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Molekulare Grundlagen der Evolution.Kann man die Wahrscheinlichkeit der Lebensentstehung abschätzen?
Peter Schuster
Institut für Theoretische Chemie, Universität Wien, Austriaand
The Santa Fe Institute, Santa Fe, New Mexico, USA
Abendkolloquium: Frontiers of Science
Düsseldorf, 01.02.2007
Web-Page for further information:
http://www.tbi.univie.ac.at/~pks
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
Tabelle 1: Kriterien zur Unterscheidung von belebter und unbelebter Materie Fähigkeit Merkmal Eigenschaft
1 Autokatalyse Vermehrung Wachstum von Kolonien
2 Informationskodierung Vererbung Selektion in Populationen
3 Kopierfehler Variabilität Evolutionäre Adaptation
4 Membranbildung Zelle Individualität
5 Selbsterhalt (Autopoiese) Stoffwechsel Autonomie
6 Endosymbiose Zellorganellen Arbeitsteilung
7 Organismische Kontrolle Zelldifferenzierung Soma und Keimbahn
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
Eugene Wigner’s or Fred Hoyle’s argument applied to a bacterium:
All genomes have equal probability and all except one haveno survival value or are lethal
600000
Alphabet size: 4
Chain length: 1 000 000 nucleotides
Number of possible genomes: 4 1 000 000
Probability to find a given bacterial genome:
4-1 000 000 10- 600 000 = 0.000……001
Eugene Wigner’s and Fred Hoyle’s arguments revisited:
Every single point mutation leads to an improvement and is therefore selected
Alphabet size: 4
Chain length: 1 000 000 nucleotides
Length of longest path to the optimum: 3 1000000
Probability to find the optimal bacterial genome:
0.333.. 10-6 = 0.000000333..
A U G A
C C A
A U A
Hoyles Paradoxon
Die Golfplatzlandschaft
Picture: K.A. Dill, H.S. Chan, Nature Struct. Biol. 4:10-19
Die Lösung von Hoyles Paradoxon
Die Trichterlandschaft
Picture: K.A. Dill, H.S. Chan, Nature Struct. Biol. 4:10-19
Die strukturierte Trichterlandschaft
Die Lösung von Hoyles Paradoxon Picture: K.A. Dill, H.S. Chan, Nature Struct. Biol. 4:10-19
Aber die Landschaften, auf denen die
Evolution in der Natur oder im
Laborexperiment stattfindet, sind viel
komplizierter als die drei hier
gezeigten einfachen Beispiele !
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
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
Red spotSouth pole
View from south pole
Jupiter: Observation of the gigantic vortexPicture taken from James Gleick, Chaos. Penguin Books, New York, 1988
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
Pattern formation in autocatalytic reactions
G.Nicolis, I.Prigogine. Self-Organization in Nonequilibrium Systems. From Dissipative Structures to Order through Fluctuations. John Wiley, New York 1977
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
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
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
Autocatalytic reaction as the basis for selection processes.
The autocatalytic step is formally equivalent to replication or reproduction.
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
Der Mechanismus der Replikation einsträngiger RNA-Moleküle
Complementary replication as the simplest molecular mechanism of reproduction
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
RNA
RNA as scaffold for supramolecular complexes
ribosome
? ? ? ? ?
Functions of RNA molecules
The world as a precursor of
the current + biology
RNA
DNA protein
RNA as catalyst
Ribozyme
RNA as carrier of genetic informationRNA viruses and retroviruses
RNA evolution in vitro
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
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.
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
Chemical kinetics of molecular evolution
M. Eigen, P. Schuster, `The Hypercycle´, Springer-Verlag, Berlin 1979
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
Formation of a quasispeciesin sequence space
Formation of a quasispeciesin sequence space
Formation of a quasispeciesin sequence space
Formation of a quasispeciesin sequence space
Uniform distribution in sequence space
Error rate p = 1-q0.00 0.05 0.10
Quasispecies Uniform distribution
Quasispecies as a function of the replication accuracy q
Quasispecies
The error threshold in replication
Evolution in silico
W. Fontana, P. Schuster, Science 280 (1998), 1451-1455
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
Randomly chosen initial structure
Phenylalanyl-tRNA as target structure
In silico optimization in the flow reactor: Evolutionary Trajectory
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
Evolutionary trajectory
Spreading of the population on neutral networks
Drift of the population center in sequence space
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.
