Ursprung des Lebens und Evolution der Molekülepks/Presentation/zuerich...Ursprung des Lebens und...

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Ursprung des Lebens und Evolution der Moleküle

Peter Schuster

Institut für Theoretische Chemie, Universität Wien, Austriaand

The Santa Fe Institute, Santa Fe, New Mexico, USA

Vortragsreihe: „An den Grenzen des Wissens“

Zürich, 07.12.2006

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Web-Page for further information:

http://www.tbi.univie.ac.at/~pks

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Kriterien zur Unterscheidung von belebter und unbelebter Materie

1. Befähigung zur Vermehrung und Variation durch Mutation

2. Befähigung zum Lernen in Populationen durch Replikation, Variation und Selektion

3. Molekulare Trennung zwischen Genotyp und Phänotyp

4. Abgrenzung gegenüber der Umwelt durch Membranen, Zellwände, Häute oder Verhalten

5. Autopoiese als Selbsterhalt mit Hilfe des Stoffwechsels

6. Arbeitsteilung durch Zelldifferenzierung

7. Befähigung zum individuellen Lernen

8. Übertagung erworbener Eigenschaften auf zukünftige Generationen durch Erziehung

9. Sprache, Schrift und Kultur

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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RNA

RNA as scaffold for supramolecular complexes

ribosome

? ? ? ? ?

RNA as transmitter of genetic information

DNA

...AGAGCGCCAGACUGAAGAUCUGGAGGUCCUGUGUUC...

messenger-RNA

protein

transcription

translation

RNA as of genetic informationworking copy

RNA is modified by epigenetic control

RNA

RNA

editing

Alternative splicing of messenger

Functions of RNA molecules

RNA is the catalytic subunit in supramolecular complexes

RNA as regulator of gene expression

Gene silencing by small interfering RNAs

Allosteric control of transcribed RNA

Riboswitches

metabolites

controlling transcription and translation

through

The world as a precursor of

the current + biology

RNA

DNA protein

RNA as catalyst

Ribozyme

RNA as adapter molecule

GAC

... C

UG ..

.

leugenetic code

RNA as carrier of genetic informationRNA viruses and retroviruses

RNA evolution in vitro Evolutionary biotechnology

RNA aptamers, artificial ribozymes,allosteric ribozymes

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OCH2

OHO

O

PO

O

O

N1

OCH2

OHO

PO

O

O

N2

OCH2

OHO

PO

O

O

N3

OCH2

OHO

PO

O

O

N4

N A U G Ck = , , ,

3' - end

5' - end

Na

Na

Na

Na

5'-end 3’-endGCGGAU AUUCGCUUA AGUUGGGA G CUGAAGA AGGUC UUCGAUC A ACCAGCUC GAGC CCAGA UCUGG CUGUG CACAG

Definition of RNA structure

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Isolated system

dS

U = const., V = const.,

0

dS 0 dS 0 dS 0

Closed system

dG dU pdV TdS T = const., p = const.,

= - - 0

Open system

dS

dS d S d S

d S i e

i

dS = + 0

= +

0

dSenv

p

TT

Stock Solution Reaction Mixture

d Si

deSdSenv

Entropy changes in different thermodynamic systems

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Red spotSouth pole

View from south pole

Jupiter: Observation of the gigantic vortexPicture taken from James Gleick, Chaos. Penguin Books, New York, 1988

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Computer simulation of the gigantic vortex on Jupiter

Particles turningcounterclockwise

Particles turningclockwise

View from south pole

Jupiter: Computer simulation of the giant vortexPhilip Marcus, 1980. Picture taken from James Gleick, Chaos. Penguin Books, New York, 1988

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Formation of target waves and spirals in the Belousov-Zhabotinskii reaction

Winding number:

minusnumber of left-handed spirals

number of right-handed spirals

Target waves and spirals in the Belousov-Zhabotinskii reaction

Pictures taken from Arthur T. Winfree, The geometry of biological time. Springer-Verlag, New York, 1980.

