Az élet kutatója és a kutató élete -- Gánti Tibor emlékezete Szathmáry Eörs
Munich
Eötvös University
Tibor Gánti, theoretical biologist and father of systems chemistry 1933-2009
Egész röviden • 1933-ban született • Vegyészmérnök • Szabadalmak az ipari biokémiában • Ma ezt mesterséges anyagcserének nevezik • Az első magyar nyelvű könyv a molekuláris biológiáról (1966)
Az utolsó fejezet: Élet és halál • Egyensúlyi rendszer („anyagcsere”) • Főkör („genetikai program”) • Az élet kettős természete később, függetlenül másoknál is felbukkant (Maynard Smith, Freeman Dyson) • De hogyan tovább?
Az élet princípiuma • Ha a halmazat (aggregátum) vagy élő, vagy holt lehet: Mikor és miért lesz élő? Mikor és miért lesz holt? • Akár élő, akár holt legyen, valamely alakban létezik. Bármilyen alakban létezzék is, mi annak princípiuma? Diderot
Miért egy vegyész rugaszkodik neki ennek a kérdésnek? • Mert a kémiai világ előbb volt, mint az élővilág • Az élet kémiai rendszerek szerveződésén alapszik • EZT a gondolatot kellett kidolgozni!
A legegyszerűbb sejtek bakteriálisak
• Valamilyen primitív baktériumszerű sejt eredetét kívánjuk megmagyarázni • Csakhogy ezek a sejtek is nagyon összeszetettek! • A genetikai kód egy „notóriusan nehéz probléma”
A Princípium első kiadása • Elképesztően jelentős munka ismeretterjesztő álarcban • Csak ÍGY lehetett publikálni • Tartalmazta a „chemoton” koncepciót • Dühödt reakciókat váltott ki
A könyv szerkezete • A probléma • Az új adatok • Az új szemlélet • Szakítás a molekuláris biológia egyeduralkodó szemléletével • Az életkritériumok • Az élő minimálrendszer
A legfontosabb kiadás: Oxford University Press, 2003 • Sok magyar kiadás után • Tartalmazza a Princípiumot és a Contra Cricket is. • Értékelő jegyzetek és tanulmányok
A monográfia (Kluwer 2003)
The investigation of life criteria: absolute criteria 1. 2. 3. 4. 5.
Inherent unity Metabolism Inherent stability Information carrying subsystem Processes regulated and controlled by a programme VERBAL AND PHENOMENOLOGICAL
Quest for a biological minimal system • Chemical supersystem • Should be conceptually as simple as possible • Must not necessarily be realizable in its simplest form • Comparison with other elementary units (such as the elementary cell in crystallography) • FORMAL AND EXACT
A teljes chemoton modell (1974)
Anyagcsere
Templát replikáció
Membrán növekedés
MINDHÁROM ALRENDSZER AUTOKATALITIKUS
Kémiai rendszerek szervezése szuperrendszerré (1974)
• CHEMOTON: egy olyan kémiai szuperrendszer, amely biológiai minimálrendszer is egyben
The chemoton shows „organizational closure” • It is „autopoietic”, creating and maintaining its boundary conditions • It is deeply routed in chemistry • Yet presents an abstract and idealized model • NO ENZYMES in the basic model
Chemical cycles are metabolic engines (1971) • The cycle as a whole is a catalyst • The Noble prize of Szent-Györgyi was awarded for catalysis by fumaric acid • Krebs has recognized the whole cycle • Enzymes are superimposed on the metabolic cycle
Enzymes and cycle stoichiometry Very important: the cyclic process sign with the number of turns
Is metabolism autocatalytic in contemporary organisms? • This is at the root of metabolic organization • Is also important for heredity • An old question analyzed by modern bioinformatics
Kun A, Papp B, Szathmáry E. Genome Biol. 2008;9(3):R51.
An autocatalytic cycle in the given environment
Although A is autocatalytic, it is not strictly needed
Depends on the environment!
Metabolic networks
A szuperrendszerek evolúciója anyagcsere
AM
membrán
AT
templát
MT
AMT
INFRABIOLÓGIAI RENDSZEREK
COST Systems Chemistry • CM0703 • The main objective of the Action is to investigate autocatalytic reaction sytems within supramolecular, prebiotic, and other fields of chemistry and to develop methods for their integration into dynamic supersystems.
A formóz reakció
formaldehid autokatalízis
glikolaldehid
Butlerow, 1861
Egy infrabiológiai rendszer(1978)
• Anyagcsere és térbeli reprodukció • Nincs genetikai alrendszer: önreprodukáló mikrogömb
Formose in a liposome
It does not eat and grow yet
A nem-enzimes templát replikáció
• Günter von Kiedrowski, 1986
Templát-vezérelt szintézis egy modell protosejtben
Jack Szostak, 2008
Primitive ancestry of the reverse citric acid cycle? • Was proposed by Günter Wächtershäuser (1990) • Coupled to CO2 fixation and pyrite formation around deep-sea hydrothermal vents
A family of approaches
Robert Rosen (1934-1998) biology, mathematics ↓ “relational” biology
Francisco Varela Tibor Gánti (1946-2001) (1933-2009) biology ↓ cognitive science
chemical engineering ↓ theoretical biology
Stuart Kauffman medicine ↓ theoretical biology
Rosen’s catalytic closure and his strange terminology • • •
•
Material causation (chemical transformation) Efficient causation (catalysis)
•
“Repair” replacement “Replication” closure A represents the set of metabolites that are converted by metabolism into a second set B, catalysed by a set of enzymes f that are themselves products of metabolism. The catalysts needed for the replacement process is provided by a set of catalysts Ф that are produced from f. Closure is achieved by supposing that the efficient cause of Ф is a property of B (not B itself), represented as β.
What could this mean? “Biblical scholarship” housekeeping enzymes
genes and informational enzymes
food
metabolites
Reflexively autocatalytic
Hmmm?
Critical features • Structural closure • Catalytic closure
Varela, Gánti Rosen, Kauffman, Gánti, Varela • Spontaneous appear. Kauffman? Varela? • Evolvability Gánti, Kauffman (transformed)?
The main problem of the origin of life is metabolite channelling TP • Enzymes speed up reactions relative to the unwanted reactions • Spontaneous decay reactions abound • Maintenance, not only reproduction, requires autocatalysis dx/ dt = k x – d x = 0
All network models neglecting side reactions are seriously incomplete • E.g. protein networks • In model assumptions, a reaction is either good or neutral for the system – but the number of harmful transformations is in fact much higher • Did life emerge from a chemical canyon?
Chemical evolution was a race between tar formation and life formation Chemical networks
Life
Tar
What fraction of planets would end up with just tar?
Structures form in 3 dimensions...
• …and are suggestive of enzymatic capability
Some RNA molecules act as enzymes (ribozymes) today
Test-tube selection experiments yield novel ribozymes and show that • Catalysis of C-C bonds was feasible • Even hydrophobic molecules can be specifically recognized • The RNA world is likely to have been metabolically complex
The assembly of RNA structures • Combinatorial assembly of RNA structures • Submitted to selection for function between chemotons • 1979
The channelled assembly of ribozymes (1983) • The presence of substrates gives guidance to ribozyme assembly • Good enzymes and bad enzymes will affect the fitness of the chemotons
A hatás • • • •
Igen lassú kapaszkodás Technikai és támogatási problémák Felemás újrafelfedezés 2003 után Az értő és elkötelezett tudósok lassan, de biztosan növekvő tábora
Későn felismert életművek Kopernikusz
Gregor Mendel
A „rejtett” hatás…
Magyarul olvashatók
A chemoton szimbólum