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
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
Evolution of RNA molecules based on Qβ phage
D.R.Mills, R.L.Peterson, S.Spiegelman, An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule. Proc.Natl.Acad.Sci.USA 58 (1967), 217-224
S.Spiegelman, An approach to the experimental analysis of precellular evolution. Quart.Rev.Biophys. 4 (1971), 213-253
C.K.Biebricher, Darwinian selection of self-replicating RNA molecules. Evolutionary Biology 16 (1983), 1-52
G.Bauer, H.Otten, J.S.McCaskill, Travelling waves of in vitro evolving RNA.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 86 (1989), 7937-7941
C.K.Biebricher, W.C.Gardiner, Molecular evolution of RNA in vitro. Biophysical Chemistry 66 (1997), 179-192
G.Strunk, T.Ederhof, Machines for automated evolution experiments in vitro based on the serial transfer concept. Biophysical Chemistry 66 (1997), 193-202
F.Öhlenschlager, M.Eigen, 30 years later – A new approach to Sol Spiegelman‘s and Leslie Orgel‘s in vitro evolutionary studies. Orig.Life Evol.Biosph. 27 (1997), 437-457
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
Decrease in mean fitnessdue to quasispecies formation
The increase in RNA production rate during a serial transfer experiment
Evolutionary design of RNA molecules
D.B.Bartel, J.W.Szostak, In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature 346 (1990), 818-822
C.Tuerk, L.Gold, SELEX - Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science 249 (1990), 505-510
D.P.Bartel, J.W.Szostak, Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences. Science 261 (1993), 1411-1418
R.D.Jenison, S.C.Gill, A.Pardi, B.Poliski, High-resolution molecular discrimination by RNA. Science 263 (1994), 1425-1429
Y. Wang, R.R.Rando, Specific binding of aminoglycoside antibiotics to RNA. Chemistry & Biology 2 (1995), 281-290
Jiang, A. K. Suri, R. Fiala, D. J. Patel, Saccharide-RNA recognition in an aminoglycoside antibiotic-RNA aptamer complex. Chemistry & Biology 4 (1997), 35-50
Ein Beispiel für Selektion von Molekülen mit vorbestimmbaren Eigenschaften im Laborexpriment
Die SELEX-Technik zur evolutionären Erzeugung von stark bindenden Molekülen
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)
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)
A ribozyme switch
E.A.Schultes, D.B.Bartel, Science 289 (2000), 448-452
Two ribozymes of chain lengths n = 88 nucleotides: An artificial ligase (A) and a natural cleavage ribozyme of hepatitis- -virus (B)
The sequence at the intersection:
An RNA molecules which is 88 nucleotides long and can form both structures
Two neutral walks through sequence space with conservation of structure and catalytic activity
JN1LH
1D
1D
1D
2D
2D
2D
R
R
R
GGGGUGGAAC GUUC GAAC GUUCCUCCCCACGAG CACGAG CACGAG
-28.6 kcal·mol-1
G/
-31.8 kcal·mol-1
GGG
G
GG
CCC
CC
CAA
UU
UU
G
G C
CUU A
A
GG
G
CCC
AA
AA
G C
GCAA
GC
/G
-28.2 kcal·mol-1
G G
G GG
GGG
CCC
CC C
C C
U
G GG GC C
C CA AA A
A AA AU U
U U
UG
GC
CA A
-28.6 kcal·mol-1
3
3
3
13
13
13
23
23
23
33
33
33
44
44
44
5'
5' 3’
3’
J.H.A. Nagel, C. Flamm, I.L. Hofacker, K. Franke, M.H. de Smit, P. Schuster, and C.W.A. Pleij.
