Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Podobne dokumenty
Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Powstanie życia i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie życia i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Historia informacji genetycznej. Jak ewolucja tworzy nową informację (z ma ą dygresją).

Ewolucja informacji genetycznej

EKOLOGIA. Początek Wszechświata. Historia Ziemi. Historia świata w pigułce

Materiały dydaktyczne do kursów wyrównawczych z przedmiotu biologia

Ewolucja informacji genetycznej

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

Wykład 14 Biosynteza białek

Interakcje genetyczne

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

Różnorodność życia na Ziemi

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Podstawy genetyki populacji. Genetyka mendlowska i ewolucja.

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Geny i działania na nich

WYKŁAD: Klasyczny przepływ informacji ( Dogmat) Klasyczny przepływ informacji. Ekspresja genów realizacja informacji zawartej w genach

Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

Translacja i proteom komórki

Podstawy biologii. Podstawy biologii molekularnej

Teoria ewolucji. Podstawy wspólne pochodzenie.

Marek Kudła. Rybozymy. RNA nośnik informacji i narzędzie katalizy enzymatycznej

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

Wykład 1. Od atomów do komórek

Ewolucja 8. BIOGENEZA. Jerzy Dzik. Instytut Paleobiologii PAN Instytut Zoologii UW

6. Z pięciowęglowego cukru prostego, zasady azotowej i reszty kwasu fosforowego, jest zbudowany A. nukleotyd. B. aminokwas. C. enzym. D. wielocukier.

Jak działają geny. Podstawy biologii molekularnej genu

Nośnikiem informacji genetycznej są bardzo długie cząsteczki DNA, w których jest ona zakodowana w liniowej sekwencji nukleotydów A, T, G i C

KARTA KURSU. Kod Punktacja ECTS* 2

Podkowiańska Wyższa Szkoła Medyczna im. Z. i J. Łyko. Syllabus przedmiotowy 2016/ /2019

BIOINFORMATYKA. edycja 2016 / wykład 11 RNA. dr Jacek Śmietański

Czy istnieje życie poza Ziemią?

Plan działania opracowała Anna Gajos

Przemiana materii i energii - Biologia.net.pl

WSTĘP DO BIOLOGII. Jerzy Dzik. Instytut Paleobiologii PAN Instytut Zoologii UW

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

TRANSKRYPCJA - I etap ekspresji genów

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

WSTĘP DO BIOLOGII. Jerzy Dzik. Instytut Paleobiologii PAN Instytut Zoologii UW

TATA box. Enhancery. CGCG ekson intron ekson intron ekson CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU TERMINATOR. Elementy regulatorowe

Opis zakładanych efektów kształcenia OPIS ZAKŁADANYCH EFEKTÓW KSZTAŁCENIA

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

BIOLOGIA EGZAMIN KLASYFIKACYJNY 2015/16. KLASA III Gimnazjum. Imię:... Nazwisko:... Data:...

SCENARIUSZ LEKCJI BIOLOGII Z WYKORZYSTANIEM FILMU Transkrypcja RNA

POCZĄTKI ŻYCIA NA ZIEMI. Agnieszka Hałas, WFiIS, AGH Kraków V Seminarium Fizyki Biomolekularnej i Medycznej Kraków 2009

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

SEMINARIUM 8:

Zawartość. Wstęp 1. Historia wirusologii. 2. Klasyfikacja wirusów

Mechanizmy zmienności ewolucyjnej. Podstawy ewolucji molekularnej.

Rozkład materiału z biologii dla klasy III AD. 7 godz / tyg rok szkolny 2016/17

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU- 5 ECTS

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

1. Na podanej sekwencji przeprowadź proces replikacji, oraz do obu nici proces transkrypcji i translacji, podaj zapis antykodonów.

