Az élet keletkezése

1. Az élet keletkezése Dr. Kun Ádám, Ph.D. tudományos főmunkatárs okleveles biológus, okleveles vegyész ELTE, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék

2. Bevezetés a biológiába • Müller Viktor: Az Élet definíciója • Müller Viktor: Az immunrendszer • Kun Ádám: Az Élet keletkezése • Kun Ádám: Anyagcsere • Fedor Anna: Genetika és evolúciógenetika • Gedeon Gábor: Egyedfejlődés és szabályozás • Gedeon Gábor: Egyedfejlődés • Zachár István: Makrotaxonómia és replikátorok • Garay József: Evolúció • Czárán Tamás: Ökológia • Fedor Anna: Neurobiológia • Számadó Szabolcs: Kommunikáció és együttműködés • Számadó Szabolcs: Kultúra

3. Magamról • Tanulmányok • Okleveles biológus, Okleveles vegyész • PhD ökológia és elméleti biológia • Kutatás (elméleti biológia) • Klonális növények ökológiája • Együttműködés evolúciója • Élet keletkezése

4. Magamról • Oktatás • Bevezetés a biológiába (BSc) • Evolúcióbiológia (BSc) • Biometria (BSc) • Evolúcióbiológia és zoológia (MSc) • Általános ökológia (MSc) • Programozás biológusoknak (BSc-MSc)

5. Bevezetés a biológusságba • Kérdezzetek! • Döntsd el, hogy „mi leszel, ha nagy leszel” • Gyűjtsetek ismereteket • Tudjatok angolul

6. Bevezetés a biológiába • Az evolúciós gondolkodás biológián belüli univerzalitásának megmutatása • Biológiai érdekességek tárgyalása • A biológia különböző területeinek egymással való szoros összefüggésse (avagy miért tanulunk azt is) • A biológiai vizsgáló módszereket bemutatása

7. A megfejtetlen rejtély: az élet keletkezése • Tudjuk, hogy van élet • Ha találunk egy utat, akkor sem lehetünk biztosak benne, hogy azt az utat járta be az Élet • A tudomány alapfeltevése: A metafizikainak nincs hatása arra amit vizsgálunk.

8. Életet teremteni egyszerű…

9. Életet „élettelenből” előállítani kevésbé...

10. Makromolekula Funkció szerzés Protosejtté integrálás Út az élethez – Az összetettség növekedése Monomer

11. Kódolja Kompartmentalizál ReplikálMonomert állít elő Monomertállít elő Funkció szerzés Anyagcsere Enzim Indormáció hordozótemplát Membrán

12. A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise

13. Molekuláktól az első sejtig • Aminosavak – Fehérjék – Enzimek • Nukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjai • Lipidek – Membárnok – Felszínek • RNS Világ • Információ replikáció - Eigen Paradoxona • Az élet kódja: Transzláció A genetikai kód eredete • Az utolsó közös ős - Az első protosejt

14. Aminosavak – Fehérjék - Enzimek

15. Aminosavak

16. Prebiotikus szintézis • Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus körülmények között • A szintézis útja elképzelhető prebiotikus körülmények között

17. Miller-Urey kísérlet • Metán (CH4) • Ammónia (NH3) • Hidrogén (H2) • Víz (H2O) • Elektromos kisülés Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)

18. Makromolekulák: Fehérjék • Peptid kötés • Elsődleges szerkezet (szekvencia) • Másodlagos és harmadlagos szerkezet (térszerkezet) • Prebiotikus körülmények között nem állnak össze.

19. Miért kellenek enzimek? • Reakciók lassúak (pl. vízkilépés, CO2 megkötés) • Gyorsabbnak kell legyen a lebomlásnál • Térszerkezeti problémák • Reakciók nem specifikusak (rengeteg mellékreakció is végbemegy) • Nem sztereospecifikusak, racém keletkezik

20. Racém, kiralitás • Számos molekula királis, azaz két változata van, amely fedésbe nem hozható, hasonlóan a két kezünkhöz. • A két enantiomer biológiai hatása eltérő lehet • Racém monomerből nem lehet „rendes” polimert előállítani. D-alanin L-alanin D-glükóz L-glükóz

21. Enzimek • Katalizátor (gyors reakciók) • Specifikus(kevés mellékreakció) • Sztereospecifikus • Az enzimek ma leginkább fehérjék.

