Dynamical models in the origin of life  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
140164
Type K
Principal investigator Szathmáry, Eörs
Title in Hungarian Dinamikai modellek az élet keletkezésében
Title in English Dynamical models in the origin of life
Keywords in Hungarian élet keletkezése, evolúció, együttélés, populáció dinamika
Keywords in English origin of life, evolution, coexistence, population dynamics
Discipline
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
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 CER INSTITUTE OF EVOLUTION (IE) (Centre for Ecological Research)
Participants Czárán, Tamás
Földvári, Gábor
Kun, Ádám
Paczkó, Mátyás Lajos
Szabó, Péter
Szilágyi, András
Vörös, Dániel
Starting date 2020-07-01
Closing date 2023-03-31
Funding (in million HUF) 16.876
FTE (full time equivalent) 4.58
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.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Vizsgálataink során (1) elemeztük a felszínkötött replikátorrendszerek többszintű szelekcióját, (2) továbbfejlesztettük az önreprodukáló kompartmentek elméletét, amely a korai replikátorok csoportszelekciójának egy formája, (3) kísérletileg felépítettünk és vizsgáltunk egy infrabiológiai rendszert, (4) megvizsgáltuk a genetikai kód kialakulásának valószínűsíthető körülményeit, és (5) részletesen kidolgoztuk a a korai eukarióta evolúció kulcslépésének, a mitokondrium eredetének “farming hipotézisét”. Ad 1: A ribozimek katalitikus promiszkuitása segítette az anyagcsere evolúcióját. Ad 2: A protosejtek korlátozott szexuális szaporodása (alkalmi fúzióval és hasadással) előnyös, mert csökkenti a replikátorok utódsejtek közötti szétosztódásának terhét. A kromoszómák képződése előnyös, mert elnyomja az intragenomikus konfliktust, csökkenti a szétosztásá terhét és növeli a hibaküszöböt. Ad 3: Az autokatalitikus formóz-reakciót kísérleti víz-az-olajban típusú növekvő kompartmentumokba helyeztük, amelyek szaporodnak és versengenek. Ad 4: A genetikai kód filogenetikai elemzése a korábbi feltételezésekkel ellentétben arra vezet, hogy a genetikai kód inkább mezofil, mint termofil körülmények között fejlődött ki. Ad 5: Egy analitikus modellel és numerikus szimulációkkal kimutattuk, hogy a bekebelezett, de meg nem emésztett zsákmány („farmolás”) előnyös lehetett egy olyan környezetben, ahol a forrásszűksségi időszakok sztochasztikusan jelentkeztek.
Results in English
We have (1) analyzed multilevel selection of surface-bound replicator systems, (2) developed further the theory of reproducing compartments as a form of group selection of early replicators, (3) experimentally constructed and analyzed an infrabiological system, (4) investigated the likely conditions during the establishment of the genetic code, and (5) worked out in detail the farming hypothesis of mitochondrial origins during early eukaryotic evolution. Ad 1: Catalytic promiscuity of ribozymes have aided the evolution of metabolism. Ad 2: Limited sexual reproduction of protocells (by occasional fusion and fission) is advantageous because is decreases the assortment load without a large threat by horizontally spreading molecular parasites. The formation of chromosomes is advantageous because it suppresses intragenomic conflict, reduces the assortment load and increases the error threshold for replication. Ad 3: We have put the autocatalytic formose rection into experimental water-in-oil growing compartments that reproduce and compete. Ad 4: Phylogenetic analysis of the genetic code indicates, contrary to previous suggestions, that it evolved under mesophilic rather than thermophilic conditions Ad 5: We have shown in an analytic model as well as by more detailed numerical simulations that ingested but not digested prey (farming) could have been advantageous in an environment with stochastically occurring periods of depleted prey resources.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=140164
Decision
Yes





 