Nowoczesne systemy ekspresji genów

Zaoczne Liceum Ogólnokształcące Pegaz

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

Przedmiotowe zasady oceniania:

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

DNA superhelikalny eukariota DNA kolisty bakterie plazmidy mitochondria DNA liniowy wirusy otrzymywany in vitro

Chemiczne składniki komórek

Dominika Stelmach Gr. 10B2

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

Elektron w fizyce. dr Paweł Możejko Katedra Fizyki Atomowej i Luminescencji Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechnika Gdańska

CORAZ BLIŻEJ ISTOTY ŻYCIA WERSJA A. imię i nazwisko :. klasa :.. ilość punktów :.

Podstawy genetyki molekularnej

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Księgarnia PWN: B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter Podstawy biologii komórki. Cz.

POWSTANIE I EWOLUCJA ŻYCIA

POLIMERAZY DNA- PROCARYOTA

Tematy- Biologia zakres rozszerzony, klasa 2TA,2TŻ-1, 2TŻ-2

Informacje. Kontakt: Paweł Golik, Ewa Bartnik. Instytut Genetyki i Biotechnologii, Pawińskiego 5A.

Zagrożenia i ochrona przyrody

Spis treści. 1. Wiadomości wstępne Skład chemiczny i funkcje komórki Przedmowa do wydania czternastego... 13

Transport makrocząsteczek

Biologia Molekularna z Biotechnologią ===============================================================================================

1. Biotechnologia i inżynieria genetyczna zagadnienia wstępne 13

Wykład 12 Kwasy nukleinowe: budowa, synteza i ich rola w syntezie białek

Biotechnologia i inżynieria genetyczna

The Role of Maf1 Protein in trna Processing and Stabilization / Rola białka Maf1 w dojrzewaniu i kontroli stabilności trna

Transkrypt:

Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia Od abiogenezy do LUCA

Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja) 2

(A)biogeneza } Ewolucja jest właściwością organizmów żywych } Życie = ewolucja } Powstanie życia z materii nieożywionej nie było zjawiskiem ewolucyjnym } trudności z wyjaśnieniem abiogenezy nie mogą być traktowane jako zarzut wobec teorii ewolucji 3 } właściwe dziedziny: } fizyka (teoria złożoności, teoria samoorganizacji, termodynamika_ } chemia } planetologia

Koncepcje abiogenezy } Powstanie informacji } kluczowe powstanie zdolności (samo)replikacji } powiązanie genotypu z fenotypem możliwość działania doboru } progenota } Powstanie metabolizmu } kluczowe powstanie samoorganizującej się sieci metabolicznej } powielanie struktury nie na zasadzie replikacji matrycowej } replikacja wynaleziona później 4

Czas i scena Istnieją też koncepcje umieszczające część z tych etapów poza Ziemią 5

Prehistoria życia 6

Pierwsze ślady życia - kontrowersje } czert Apex (Apex chert) Australia, wiek 3,5 mld lat (Schopf 1993) } Interpretacja jako śladów życia komórkowego podważona w 2002 (Brasier et al. 2002) - artefakty tworzenia skał zawierających żelazo 7

Pierwsze ślady życia czert Strelley Pool, Australia wiek 3,4 mld lat, (Brasier et al. 2006) skamieniałe maty mikroorganizmów - stromatolity } } Współczesne stromatolity Skamieniałości ze Strelley Pool 8

Początki Ziemi 4,5 miliarda lat temu, ok milion lat po utworzeniu Układu Słonecznego } brak atmosfery, powierzchnia płynna skała } bombardowanie meteorytami 9

Początki Ziemi Zderzenie Ziemi z jej satelitą (Theia) doprowadziło do: } } } powstania Księżyca nachylenia osi obrotu Ziemi zainicjowania cyrkulacji magmy pod skorupą (astenosfera) } początek zjawisk wulkanicznych, tektonika płyt 10

Początki atmosfery } Ostudzenie powierzchni Ziemi } Emisja gazów w wyniku działalności wulkanicznej skład gazów wulkanicznych: H 2 O 95% CO 2 1-2% SO 2 1,5-2,5% H 2 S 0,01-0,1% HCl 0,005% + obecny wcześniej azot 11

