 |
The first steps of the compartmentalization of prebiotic replicators
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120799 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Könnyű, Balázs |
| Title in Hungarian |
Prebiotikus replikátorok kompartmentalizációjának első lépései |
| Title in English |
The first steps of the compartmentalization of prebiotic replicators |
| Keywords in Hungarian |
korai evolúció, model, replikátor, lipid, membrán, felszín |
| Keywords in English |
early evolution, model, relicators, lipid, membrane, surface |
| Discipline |
| Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % |
|
| Panel |
Ecology and evolution |
| Department or equivalent |
Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Czárán, Tamás
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.090 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| 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 élet eredete a biológia egyik, vagy talán a legnehezebb problémája, mely egyben hallatlanul izgalmas interdiszciplináris kihívás is. Az élet keletkezésével kapcsolatos legelfogadottabb elképzelés az ősleves hipotézis nem tartható az eredeti formájában, mert jelenlegi tudásunk szerint számos kémiai és fizikai hatás korlátozza érvényességét. Az új elképzelés szerint ásványi felszínek játszhattak fontos szerepet a korai evolúció során, ahol a reakciók végbemenetelét kevesebb korlátozó tényező befolyásolta mint vizes közegben. Például az ásványi felszínek kedvezhettek a polimerizációval kialakuló makromolekulák (replikátorok) szintézisének is, melyek másod és harmadlagos térszerkezetüknek köszönhetően valamilyen katalizálóképességre tehettek szert. Így a különböző katalitikus replikátorok molekuláris közösségbe szerveződhettek a köztük kialakuló bonyolult ökológiai (pl. együttműködő és versengő) kapcsolat-rendszernek köszönhetően. Ezek a közösségek azonban messze nem tekinthetőek még élőnek mert még hiányzik, a mai élő állapot egy fontos eleme, a molekuláris közösséget a környezettől elhatároló membrán. A pályázat célja, hogy megértsük azokat a folyamatokat, melyek elősegítették a felszín kötött replikátor közösségek kompartmentalizációját, és feltárjuk a vezikulumokba zárt replikátor közösség és membrán közötti kapcsolatot.
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.
A projekt a korai evolúció nehezen megválaszolható kérdései közül kettőnek a részletes vizsgálatával foglalkozik. Alapfeltevése, hogy a korai evolúció egyik fontos állomása az ásványi felszíneken kialakuló makromolekuláris (replikátor) közösség lehetett. A replikátorok egyszerre tölthették be az információ tároló (genetikai) és reakció katalizáló (metabolikus) szerepet megteremtetve a feltételeket a replikátorok stabil együtt éléséhez. Azonban az élő állapot legegyszerűbb formája a sejt, ami jóval bonyolultabb membránnal határolt molekuláris komplexum, mint az ásványi felszínen kialakuló molekuláris közösség. Tehát a korai evolúció következő „logikus lépése” az lehetett, hogy a metabolikus replikátorok ökológiailag stabil közösségének tagjai bezáródtak egy közös membrán vezikulumba, ami megváltoztatta a közösség dinamikai viselkedését. Projektünk elsődleges célja, hogy feltárjuk a önszerveződő, felszínhez kapcsolódó membrán határolt „fél-sejtek” keletkezésének folyamatát és megértsük a metabolikus replikátor közösség dinamikájára kifejtett hatását. Az evolúció egy későbbi szakaszában e felszíni „fél-sejtek” leválhattak az ásványok felszínéről valódi vezikulumba zárva a replikátor közösséget. A felszínt elhagyó replikátor közösség számára új evolúciós lehetőségek nyíltak. Projektünk másik célkitűzése az, hogy feltárjuk a vezikulumokba zárt replikátor közösség, a katalizált anyagcsere folyamat valamint a vezikulumok membránja közötti kapcsolatot és annak evolúcióját.
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!