List of publications

  
H. Lu, A. Blokhuis, R. Turk-MacLeod, J. Karuppusamy, A. Franconi, G. Woronoff, C. Jeancolas, A. Abrishamkar, E. Loire, F. Ferrage, P. Pelupessy, L. Jullien, E. Szathmáry, P. Nghe, A D. Griffiths: Small-molecule autocatalysis drives compartment growth, competition and reproduction., Nature Chemistry (accepted for publication), 2023
Zachar I, Szilagyi A, Számadó Szabolcs, Szathmary E: REPLY TO GARG AND MARTIN: The mechanism works, PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 115: (20) pp. E4545-E4546., 2018
Szathmáry Eörs, Jordán Ferenc: Systems ecology and evolution—editorial overview, Current Opinion in Systems Biology, 2019
Kun Ádám, Radványi Ádám: The evolution of the genetic code: impasses and challenges, BioSystems, 2017
Kun Ádám, Radványi Ádám: The evolution of the genetic code: impasses and challenges, BioSystems, 2017
Szilágyi András, Zachar István, Scheuring István, Kun Ádám, Könnyű Balázs, Czárán Tamás: Ecology and evolution in the RNA World - Dynamics and stability of prebiotic replicator systems, Life, 7(4), 48, 2017
Zachar István, Szilágyi András, Számadó Szabolcs, Szathmáry Eörs: Farming the mitochondrial ancestor as a model of endosymbiotic establishment by natural selection, P NATL ACAD SCI USA 115: (E1504) p. E1510., 2018
Garay József, Csiszár Villő, Móri Tamás F., Szilágyi András, Varga Zoltán, Számadó Szabolcs: Juvenile honest food solicitation and parental investment as a life history strategy: A kin demographic selection model, PLoS ONE 13(3): e0193420, 2018
Kun Ádám: Publish and Who Should Perish: You or Science?, Publications 6(2):18, 2018
Inês Fragata, Pedro Simões, Margarida Matos, Eörs Szathmáry, Mauro Santos: Playing evolution in the laboratory: From the first major evolutionary transition to global warming, EPL (Europhysics Letters), 122(3):38001, 2018
Vig-Milkovics, Zsuzsanna, Zachar István, Kun Ádám, Szilágyi András, Szathmáry Eörs: Moderate sex between protocells can balance between a decrease in assortment load and an increase in parasite spread, Journal of theoretical biology 462, 304-310, 2019
Scheuring István, Szilágyi András: Diversity, stability, and evolvability in models of early evolution, Current Opinion in Systems Biology 13, 115-121, 2019
Szilágyi András, Könnyű Balázs, Czárán Tamás: Dynamics and stability in prebiotic information integration: an RNA World model from first principles, Scientific Reports 10, 51, 2020
Paul Adamski, Marcel Eleveld, Ankush Sood, Ádám Kun, András Szilágyi, Tamás Czárán, Eörs Szathmáry, Sijbren Otto: From self-replication to replicator systems en route to de novo life, Nature Review Chemistry 4, 2020
Vörös Dániel, Könnyű Balázs, Czárán Tamás: Catalytic promiscuity in the RNA World may have aided the evolution of prebiotic metabolism, PLoS Computational Biology 17(1): e1008634, 2021
Kun Ádám: The major evolutionary transitions and codes of life, Biosystems, 210: 104548, 2021
Kun Ádám: Maintenance of Genetic Information in the First Ribocell, Ribozymes (eds S. Müller, B. Masquida and W. Winkler), 2021
Radványi Ádám, Kun Ádám: The Mutational Robustness of the Genetic Code and Codon Usage in Environmental Context: A Non-Extremophilic Preference?, Life 11(8): 773, 2021
Radványi Ádám, Kun Ádám: Phylogenetic analysis of mutational robustness based on codon usage supports that the standard genetic code does not prefer extreme environments., Scientific Reports, 2021
Szilágyi András, Kovács Viktor Péter, Szathmáry Eörs, Mauro Santos: Evolution of linkage and genome expansion in protocells: The origin of chromosomes, PLOS Genetics 16(10): e1009155, 2020
Könnyű Balázs, Kun Ádám: Surfaces, the missing link in the Origins of Life, Journal of Systems Chemistry 8: 95-106, 2020
Radványi, Ádám, Kun, Ádám: The Mutational Robustness of the Genetic Code and Codon Usage in Environmental Context: A Non-Extremophilic Preference?, Life 11(8), 2021
Kun Ádám: The major evolutionary transitions and codes of life, Biosystems 210:104548, 2021
Radványi Ádám, Kun Ádám: Phylogenetic analysis of mutational robustness based on codon usage supports that the standard genetic code does not prefer extreme environments., Scientific Reports, 11(1):10963, 2021
Szilágyi, A., Kovács, V.P., Czárán, T., Szathmáry, E: Evolutionary ecology of language origins through confrontational scavenging, Philosophical Transactions B (accepted for publication), 2022




 

Events of the project

  
2023-06-05 16:34:04
Résztvevők változása
2022-04-19 10:38:59
Résztvevők változása
2019-05-13 11:23:23
Résztvevők változása
2018-12-03 16:08:14
Résztvevők változása
2016-09-12 15:39:27
Résztvevők változása



Back »