Pierwotna atmosfera } Po ochłodzeniu powierzchni woda przeszła do fazy ciekłej } Część CO 2 osadziła się w minerałach } Związki węgla, siarki, fosforu rozpuszczają się w wodzie } Atmosfera beztlenowa, bogata w azot, dwutlenek węgla, związki siarki 12

Eksperyment Millera - Ureya 13

Prebiotyczna synteza związków organicznych } Liczne proste związki organiczne mogły powstać w warunkach wczesnej Ziemi 14

Chemia prebiotyczna } Tzw. ciepły bulion (Oparin, Haldane, Miller-Urey) } Zwiększenie stężenia prekursorów (uzyskanych przez wyładowania elektryczne w atmosferze redukującej) przez cykliczne wysychanie płytkich zbiorników } Problem: pierwotna atmosfera nie była aż tak silnie redukująca (dużo N 2 i CO 2 ) 15

Chemia prebiotyczna } kominy hydrotermalne } Günter Wächtershäuser świat żelazowo-siarczkowy, chemoautotroficzny } reakcja tworzenia pirytu źródłem elektronów dla redukcji CO i CO 2 } synteza długich łańcuchów (np. izoprenoidowych) na powierzchni pirytu 16

Kataliza powierzchniowa } Niezależnie od modelu, powierzchnia minerałów jest dobrym środowiskiem do syntezy } mikronierówności, ładunki powierzchniowe } Czy mogły tworzyć cykle proto-metaboliczne? 17

Życie mineralne? } Alexander G. Cairns-Smith genetic takeover } Życie oparte na minerałach (glinokrzemiany, iły) } Replikacja przez odtwarzanie zaburzeń struktury kryształu przy osadzaniu się na nim kolejnej warstwy } Metabolizm kataliza na powierzchni kryształu } Później przejęcie władzy przez kwasy nukleinowe 18

Abiotyczna synteza polinukleotydów Ligacja polinukleotydów na katalizatorze glinokrzeminanowym 19

Co było najpierw? } Metabolizm (Oparin, Dyson) } Zależny od informacji genetycznej (kodowane enzymy) } Replikacja (Eigen) } Zależna od metabolizmu (enzymy replikujące DNA) 20

Świat RNA: metabolizm + replikacja RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm) 21

RNA może tworzyć różne struktury 22

RNA katalityczne } Thomas Cech (1982) intron w Tetrahymena sam się wycina Nagroda Nobla 1989 23

RNA katalityczne } Sidney Altman (1983) RNaza P (enzym tnący prekursory trna) składa sie z białka i RNA, to RNA jest katalizatorem Nagroda Nobla 1989 24

RNA syntetyzuje białko 25

Prehistoria życia 26

Świat RNA } RNA pełniące rolę metaboliczną (enzymy) i informacyjną (matryca) } Początki oddziaływań RNA-aminokwasy początki kodu genetycznego 27

Rybozym zdolny do syntezy RNA } Wyselekcjonowany w laboratorium } Wciąż nie autonomiczna replikaza 28

Autokatalityczna ligaza RNA Paul N, Joyce G F PNAS 2002;99:12733-12740 2002 by National Academy of Sciences

Autokatalityczna ligaza RNA Paul N, Joyce G F PNAS 2002;99:12733-12740 2002 by National Academy of Sciences

Problemy świata RNA } Ograniczona zdolność magazynowania informacji w pojedynczym replikatorze (ilość informacji możliwej do zakodowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstości błędów replikacji granica Eigena) } Rozwiązanie sieci współdziałających replikatorów (hipercykle) } Samolubne RNA w sieci replikatorów } rozwiązanie wydzielenie hipercyklu błoną i specjalizacja 31

Kooperacja czy samolubność 32

Samoorganizacja potwierdzona eksperymentalnie } Samoorganizujące się sieci rybozymów Nature, 2012 Nov 1;491(7422):72-7 33