A felszín-kötött replikátorok és replikátor-közösségek keletkezése, valamint evolúciója régóta központi tárgya a földi korai evolúciós kutatásoknak, mind kísérleti, mind elméleti szinten. A kompartmentalizált replikátor-közösségek kísérletes vizsgálatára viszont csak a legutóbbi években nyílt lehetőség a vizsgáló módszerek (mikorfluidika) és a számítástechnika fejlődésnek köszönhetően. Ennek következtében jelentős ismerettel rendelkezünk a vezikulumok dinamikai, permeabilitási, valamint az RNS molekulák (mint replikátorok) kompartmentalizációs viselkedéséről. Azonban hiányzik az egységes koncepció, amely kapcsolatot teremt a felszín-kötött és a vezikuláris replikátor-közösség között, azaz az élet eredetének két korai evolúciós állapota között.
A jelen kutatási terv egyedülálló módon, egyetlen közös szelekciós hajtóerő (a metabolikus hatékonyság növekedésének) segítségével magyarázza a felszín-kötött replikátor-közösség kompartmentalizációját, és az így kialakult kompartment evolúcióját proto-sejtté. Az eredmények és az alkalmazott módszerek egyesítik a korai evolúció két tudományterületét / iskoláját („replikátor elsőként” és „membrán elsőként”). A pályázat eredményei közelebb vihetnek a korai evolúció nagy problémájának, az első sejtek kialakulásának megértéséhez. A várható eredmények ugyanakkor túl is mutathatnak a földi élővilág kialakulásának problémakörén. Az egyik nagyon érdekes, más biológiai diszciplínák számára is hasznosítható eredmény a sejteket alkotó (makro)molekulák kölcsönhatásainak mélyebb megértése. Az eredményeket hasznosító másik tudományterület az exobilógia, amelynek fő feladata idegen (földi élővilágtól független) életformák felkutatása más bolygókon. Ezért a földi élet kialakulásának kutatása és megértése a jelenkori biológia hallatlanul izgalmas és érdekes feladata.
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.
Az élet eredetének kérdése kutatók generációinak adott már munkát, ennek ellenére mégsem értjük hogyan is jelent meg az élet a Földön. A klasszikus elképzelés szerint az élet kialakulásának első lépései az ős-ócánban történhetett meg („ősleves” hipotézis) nagyon egyszerű molekulák kémiai/fizikai kölcsönhatásának eredményeként. Az utóbbi évek vizsgálatai kimutatták, hogy bár vitathatatlan az ős-óceánokban lezajló kémiai/fizikai folyamtok jelentősége az élet kialakulásának kezdetén mégsem túl valószínű, hogy ez önmagában elegendő az első élő entitás kialakulásához. Úgy tűnik, sokkal valószínűbb az, hogy számos fontos kémia/fizikai folyamat elindult az ős-óceánban de megrekedt ez a folyamat primitívnek nevezhető élettől is nagyon távoli szinten. A molekulák és a reakciók komplexitása, amai ismereteink szerint csak egy új környezetben, ásványi felszínekhez kötötten növekedhetett újra a molekulák egymással való reakciójával (ős-pizza hipotézis). De a „ős-pizza” felszín kötött replikátorainak komplexitása még így sem érte el az élet jelenlegi legegyszerűbb formáját, mert ez még mindig nem sejtes állapot. A kérdés amire választ szeretnénk kapni tehát ebben kutatásban az, hogy a komplex makromolekulák milyen módon csomagolódtak be membrán határolt vezikulumokba, hogyan hagyhatták el a felszínt, és hogyan és fejlődtek az első sejtekké.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The origin of life is one of the most difficult problems in Biology and a very interesting interdisciplinary challenge. The best known scenario of the origins: the “prebiotic-soup” hypothesis, is not tenable in its original form because, as recent studies reveal, several chemical and physical effects constrain its validity. According to a new concept mineral surfaces may have played an important role during the early phases of prebiotic evolution, because they offer a chemical stage constraining chemical reactions by fewer limiting factors than water solutions. For example, mineral surfaces may have supported the polymerization of monomers to macromolecules (replicators), which in turn may have achieved catalytic activities due to their secondary and tertiary structures. Different catalytic replicators may have formed molecular communities due to complex ecological interactions (e.g. cooperation and competition) among them. These macromolecular communities, however, are still not regarded as living entities because they lack the membrane, which is a crucial component of all recent living being separating the replicators from their environment. The aim of the proposed study is to understand which conditions help the compartmentalization of surface bound replicator communities, and to reveal the relationships between encapsulated replicator communities and membrane of vesicles.
