Az élet szikrája az anyagcsere autokatalitikus magja

1. Az élet szikrájaaz anyagcsere autokatalitikus magja Kun Ádám Növényrendszertani és Ökológia Tsz.

2. Az Élet Szikrája • Mitől több – ha több - az élő sejt egy zsák enzimnél és némi DNS-nél? • Mitől lesz élő egy sejt?

3. Egy zsák enzim és DNS • Legyen egy sejtünk, amiben csak enzimek és DNS (RNS) van. • A környezetben minden tápanyag jelen van, amit az élőlény fel tud venni (optimális mennyiségben) Enzimek Nincsen kis molekulasúlyú metabolit! DNA/RNA H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

4. Egy zsák enzim és DNS • Működőképes-e ez a sejt? • Kell-e valaminek eleve a sejtben lennie, hogy a metabolizmus beinduljon? Enzimek ??? DNA/RNA H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

5. Elméleti kísérlet! • Legyen egy reakcióhálózatunk • Adjuk meg a felvehető anyagok listáját • Mi termelhető meg a reakciólista alapján? • Ha minden megtermelhető, akkor az élő sejt nem több egy zsák enzimnél. • Ha nem termelhető meg minden, akkor mi kell még?

6. Genom alapú anyagcsere hálózat rekonstrukció • Teljes genom alapján • Minden kódoló régióhoz próbálnak enzimet kapcsolni (hasonlóság alapján) • Kézzel javítják a hálózatot • Reakció reverzibilitás • Nincsenek rosszul definiált reaktánsok („egy alkohol”) • Transzport reakciók vannak, és kísérlet alapúak • Kofaktor használat jó

7. Rekonstrukciók • Teljes genom sok van • Automatikus rekonstrukció egyszerű • Egy jó rekonstrukcióhoz 1-2 év kell...

8. Rekonstrukció - Synechocystis • Fotoszinterikus organizmusra nincs jó rekonstrukció • Genom ismert • Automatikus rekonstrukció MetaCyc adatábiz alapján (metacyc.org) • Ez még borzalmasan rossz!

9. Rekonstrukció - Synechocystis • Kiszedjük a „felesleges reakciókat” • Peptidekkel kapcsolatosak GLT + 5-L-GLUTAMYL-PEPTIDE --> 5-L-GLUTAMYL-L-AMINO-ACID + Peptides • Definiálatlan reaktánsok O2 + RED. FLAVOPROTEIN + RH <=> h2o + OX. FLAVOPROTEIN + an alcohol • Definiálatlan kofaktor használat O2 + Donor-H2 + NEUROSPORENE <=> (2.0) h2o + Acceptor + lycopene

10. Rekonstrukció - Synechocystis • Reakció reverzibilitást ellenőriztük • E. coli rekonstrució és biokémiai „intuíció” alapján • Fontos, hogy a reakció reverzibilitás fizológiai körülmények között értendő. Mesterséges körülmények között több enzim reverzibilisen működik!

11. Rekonstrukció - Synechocystis • Reakciók teljessé tétele. • H+ konzekvensen hiányzott • Transzport reakciók • Teljesen hiányoztak • Irodalom / más adatbázis alapján

12. Rekonstrukció - Synechocystis • Hiányos reakcióutak teljessé tétele • Tudjuk, hogy minden aminosavat meg tud szintetizálni. Aszparagin és cisztein bioszintézisben volt lyuk. Tirozin bioszintézisre találtunk alternatív utat. • Coenzim A bioszintézis nem volt teljes (5 reakciót tettünk be) • Plasztokinon és E vitamin szintézis hiányzott • Klorofill bioszintézis hiányos volt

13. Rekonstrukció - Synechocystis • Volt, hogy reakciót törölni kellett • Két gén glutation peroxidáznak neveztek el szekvencia hasonlóság alapján. Ilyen aktivitást azonban nem találtak a cianobaktériumban. Igazából peroxidázok ezek a gének.

14. Scope analízis • Vegyünk egy mag halmazt (pl. külső molekulák) • Vegyük azokat a reakciókat amelyek egyik oldalán csak a maghalmazban levő molekula van • Adjuk a reakció termékeit a maghalmazhoz • Ismételjük a 2-3-at amíg lehet

15. Heinrich et al. • KEGG adatábzis (reverzibilitás rossz!) minden reakciójára • Minden vegyület scope-ját kiszámolták • A legnagyobb scope-ja (2101) a adenosine 5'-phosphosulfate; 3'-phosphoadenosine 5'-phosphosulfate; dephospho-CoA; UDP-6-sulfoquinovose vegyületeknek van.

