Computational study of evolution in early life and extant model organisms  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73047
Type NK
Principal investigator Szathmáry, Eörs
Title in Hungarian Az élet keletkezésének és jelenkori modellorganizmusok evolúciójának számítógépes vizsgálata
Title in English Computational study of evolution in early life and extant model organisms
Keywords in Hungarian az élet keletkezése, replikátorok, RNS világ, molekuláris óra, HIV, kodonhasználat, genetikai kód
Keywords in English origin of life, replicators, RNA world, molecular clock, HIV, codon usage, genetic code
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)15 %
Ortelius classification: Evolutionary biology
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)15 %
Panel Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University)
Participants Ari, Eszter
Benedek, Zsófia
Kun, Ádám
Müller, Viktor
Szilágyi, András
Tlasné Jakó, Éena
Vasas, Vera
Starting date 2008-06-01
Closing date 2011-12-31
Funding (in million HUF) 56.000
FTE (full time equivalent) 11.14
state closed project
Summary in Hungarian
A pályázat számítógépes szimulációkkal, matematikai modellezéssel és adatelemzéssel vizsgálja az élet korai evolúciójának fontos állomásait és a különböző evolúciós mechanizmusok mai élőlények genomjában fellelhető lenyomatát. Megvizsgálunk egy lehetséges megoldást az RNS-molekulák korai, nem enzimatikus replikációjának problémájára; szimuláljuk a protosejtek anyagcseréjének evolúcióját és felmérjük a rendszerben elérhető komplexitás korlátait; az evolúciós múltra utaló mintázatokat keresünk a genetikai kódban; nagy számú vírus és baktérium kodonhasználatának összehasonlító vizsgálatával kutatjuk a nukleotidszekvenciára ható evolúciós folyamatokat (szelekció és mutációs nyomás); a humán immundeficiencia vírus (HIV) példáján új módszert fejlesztünk ki az evolúció alaprátájának meghatározására nagy mennyiségű szekvenciaadat alapján, és az eredmények alapján a HIV szervezeten belüli evolúciós dinamikájába is bepillantást nyerünk.

A kutatási terv nagy múltú elméleti- és evolúcióbiológiai csoport profiljába illeszkedik. A pályázat a csoporthoz kötődő tehetséges fiatal kutatók alkalmazásával kulcsfontosságú szerepet játszhatna az agyelszívás visszafordításában, a felhalmozott kutatási tapasztalat és potenciál megőrzésében, és így e kiemelkedően sikeres kutatási irány továbbélésében.
Summary
The proposal addresses important problems in the early evolution of life and seeks to detect fingerprints of evolutionary forces in extant organisms by computer simulations, mathematical modelling and data analysis. We will test a possible solution to a problem of the early non-enzymatic replication of RNA molecules; simulate the evolution of metabolism in protocells and assess limitations on its complexity; study patterns and evolution of the genetic code; analyze patterns of codon usage across a large number of extant viral and bacterial taxa to understand evolutionary forces (selection and mutation pressure) that act on the nucleotide sequence; develop a method to determine the basal rate of evolution from large-scale sequence data on the example of the human immunodeficiency virus (HIV), and gain insight into the within-host evolutionary dynamics of HIV infection.