22. Enzimkatalízis • Enzimkatalízis mechanizmusa • kulcs / zár mechanizmus • indukált illeszkedés • Az átmeneti állapotot köti a legjobban

23. Nukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjai

24. Nukleotid = nukleobázis + ribóz + foszfát DNS/RNS alkotó elemei Nukleotidok AMP UMP dTMP CMP GMP

25. D-glükóz Cukrok • Számos reakcióút kiindulásai • Fő energiaforrás • Cellulóz • Keményítő, glikogén • DNS, RNS lánc váza

26. Formóz reakció

27. Nukleobázisok Purin bázisok Pirimidin bázisok Citozin Uracil Timin Adenin Guanin

28. Cianid polimerizáció

29. Genetika kémiai alapjai: Bázispárok • A C-G és a A-U(T) bázispárok hidrogéngidakkal kapcsolódnak • Minden esetben egy nagyobb térigényű bázis (G v. A) van szemben egy kisebb térigényű bázissal (C v. U/T) • DNS / RNS kettősspirál

30. Makromolekulák: Oligonukleotidok • 40-50 tagú oligomerek montmorillonit agyag felszíneken előállnak • Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik

31. Lipidek – Membárnok - Felszínek

32. Lipidek • Glicerin + zsírsavak + foszfátcsoport • Hidrofil fej és hidrofób farok • Telített vagy telítetlen zsírsavak • Prebiotikus körülmények között a hosszú egyenes zsírsavak keletkezése nehézkes.

33. Membrán kialakulás A micellák és membránok autokatalitikusan kialakulnak Ön-összeszerelődés (self-asembly)

34. Felületek • A felületek előnyösek termodinamikailag • Katalitikus aktivitásuk lehet • Az ásványi felszínek védhetnek az UV sugárzástól • Az ásványi felszínek elősegíthetik a homokiralitást • „Szegény ember” kompartmentalizációja

35. Kompartmentalizáció • A lipid membrán fontos, mert így elérhető, hogy a belső és a külső környezet eltérjen: • Fontos anyagok benntartása (aminosavak, ATP) • H+ grádiens • pH, sókoncentráció • Transzport szükséges!

36. Az élet építőköveiA monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise

37. In vitro evolúció

38. Mutáció Szelekció In vitro evolúció • Az evolúció megértése • Alkalmazható (eladható) molekulák kialakítása • Genetikai diverzitás előállítása • Szelekció

39. Genetikai diverzitás • A diverzitással (hány különböző molekulát tesztelek) növekszik annak a valószínűsége, hogy megtalálom, amire szükségem van • Mutáció: Véletlen, célzott, rekombináció • Hibára hajlamos PCR (polimerase chain reaction)

40. Szelekció (indirekt) • SELEX – Systemic evolution of ligands by exponential enrichment. • Ligandok szisztematikus evolúciója exponenciális dúsítással.

41. Mesterséges evolúcióval előállított enzimek SZINTÉZIS v. VÉLETLENSZERŰ MOLEKULÁK • SZELEKCIÓ • Affinity chromatography • Filter binding • Gel mobility shift • Imunopercipitation EVOLVÁLÓDOTT MOLEKULA SOKSZOROZÓDÁS mutagenic PCR

42. Katalizátorok szelekciója • Szelekció kötés alapján (indirekt). • A átmeneti állapotnak megfelelő (vagy azzal analóg) molekula kötésére szelektálunk. • „Azt kapjuk, amire szelektáltunk, nem amit szeretnénk.” • Ez nem katalizálásra szelektál

43. Katalizátorok szelekciója II • Közvetlen szelekcióval olyan molekula, kell, ami: • Felismeri a szubsztrátot • Kialakítja a terméket • Gyorsítja a reakciót • Többször használható

44. In vitro kompartmentalizáció

45. Módszer • Előállítják a génkönyvtárat • Összekeverik gén expressziós masinériával • 1010 csepp/ml, 1 gén/csepp • A cseppből a termék és a gén sem juthat ki, azok kapcsoltak

46. In vitro kompartmentalizáció

47. Szelekció flouresszencia alapján • A terméknek floureszcensen aktívnak kell lennie

48. Mikrofluidika • Apró cseppekben végeznek minden. • A cseppek manipulációja megoldható. • Csepp kialakítás • Csepp kettőbe vágása / összeolvasztása • Cseppek rendezése

49. Ajánlott irodalom • John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az evolúció nagy lépései. Scientia, Budapest, 1997 • Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2000 • Ádám Veronika (szerkesztő): Orvosi biokémia. Semmelweis, Budapest, 1996