16. Scope: Összes molekulát elérendő

17. Scope: Kis molekulák scope-ja • Kiindulás: CO2, NH3, H3PO4, H2SO4 • Eredmény: Mint az APS • Kiindulás (prebiotikus): H2CO, CH3SH, NH3, P3O74- • Eredmény: Mint az APS

18. Genom alapú rekonstrukciók • Eubacteria • Escherichia coli • Heliobacter pylori • Staphylococcus aureus • Lactococcus lactis • Streptomyces coelicolor • Geobacter sulfurreducens • Synechocystis • Archea • Methanosarcina barkeri • Eukarióta • Saccharomyces cerevisiae • Minimal metabolism

19. Kísérlet • Kívülről adott molekulák • Megtermelhető (elérendő) molekulák • Ha a kívülről adottak scope-jában minden megtermelhető molekula megvan, akkor vége. • Ha nincs, akkor mely molekula hozzáadása növeli a scop-ot a legjobban? • Hány molekulát kell hozzáadni, hogy minden elérhető legyen.

20. Kívülről adott molekulák • Minden felvehető molekula • Makromolekulák, amelyeket a hálózat nem tud megtermelni, de fontosak • tRNS • Fehérjék: Tioredoxin, Acyl Carrier Protein

21. Mit kell elérni? • A legjobb rekonstrukció sem teljes. • Vannak benne lyukak (egyes molekulák nem elérhetőek) • Például egyes molekula párok, csak 1 reakcióban szerepelnek: H2O + Raffinose -> Melibose + D-Fructose • Fluxus analízissel megállapítottuk az elérhető metabolitokat.

22. Escherichia coli • Reakció szám: 931 • Metabolitok száma: 761 • Megtermelhető metabolitok: 692 • Külső molekulák: 53 • Makromolekulák: 3 • Külsők scope-ja: 315 • Hozzáadandó: ATP

23. Autokatalitikus ciklusok

24. ATP autokatalitikus szintézise

25. Heliobacter pylori • Reakció szám: 477 • Metabolitok száma: 495 • Megtermelhető metabolitok: 441 • Külső molekulák: 74 • Makromolekulák: 6 • Külsők scope-ja: 181 • Hozzáadandó: ATP

26. Staphylococcus aureus • Reakció szám: 645 • Metabolitok száma: 645 • Megtermelhető metabolitok: 543 • Külső molekulák: 83 • Makromolekulák: 14 • Külsők scope-ja: 194 • Hozzáadandó: ATP

27. Lactococcus lactis • Reakció szám: 729 • Metabolitok száma: 497 • Megtermelhető metabolitok: 568 • Külső molekulák: 94 • Makromolekulák: 1 • Külsők scope-ja: 190 • Hozzáadandó: ATP

28. Streptomyces coelicolor • Reakció szám: 702 • Metabolitok száma: 601 • Megtermelhető metabolitok: 562 • Külső molekulák: 104 • Makromolekulák: 4 • Külsők scope-ja: 267 • Hozzáadandó: ATP

29. Methanosarcina barkeri • Reakció szám: 619 • Metabolitok száma: 630 • Megtermelhető metabolitok: 567 • Külső molekulák: 70 • Makromolekulák: 21 • Külsők scope-ja: 159 • Hozzáadandó: ATP + NAD

30. Autokatalitikus NAD szintézis

31. Geobacter sulfurreducens • Reakció szám: 527 • Metabolitok száma: 544 • Megtermelhető metabolitok: 406 • Külső molekulák: 41 • Makromolekulák: 7 • Külsők scope-ja: 82 • Hozzáadandó: ATP + NAD + THF + CoA

32. Autokatalitikus NAD szintézis

33. Autokatalitikus CoA szintézis

34. Autokatalitikus THF szintézis

35. Synechocystis • Reakció szám: 917 • Metabolitok száma: 879 • Megtermelhető metabolitok: 637 • Külső molekulák: 18 • Makromolekulák: 34 • Külsők scope-ja: 64 • Hozzáadandó: ATP + NAD + THF + CoA + cukor

36. ATP és cukrok felé

37. Kálvin ciklus

38. Autokatalitikus NAD szintézis

39. Autokatalitikus CoA szintézis

40. Heterotróf növekedés • Calvin ciklus nem autokatalitikus, ha fel lehet venni cukrot

41. Minimum metabolizmus • Reakció szám: 55 • Metabolitok száma: 69 • Megtermelhető metabolitok: 69 • Külső molekulák: 8 • Makromolekulák: 0 • Külsők scope-ja: 8 • Hozzáadandó: ATP

42. Minimum metabolizmus

43. Minimál médium – E. coli

44. Minimál médium – E. coli

45. ATP Autokatalitikus molekulák • ATP • NAD (NADP) • Koenzim A • THF • Kinon • Cukor NAD CoA

46. Mi van ezekkel a ciklusokkal (NAD, CoA, THF) máshol? • Escherichia coli. Mind megvan. • Heliobacter pylori. Mind megvan. • Staphylococcus aureus. Nincs teljes NAD • Saccharomyces cerevisiae. Nincs teljes NAD • Lactococcus lactis. Nincs teljes NAD. • Emlősökben a CoA szintézis nem autokatalitikus (ciszteinhez nem kell CoA)

47. Az Élet Szikrája ATP = energia eleve kell a szervezeteknek, hogy éljenek.