustainable in inheritance systems that is too restrictive for the emergence of complex organisms. A promising solution is the stochastic corrector model (SCM) proposed by Szathmáry and colleagues. The SCM assumes two levels of selection governed by the internal dynamics of compartments. This hierarchically coupled dynamics facilitates coexistence that can explain how prebiotic informational gap was bridged.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. We would like to understand the evolutionary path that connects complex macromolecules and contemporary cells and went through the RNA world. Our basic assumption is that this evolutionary path exits. Our main task is to uncover the dynamical possibilities of increasing complexity in the prebiotic era. In our project we plan to investigate five significant steps of the RNA world. We seek answers to the following questions: (1) What conditions may have allowed the evolution of a simple metabolism based on metabolic replicators? (2) How stable are cooperative replicator systems, and how resistant are they to parasites? (3) How could the complementary strands of RNA separate after replication without the help of enzymes? (4) How could enzyme-catalyzed reaction networks evolve gradually for metabolism? (5) How could the stochastic corrector model bridge the prebiotic informational gap?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Our knowledge of the origin of life has increased considerably during the last decade, but most of this novel knowledge came from advances in molecular biology and supramolecular chemistry. Although we know that certain stages in the evolutionary path leading to the first cell are possible, we know considerably less about how one stage can evolve to the next. The Szathmáry Lab is a leading player in the research area of dynamical models of the origin of life. The results of the proposed research will considerably advance our understanding of several key steps in the origin and early evolution of life on Earth, which is one of the greatest unsolved questions of biology. The project will generate suggestions and clear predictions for experiments to be performed later.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The theme of the proposed research tackles unsolved questions of the origin and early evolution of life: we will use simulations (both simple, general models and complex models incorporating detailed chemistry) to understand several key steps in the development of the “RNA World” – a crucial early stage in the evolution of life. How could complexity increase, when simple replicating molecules performed the dual roles of both enzymatic catalysis and information storage? Under what conditions could the efficiency of metabolism improve by the gradual evolution of catalytic functions? Everybody is interested in the question where we came from; and the emergence and early evolution of life is at origins of the “big history” spanning over 3.5 billion years. The origin of life is one of the most important open questions of all science.