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Autocatalytic third order reactions

A + 2 X 3 XDirect, , or hiddenin the reaction mechanism(Belousow-Zhabotinskii reaction).

Multiple steady states

Oscillations in homogeneous solution

Deterministic chaos

Turing patterns

Spatiotemporal patterns (spirals)

Deterministic chaos in space and time

Pattern formation in autocatalytic third order reactions

G.Nicolis, I.Prigogine. Self-Organization in Nonequilibrium Systems. From Dissipative Structures to Order through Fluctuations. John Wiley, New York 1977

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Autocatalytic second order reactions

A + I 2 IDirect, , or hidden inthe reaction mechanism

Chemical self-enhancement

Selection of laser modes

Selection of molecular ororganismic species competingfor common sources

Combustion and chemistry of flames

Autocatalytic second order reaction as basis for selection processes.

The autocatalytic step is formally equivalent to replication or reproduction.

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The three-dimensional structure of a short double helical stack of B-DNA

James D. Watson, 1928- , and Francis Crick, 1916-2004,Nobel Prize 1962

G C and A = U

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Der Mechanismus der Replikation einsträngiger RNA-Moleküle

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Three necessary conditions for Darwinian evolution are:

1. Multiplication,

2. Variation, and

3. Selection.

Variation through mutation and recombination operates on the genotype whereas the phenotype is the target of selection.

One important property of the Darwinian scenario is that variations in the form of mutations or recombination events occur uncorrelated with their effects on the selection process.

All conditions can be fulfilled not only by cellular organisms but also bynucleic acid molecules in suitable cell-free experimental assays.

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Der Mechanismus der Replikation einsträngiger RNA-Moleküle

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Complementary replication as the simplest molecular mechanism of reproduction

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dx / dt = x - x

x

i i i

j j

; Σ = 1 ; i,j

f

f

i

j

Φ

Φ

fi Φ = (

= Σ

x - i )

j jx =1,2,...,n

[I ] = x 0 ; i i i =1,2,...,n ; Ii

I1

I2

I1

I2

I1

I2

I i

I n

I i

I nI n

+

+

+

+

+

+

(A) +

(A) +

(A) +

(A) +

(A) +

(A) +

fn

fi

f1

f2

I mI m I m++(A) +(A) +fm

fm fj= max { ; j=1,2,...,n}

xm(t) 1 for t

[A] = a = constant

Reproduction of organisms or replication of molecules as the basis of selection

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s = ( f2-f1) / f1; f2 > f1 ; x1(0) = 1 - 1/N ; x2(0) = 1/N

200 400 600 800 1000

0.2

00

0.4

0.6

0.8

1

Time [Generations]

Frac

tion

of a

dvan

tage

ous v

aria

nt

s = 0.1

s = 0.01

s = 0.02

Selection of advantageous mutants in populations of N = 10 000 individuals

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Ij

In

I2

Ii

I1 I j

I j

I j

I j

I j

I j +

+

+

+

+

(A) +

fj Qj1

fj Qj2

fj Qji

fj Qjj

fj Qjn

Q (1- ) ij-d(i,j) d(i,j) = lp p

p .......... Error rate per digit

d(i,j) .... Hamming distance between Ii and Ij

........... Chain length of the polynucleotidel

dx / dt = x - x

x

i j j i

j j

Σ

; Σ = 1 ;

f

f x

j

j j i

Φ

Φ = Σ

Qji

QijΣi = 1

[A] = a = constant

[Ii] = xi 0 ; i =1,2,...,n ;

Chemical kinetics of replication and mutation as parallel reactions

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Error rate p = 1-q0.00 0.05 0.10

Quasispecies Uniform distribution

Quasispecies as a function of the replication accuracy q

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Formation of a quasispeciesin sequence space

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Formation of a quasispeciesin sequence space

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Formation of a quasispeciesin sequence space

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Formation of a quasispeciesin sequence space

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Uniform distribution in sequence space