Structural parameters affecting the kinetic competition of RNA hairpin formation. Nucleic Acids Res. 34:3568-3576 (2006)
An experimental RNA switch
45
89
11
19 20
2425 27
33 3436 38 39
4146 47
3
49
1
2
67
10
12 13 1415
16 1718
2122 232628 29 30313235 3740 4243
44454850
-26.0
-28.0
-30.0
-32.0
-34.0
-36.0
-38.0
-40.0
-42.0
-44.0
-46.0
-48.0
-50.0
2.77
5.32
2.09
3.42.362.
44
2.44
2.44
1.46 1.44
1.66
1.9
2.142.512.14
2.51
2.14 1.47 1.49
3.04 2.973.04
4.886.136.
8
2.89
Fre
e en
ergy
[k
cal /
mol
e]
J1LH barrier tree
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
Die “Replikationsgabel”
Mechanismus der Replikation von doppelsträngigen DNA-Molekülen
Redundancy of the code: 43 = 64 codons versus 20 amino acids
Max F. Perutz 1914-2002
Nobel prize 1962
Three-dimensional structure of hemoglobin
Skizze des zellulären Stoffwechsels
Three-dimensional structure of the complex between a specific DNA binding site and the regulatory protein cro-repressor
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
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.
Der Zitronensäure- oder Krebszyklus (vergrößert aus der vorigen Abbildung).
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
1. Was ist Leben?
2. Leben und Wahrscheinlichkeiten
3. Der Ursprung biologischer Information
4. Darwinsche Evolution mit Molekülen
5. Evolutionsexperimente
6. Die DNA + Protein Welt
7. Evolutionsmechanismen
Darwins Theorie wurde in folgenden Punkten voll bestätigt:
•Das Auftreten von Varianten bei der Reproduktion wurde durch die Aufklärung der molekularen Mechanismen von Rekombination und Mutation auf eine solide wissenschaftliche Basis gestellt.
• Das Darwinsche Prinzip der Optimierung durch Variation und Selektion in endlichen Populationen gilt nicht nur in der Biologie sondern auch in der unbelebten Welt.
• Die natürliche Entstehung der Arten und die daraus resultierenden phylogenetischen Stammbäume wurde durch die Vergleiche der genetischen Informationsträger heute lebender Organismen voll bestätigt.
Darwin hatte in folgenden Punkten nicht recht:
• Der Darwinsche Vererbungsmechanismus war falsch. Mendel hatte die korrekte Lösung.
• Mutation und Rekombination können keine, kleine und große Auswirkungen haben und es besteht kein Grund, dass die biologische Evolution quasikontinuierlich oder anders ausgedrückt nur in verschwindend kleinen Schritten erfolgt.
• Im Verlaufe der biologischen Evolution gab es auch katastrophenartige Ereignisse terrestrischen und extraterrestrischen Ursprungs.
• Die Komplexität der höheren Lebewesen ist so groß, dass ihre Eigenschaften nicht voll optimiert sein können.
• Es gibt Phasen der biologischen Evolution, welche mit Hilfe des Darwinschen Mechanismus von Variation und Selektion nicht verstanden werden können, da sie die auf Kooperation von Konkurrenten beruhen.
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
Ein Mechanismus zur Überwindung hierarchischer Stufen in der Evolution(nach Manfred Eigen und Peter Schuster)
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
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, Ulrike Langhammer, Ulrike Mückstein,Andreas Wernitznig, Stefanie Widder, Michael Wolfinger, Stefan Wuchty,
Universität Wien, AT
Jan Cupal, Stefan Bernhart, Lukas Endler, Rainer Machne, Hakim Tafer, Thomas Taylor, Universität Wien, AT
Universität Wien
Weitere Informationen auf der Web-Page
http://www.tbi.univie.ac.at/~pks
und in den Manuskripten
Complexity 11(1):12-15 und Castelgandolfo Lecture
unter den Preprints.