Samoorganizacja sieci RNA } Rybozym pochodzący z intronu Azoarcus (Proteobacteria) } Pofragmentowany ma zdolność do autokatalitycznej ligacji fragmentów } Stworzono warianty o różnej sekwencji i podobnych właściwościach } Na ich podstawie stworzono warianty zdolne do ligowania innych wariantów 34

Rybozym Azoarcus 35

Samoorganizacja sieci RNA } Rybozymy zdolne do katalizy ligacji innych wariantów tworzą cykle autokatalizy } Cykl jest wydajniejszy od pojedynczych samolubnych rybozymów N Vaidya et al. Nature Nature, 2012 Nov 1;491(7422):72-7 doi:10.1038/nature11549 36

Kooperacja jest skuteczniejsza N Vaidya et al. Nature Nature, 2012 Nov 1;491(7422):72-7 doi:10.1038/nature11549

Zwiększenie liczby fragmentów Tworzą się sieci, których większość wymaga kooperacji. Złożoność w ewolucji in vitro przyrasta. 38 N Vaidya et al. Nature Nature, 2012 Nov 1;491(7422):72-7 doi:10.1038/nature11549

Alternatywy dla RNA } RNA jest cząsteczką mało stabilną chemicznie } Alternatywy zastąpienie szkieletu rybozofosforanowego 39

Powstanie błon pierwsze prakomórki } Samoorganizacja lipidów amfipatycznych w struktury mogące otaczać prakomórki } Takie lipidy mogły powstawać w warunkach prebiotycznych, a nawet w kosmosie } Wyodrębnienie prakomórek błoną nastąpiło wcześnie w ewolucji 40 Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

Ewolucja kodu } Oddziaływania RNA aminokwasy (pra-trna) } rybozymy syntetyzujące } uniwersalny rybosom pojawił się później 41

Ewolucja kodu } Pierwszy kod był mniej specyficzny } rozróżniane mniej aminokwasów } rozróżniane grupy aminokwasów } Ewolucja przez } zwiększanie liczby kodowanych aminokwasów } zwiększanie specyficzności } Czy kod od początku był trójkowy? } może wyewoluował z dwójkowego, ale z przecinkiem (trzeci nukleotyd nieznaczący) 42

Ewolucja białek } Pierwsze peptydy były bardzo krótkie } Do dzisiaj w białkach ślady budowy z powtarzających się krótkich motywów 43

Geny i muzyka Susumu Ohno } Ohno S, Ohno M. 1986. The all pervasive principle of repetitious recurrence governs not only coding sequence construction but also human endeavor in musical composition. Immunogenetics 24:71-78 } Ohno S. 1987. Repetition as the essence of life on this earth: music and genes. Haematol. Blood Transfus. 31:511-518 44

Powtórzenia 45

Muzyka sekwencji 46

Muzyka sekwencji 47

Powstanie DNA } Reduktaza rybonukleotydów } Enzym obecny we wszystkich gałęziach drzewa życia bardzo stary 48

LUCA 49

Jaki był LUCA? } Na podstawie zestawu genów obecnych we wszystkich gałęziach drzewa życia } problem horyzontalny transfer genów (przeszacowanie zestawu genów pierwotnych) } Organizm o budowie komórkowej zbliżony do współczesnych prokariontów } Poprzedzał rozejście się linii Bacteria, Archaea i Eukarya 50

Co potrafił LUCA } transkrypcja, translacja (kod odpowiadający współczesnemu) } metabolizm energetyczny oparty na ATP } synteza długich łańcuchów DNA } białka błonowe } ok. 600 genów } Ale nie wszyscy się zgadzają: } prosty, niewiele genów, bez współczesnego systemu replikacji genomu (Koonin 2003) 51

Genom LUCA: DNA czy RNA } Wiele białek metabolizmu DNA homologicznych w całym drzewie życia (gyrazy, topoizomerazy) } Ale nie polimerazy } Koonin LUCA miał genom RNA } Forterre - DNA jako materiał genetyczny pochodzi od wirusów 52