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.
The aim of the project is to investigate two difficult questions of the origin of life in detail. The basic assumption of the project is that the development of macromolecular (replicator) communities on mineral surfaces may have been an important phase of the early evolution. These replicators may have had dual functions supporting their coexistence: information storage and catalysis. However, even the simplest forms of recent life are cellular constituting molecular communities in membranous vesicles that are much more complex than the communities on mineral surfaces. Thus the next “logical” evolutionary step should have been the inclusion of an ecologically stable surface-bound replicator community in membrane vesicles changing the dynamics of replicator communities. The primary aim of this project is to reveal the development of self-assembled membranous “half-vesicles” on the surface, and to understand the physico-chemical consequences of it on replicator dynamics. In a later evolutionary state the “half-vesicles” may have detached from the mineral surface, enclosing the replicator community within free-floating membrane vesicles. This “take-off” of the encapsulated replicator community would have opened new evolutionary perspectives for replicators. Another goal of this project is to reveal the evolutionary features of, and the interactions between replicator communities, the catalysed metabolic processes and the membrane constituting the vesicles enclosing them.
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.
The emergence and evolution of surface-bound replicators and their communities, as a central problem of the early evolution on Earth, have been investigated extensively in both empirical and theoretical studies. Recent developments in experimental methods (e.g. microfluidics) and informatics have opened the door to the empirical study of compartmentalized replicator communities. We already possess substantial knowledge on vesicle dynamics, vesicle permeability and the encapsulation process of RNA molecules (as replicators). However, a coherent concept is still missing for revealing the evolutionary link between surface-bound and vesicular replicator communities, i.e., the transition between these two early evolutionary stages of the origin of life.
This research proposal is the first one attempting to explain the compartmentalization of surface-bound replicator communities and their evolution to proto-cells by a single selection force: the progression towards increasing metabolic efficiency. The methodology of the proposed studies merges that of two basic scenarios of prebiotic evolution (“replicator first” and “membrane first”). The results of the proposed research project would help to attack one of the most challenging problems of prebiotic evolution: the occurrence of the first cell. The prospective results could be relevant beyond the problem of the origin of life on Earth, too. One such fascinating result could be a deeper understanding of macromolecular interactions within contemporary cells – insights which could be useful in other biological disciplines. Exobiology is another discipline in which the results could be used, one of its main missions being the search for alien forms of life on other planets (independent of its Earthian manifestation). Therefore research on and understanding of the origins of life on Earth is both an exciting and an important task of contemporary biology.
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 problem of the origin of life has kept generations of scientists busy, but we still do not understand how life has evolved on Earth. According to a classical hypothesis the first steps towards life had been taken inside the early oceans of the globe (“prebiotic soup” hypothesis), resulting from physico-chemical interactions among very simple molecules within the water body. Recent studies suggest that the importance of physico-chemical processes in the proto-ocean is indisputable in booting up life, but the actual reactions possible within the prebiotic “soup” might not have been sufficient for that end. It seems more likely that several important physico-chemical processes were triggered in the ocean but then arrested in states very far from what we could consider even a primitive form of life. The complexity of molecules and reactions are now thought to increase in a different environment, through the reactions between compounds bound to certain mineral surfaces (“prebiotic pizza” hypotesis). The molecular complexity of even the surface-bound replicator systems of the “pizza” did not come close to the simplest forms of recent life, however, because they were still not cellular. The questions we set out to answer with this research project regard the mechanism by which the complex macromolecules of the “pizza” could be wrapped in membrane compartments, take off from the surface and evolve towards the first free-living proto-cell.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