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Evolution in silico

W. Fontana, P. Schuster, Science 280 (1998), 1451-1455

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Replication rate constant:

fk = / [ + dS(k)]

dS(k) = dH(Sk,S )

Selection constraint:

Population size, N = # RNA molecules, is controlled by

the flow

Mutation rate:

p = 0.001 / site replication

NNtN ±≈)(

The flowreactor as a device for studies of evolution in vitro and in silico

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Randomly chosen initial structure

Phenylalanyl-tRNA as target structure

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In silico optimization in the flow reactor: Evolutionary Trajectory

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28 neutral point mutations during a long quasi-stationary epoch

Transition inducing point mutations change the molecular structure

Neutral point mutations leave the molecular structure unchanged

Neutral genotype evolution during phenotypic stasis

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Evolutionary trajectory

Spreading of the population on neutral networks

Drift of the population center in sequence space

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Motoo Kimuras Populationsgenetik der neutralen Evolution.

Evolutionary rate at the molecular level. Nature 217: 624-626, 1955.

The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge University Press. Cambridge, UK, 1983.

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Generation time

Selection and adaptation

10 000 generations

Genetic drift in small populations 106 generations

Genetic drift in large populations 107 generations

RNA molecules 10 sec 1 min

27.8 h = 1.16 d 6.94 d

115.7 d 1.90 a

3.17 a 19.01 a

Bacteria 20 min 10 h

138.9 d 11.40 a

38.03 a 1 140 a

380 a 11 408 a

Multicelluar organisms 10 d 20 a

274 a 20 000 a

27 380 a 2 × 107 a

273 800 a 2 × 108 a

Time scales of evolutionary change

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RNA sample

Stock solution: Q RNA-replicase, ATP, CTP, GTP and UTP, buffer

Time0 1 2 3 4 5 6 69 70

Anwendung der seriellen Überimpfungstechnik auf RNA-Evolution in Reagenzglas

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Decrease in mean fitnessdue to quasispecies formation

The increase in RNA production rate during a serial transfer experiment

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Ein Beispiel für Selektion von Molekülen mit vorbestimmbaren Eigenschaften im Laborexpriment

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Die SELEX-Technik zur evolutionären Erzeugung von stark bindenden Molekülen

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tobramycin

A

AA

AA C

C C CC

C

CC

G G G

G

G

G

G

G U U

U

U

U U5’-

3’-

AAAAA UUUUUU CCCCCCCCG GGGGGGG5’- -3’

RNA aptamer

Formation of secondary structure of the tobramycin binding RNA aptamer with KD = 9 nM

L. Jiang, A. K. Suri, R. Fiala, D. J. Patel, Saccharide-RNA recognition in an aminoglycoside antibiotic-RNA aptamer complex. Chemistry & Biology 4:35-50 (1997)

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The three-dimensional structure of the tobramycin aptamer complex

L. Jiang, A. K. Suri, R. Fiala, D. J. Patel, Chemistry & Biology 4:35-50 (1997)

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A ribozyme switch

E.A.Schultes, D.B.Bartel, Science 289 (2000), 448-452

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Two ribozymes of chain lengths n = 88 nucleotides: An artificial ligase (A) and a natural cleavage ribozyme of hepatitis- -virus (B)

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The sequence at the intersection:

An RNA molecules which is 88 nucleotides long and can form both structures

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Two neutral walks through sequence space with conservation of structure and catalytic activity

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Die “Replikationsgabel”

Mechanismus der Replikation von doppelsträngigen DNA-Molekülen

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Redundancy of the code: 43 = 64 codons versus 20 amino acids

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Max F. Perutz 1914-2002

Nobel prize 1962

Three-dimensional structure of hemoglobin

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Skizze des zellulären Stoffwechsels

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Three-dimensional structure of the complex between a specific DNA binding site and the regulatory protein cro-repressor

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Regulatory protein or RNA

Enzyme

Metabolite

Regulatory gene

Structural gene

A model genome with 12 genes

Skizze eines einfachen genetisch-metabolischen Regulationsnetzwerkes

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A B C D E F G H I J K L

1 Biochemical Pathways

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Das Reaktionsnetzwerk des zellulären Stoffwechsels publiziert von Boehringer-Ingelheim.