Genom LUCA: DNA czy RNA? } Ale } } } monofiletyczna reduktaza rybonukleotydów mało prawdopodobne niezależne powstanie reduktazy rybonukleotydów reakcja kosztowna termodynamicznie zachowane podobieństwo sekwencji między trzema domenami sugeruje dosyć wierną replikację u LUCA trudno uzyskać z RNA } domena dłoni (palm domain) wszystkich polimeraz DNA i odwrotnych transkryptaz ma wspólny (homologiczny) fałd ~150 aminokwasów } katalizuje tworzenie wiązań fosfodiestrowych } mogła być replikazą i transkryptazą } łatwe przejście od replikazy RNA do polimerazy DNA 53

LUCA jako wspólnota genów } } Drzewa różnych genów mogą dać różne topologie Horyzontalny transfer genów jest powszechny u prokariontów 54

LUCA jako wspólnota genów } Niezależnie od tego, u podstawy był jednolity kod genetyczny i wspólne podstawowe mechanizmy genetyczne 55

Czy LUCA był hipertermofilem? } Aquifex i Thermotoga to wcześnie odgałęziające się grupy Bacteria } Są termofilami i hipertermofilami, podobnie jak pierwotne Archaea } Czy tolerancja wysokich temperatur była pierwotną cechą LUCA? } Niekoniecznie: } Pozycja tych linii w drzewie jest podważana } Cechy warunkujące termofilię mogły się przenosić w HGT } Przodkowie dzisiejszych Bacteria i Archaea przeszli epizod selekcji w wysokich temperaturach wynikiem było uproszczenie struktury i funkcji (termoredukcja) Forterre 1995 56

Termoredukcja } Nie ma hipertermofilnych eukariontów } RNA są niestabilne w wysokich temperaturach } Eukarionty nie są w stanie zaadoptować się do wysokich temperatur ze względu na degradację mrna } Bakterie wyewoluowały swój model ekspresji (brak błony jądrowej, sprzęgnięcie translacji z transkrypcją) jako adaptację do wysokich temperatur 57

Podsumowanie 58

Hipotezy alternatywne } Przesunięcie niektórych etapów prehistorii życia poza Ziemię } kosmiczne pochodzenie prostych cząsteczek organicznych } kosmiczne pochodzenie życia - panspermia 59

Panspermia } Pierwsze cząsteczki biologiczne, a nawet organizmy nie powstały na Ziemi } Cząsteczki organiczne, aminokwasy w materiale kosmicznym } Problem ustalenia warunków początkowych } Jeżeli nie wiemy, gdzie powstawało życie, nie mamy możliwości formułowania hipotez } Panspermia ukierunowana życie celowo zasiane na Ziemi przez inną cywilizację (Orgel & Crick, 1973) 60

Cząsteczki organiczne z kosmosu } Meteoryt z Murchinson } liczne związki organiczne, w tym aminokwasy } Komety (potwierdzona obecność związków organicznych) 61

Błony z kosmosu } Struktury lipidowe tworzone przez ekstrakty materiału z meteorytu z Murchinson (A) } Struktury tworzone w reakcjach fotochemicznych z materiału naśladującego lód z przestrzeni kosmicznej (B) 62 Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

Zagadka chiralności } Życie zachowuje chiralność: L-aminokwasy, D-pentozy 63

Zagadka chiralności - wyjaśnienia } Reakcje polimeryzacji (np. RNA) sprzężeniem zwrotnym wzmacniają stereospecyficzność } Stereospecyficzność związana z prawami fizyki (asymetria oddziaływań cząstek elementarnych) oddziaływanie supernowej w galaktyce } Polaryzacja światła } Zamrożony przypadek 64

Astrobiologia } Aby szukać życia poza Ziemią należy zrozumieć, jak powstawało na Ziemi 65 Europa (księżyc Jowisza), Wikimedia Tytan (księżyc Saturna), Wikimedia, New Scientist