The proposed research follows the focus theme of an established group of theoretical and evolutionary biology. The grant would be instrumental in reversing brain-drain, allowing talented young scientists to stay with the group, and in securing the survival of the accumulated research potential, maintaining this highly successful line of research.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Pályázatunk súlyponti témája az élet keletkezésének és korai evolúciójának vizsgálata volt, szimulációs és matematikai modellezés segítségével. Megvizsgáltuk a sejtes szerveződést megelőző felszíni anyagcsere, illetve az RNS-gének megjelenése előtti prebiotikus rendszerek evolúciójának lehetőségeit és korlátait. Tovább finomítottuk a legegyszerűbb sejtes rendszerek absztrakt dinamikájának (chemoton modell) leírását, és foglalkoztunk az RNS-replikátorok másolásának nehézségeivel. Újabb ismeretekkel szolgáltunk a genetikai kód (transzláció) és a komplex anyagcsere evolúciójának lehetséges történetéről és mechanizmusairól. További projektekben foglalkoztunk a replikátorok általános elméletével, a kooperáció, a nyelvkészség és a virulencia evolúciójával, valamint az agyban zajló evolúciós/szelekciós folyamatokkal.
Results in English
Our research centred on the origin and early evolution of life, with the tools of simulation and mathematical modelling. We studied the potential and limitations of surface metabolism (preceding cellular organisation) and of the evolution of prebiotic systems (preceding RNA genes). We investigated further aspects of the abstract dynamics of the simplest cellular living organisms (chemoton model), and analyzed the difficulties associated with the copying of RNA replicators. We gleaned new insight into the possible evolutionary history and mechanisms of the genetic code (translation) and of complex metabolism. In further projects, we studied the general theory of replicators, the evolution of cooperation, language and virulence, and the evolutionary/selective processes that occur in the brain.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73047
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kun, Á., Pongor, S., Jordán, F. & Szathmáry, E.: Catalytic Propensity of Amino Acids and the Origins of the Genetic Code and Proteins., In. M. Barbieri (ed.) Codes of Life, Springer-Verlag, pp. 39-58., 2008
Szathmáry, E.: Towards an understanding of language origins, In. M. Barbieri (ed.) Codes of Life, Springer-Verlag, pp. 283-313., 2008
Szathmáry, E.: The genetic code and natural language: their nature, origins and relation., In: P. Walde, F. Kraus (eds): An den Grenzen des Wissens. Vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich. pp. 185-207, 2008
Fernando, C. Karishma, K.K. & Szathmáry, E.: Copying of Neuronal Topology by Spike-Time Dependent Plasticity and Error-Correction., PlosONE 3(11), e3775., 2008
Könnyű, B., Czárán, T. & Szathmáry, E.: Prebiotic replicase evolution in a surface-bound metabolic system: parasites as a source of adaptive evolution., BMC Evol. Biol. 8, 267., 2008
Santos, M. & Szathmáry, E.: Genetic hitchhiking can promote the initial spread of strong altruism., BMC Evol. Biol. 8, 281, 2008
Szathmáry E, Számadó S: Being human: Language: a social history of words., Nature 456, 40-41, 2008
Griesemer, J. & Szathmáry, E.: Gánti’s chemoton model and life criteria., pp 481-512. In: Rasmussen S et al (eds): Protocells. Bridging Nonliving and Living Matter. MIT Press, Cambdridge., 2009
Branciamore S, Gallori E, Szathmáry E, Czárán T: The origin of life: Chemical evolution of a metabolic system in a mineral honeycomb?, J. Mol. Evol. 69, 458-469., 2009
Jakó E, Ari E, Ittzés P, Horváth A, Podani J.: BOOL-AN: A method for comparative sequence analysis and phylogenetic reconstruction., Mol Phylogenet Evol. 52 (3): 887-897, 2009
Kun Á. és Scheuring I.: Evolution of cooperation on dynamical graphs, BioSystems 96:65-68, 2009
Rodin AS, Szathmáry E, Rodin SN.: One ancestor for two codes viewed from the perspective of two complementary modes of tRNA aminoacylation., Biol Direct. 4:4., 2009
Fernando C, Szathmáry E: Chemical, neuronal and linguistic replicators., pp. 209-249 In: Pigliucci M, Müller GB (eds). Evolution: The Extended Synthesis. MIT Press., 2010
Fernando, C. and Szathmáry, E.: Natural Selection in the Brain., pp 291-322. In: Glatzeder B, Goel V, von Müller A (eds.) Towards a Theory of Thinking. Springer/Parmenides book series., 2010
Kun Á., Boza G. and Scheuring I.: Cooperators Unite! Assortative linking promotes cooperation particularly for medium sized associations, BMC Evolutionary Biology 10:173, 2010
Vasas, V., E. Szathmáry and M. Santos: Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks constraints metabolism-first scenarios for the origin of life, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 107:1470-1475, 2010
Zachar I. and Szathmary E.: A New Replicator: A theoretical framework for analysing replication, BMC Evolutionary Biology 8:21, 2010
Zintzaras, E., M. Santos and E. Szathmáry.: Selfishness versus functional cooperation in a stochastic protocell model, Journal of Theoretical Biology, 267(4): 605-613, 2010
Csabai I, Szathmáry E: Comment on “A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorous”., Science 332, 1149., 2011
Rodin AS, Szathmáry E, Rodin SN: On origin of genetic code and tRNA before translation, Biol Direct. 6:14., 2011
Szathmáry, E: Evolution. To group or not to group., Science 334, 1648-1649., 2011
Zachar I., Fedor A., Szathmáry E.: Two different template replicators coexisting in the same protocell: stochastic simulation of an extended chemoton model, PLoS One 6(7):e21380, 2011
Kun Á, Szilágyi A, Szathmáry E: RNA structures and the error threshold, Abstract 05-2, p 26, ISSOL and Bioastronomy Joint International Conference, Montpelier, Franciaország, 2011. július 3-8., 2011
Szilágyi A, Kun Á, Szathmáry E: Evolution of complex metabolism, COST-ESF Systems Chemistry III, Crete, Greece, 2011. október 23-28, 2011
Zachar I, Kun Á, Fernando C, Szathmáry E.: Replicators - From molecules to organisms, In Kernbach S (ed.) Handbook of collective robotics - fundamentals and challenges. Pan Stanford Publishing (megjelenik áprilisban), 2012
Herbeck JT, Müller V, Maust BS, Ledergerber B, Torti C, Di Giambenedetto S, Gras L, Günthard HF, Jacobson LP, Mullins JI, Gottlieb GS: Is the virulence of HIV changing? A meta-analysis of trends in prognostic markers of HIV disease progression and transmission., AIDS 26(2):193-205., 2012
Vasas V, Fernando C, Santos M, Kauffman S, Szathmáry E: Evolution before genes, Biol Direct 7:1, 2012




 

Events of the project

  
2009-01-22 13:51:53
Résztvevők változása



Back »