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Der Zitronensäure- oder Krebszyklus (vergrößert aus der vorigen Abbildung).

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Die Bakterienzelle als ein Beispiel für die einfachste Form autonomen Lebens.

Der menschliche Körper:

1014 Zellen = 1013 eukaryotische Zellen +

9 1013 prokaryotischeBakterienzellen

80 kg eukaryotische Zellen +800 g Bakterienzellen

200 eukaryotische Zelltypen

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1. Was ist Leben?

2. Chemische Evolution

3. Der Ursprung biologischer Information

4. Darwinsche Evolution mit Molekülen

5. Evolutionsexperimente

6. Die DNA + Protein Welt

7. Evolutionsmechanismen

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Die großen Evolutionsschritte (nach John Maynard Smith und Eörs Szathmáry)

Membranen, organisierte TeilungReplizierende Moleküle Moleküle in Kompartments

Molekülverkettung, gemeinsame ReplikationUnabhängige Replikatoren Chromosomen

genetischer Code, RibosomRNA als Gen und Enzyme DNA und Protein

Zusammenschluß durch EndosymbioseProkaryoten Eukaryoten

Ursprung der sexuellen VermehrungAsexuell vermehrende Klone Sexuell vermehrende Populationen

Zelldifferenzierung und EntwicklungProtisten Pflanzen, Pilze und Tiere

Entstehung nicht-reproduktiver KastenEinzeln lebende Individuen Tierkolonien

Sprache, Schrift, Kultur, …Primatengesellschaften menschliche Gesellschaften

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Ein Mechanismus zur Überwindung hierarchischer Stufen in der Evolution(nach Manfred Eigen und Peter Schuster)

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Ein Modell für die Genverdopplung in Hefe vor 1 108 Jahren

Manolis Kellis, Bruce W. Birren, and Eric S. Lander. Proof and evolutionary analysis of ancient genome duplication in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Nature 428: 617-624, 2004

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Wolfgang Wieser. Die Erfindung der Individualität oder die zwei Gesichter der Evolution. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998.

A.C.Wilson. The Molecular Basis of Evolution. Scientific American, Oct.1985, 164-173.

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Acknowledgement of support

Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)Projects No. 09942, 10578, 11065, 13093

13887, and 14898

Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF) Project No. Mat05

Jubiläumsfonds der Österreichischen NationalbankProject No. Nat-7813

European Commission: Contracts No. 98-0189, 12835 (NEST)

Austrian Genome Research Program – GEN-AU: BioinformaticsNetwork (BIN)

Österreichische Akademie der Wissenschaften

Siemens AG, Austria

Universität Wien and the Santa Fe Institute

Universität Wien

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Coworkers

Peter Stadler, Bärbel M. Stadler, Universität Leipzig, GE

Paul E. Phillipson, University of Colorado at Boulder, CO

Heinz Engl, Philipp Kügler, James Lu, Stefan Müller, RICAM Linz, AT

Jord Nagel, Kees Pleij, Universiteit Leiden, NL

Walter Fontana, Harvard Medical School, MA

Christian Reidys, Christian Forst, Los Alamos National Laboratory, NM

Ulrike Göbel, Walter Grüner, Stefan Kopp, Jaqueline Weber, Institut für Molekulare Biotechnologie, Jena, GE

Ivo L.Hofacker, Christoph Flamm, Andreas Svrček-Seiler, Universität Wien, AT

Kurt Grünberger, Michael Kospach , Andreas Wernitznig, Stefanie Widder, Stefan Wuchty, Universität Wien, AT

Jan Cupal, Stefan Bernhart, Lukas Endler, Ulrike Langhammer, Rainer Machne, Ulrike Mückstein, Hakim Tafer, Thomas Taylor, Universität Wien, AT

Universität Wien

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