Együttműködő molekulák, csaló baktériumok és más furcsaságok

Az előadások a következő témára: "Együttműködő molekulák, csaló baktériumok és más furcsaságok"— Előadás másolata:

1 Együttműködő molekulák, csaló baktériumok és más furcsaságok
KEBEL 2013. április 18. Együttműködő molekulák, csaló baktériumok és más furcsaságok Czárán Tamás MTA-ELTE Elméleti Biológiai és Ökológiai Kutatócsoport

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 „Fekete füstölgő”: hidrotermikus kürtő az óceán fenekén
Gejzír többezer m mélységben: vaksötét, többszáz atm nyomás, 300 ºC feletti hőmérséklet, erősen redukáló kémiai környezet Az élet bölcsője?

12 … to arrive at RNA molecules capable of self-replication

13 Miért éppen az RNS? Mert információ-tárolásra, –továbbadásra és enzim- funkciók ellátására is alkalmas 2. Mert a mai élőlényekben is előfordul mindkét funkcióban

14 Riboszóma, a fehérjeszintézis „lelke”:
RNS-enzim (ribozim) Riboszóma, fehérje-részek nélkül Riboszóma, fehérje-részekkel

15 ? ? Ribonukleotidok RNS

16 Nukleobázisok Cukrok

17 RNS molekula spontán képződése agyagásvány felületen

18 replikáció

19

20 Eukarióta sejt metabolikus hálózata (Metabolic Map)

21 „Anyagcsere” reakcióhálózat (Metabolizmus)

22 Metabolikus Replikátor Modell (MRM)
RNS-enzim (ribozim) Enzim-hatás (katalízis) Építőelemek (monomerek) Metabolikus Replikátor Modell (MRM)

23 „Parazita” RNS-molekula

24 féken tartják: nem teszi tönkre az együttműködést
A parazita-RNS a rendszerben marad, de a metabolikus kooperátorok féken tartják: nem teszi tönkre az együttműködést

25 Másolási segítség (replikáz)

26 RNS molekula másolása replikáz ribozimmal

27 „Sejtmembrán”

28 A membrán növekedése zsírsav-molekulák beépülésével

29 „Proto-sejt”

30 A bakteriális együttműködés formái:
exoenzimek termelése (sejten kívüli táplálék emésztése) sziderofor táplálék-feltáró anyagok termelése (Fe3+ ionok oldatba vitele és felvétele) bakteriocin-produkció (kompetítorok távoltartása) virulencia-faktorok expressziója (gazdaszervezet inváziója patogén baktériumok esetében) biofilm-képzés (nagyobb együttműködő kolóniák kialakítása) … Minden esetben „közhasznú javak” (public goods) előállítása jelenti az együttműködést

31 Az együttműködés költséges: jelentős metabolikus erőfeszítést igényel;
kis egyedsűrűségnél hatástalan: a kooperációba fektetett források kárba vesznek; egy kritikus szintet meghaladó egyedsűrűségnél viszont kifizetődő: a befektetett költség sokszorosan megtérül.

32 A kommunikáció előnye:
Elegendő akkor bekapcsolni a kooperáció költséges mechanizmusait, amikor együtt van a hatékonyságot biztosító, kritikus számú potenciális együttműködő egyed. A kommunikáció módja: kémiai jelzés Quorum Sensing (QS)

33 „Közhasznú javak” termelése QS-szabályozással
„Public good”

34 Alacsony (quorum alatti) egyedsűrűségnél:
kevés QS-jel – nincs kooperáció Nagy (quorum feletti) egyedsűrűségnél: sok QS-jel – kooperáció

35 A kooperáció és a kommunikáció is „csaló” mutánsok áldozatául eshet.
Probléma: A kooperáció és a kommunikáció is „csaló” mutánsok áldozatául eshet. A kooperáció csalója: „ÉLŐSKÖDŐ” – a közös javakból a létrehozásukba fektetett saját hozzájárulásával arányosnál nagyobb hányadot vesz el A kommunikáció csalója: olyan „ÉLŐSKÖDŐ”, amely ráadásul „HAZUG” is – kooperációt ígér, de végül a rá eső hányadnál kevesebbel (vagy semmivel sem) járul hozzá a közös javak előállításához

36 Megoldás: Valódi kooperátorok felismerése nem hamisítható jelek alapján, és a csalók diszkriminálása Rokonszelekció térbeli kényszerek alapján („környezeti viszkozitás”) (Hamilton, 1969)

37 Modell:

38 + = 23 = 8 különböző genotípus

39 Genotípusok: nem „Flegma” csr igen „Kukkoló” csR „Hazug” cSr
Kooperál? Jelez? Érti a jelet? „Fenotípus” Metabolikus teher nem „Flegma” csr igen „Kukkoló” csR mr „Hazug” cSr 0 + ms + 0 „Szájhős” cSR 0 + ms + mr „Buzgó” Csr mC „Szégyellős” CsR mC mr „Dicsekvő” CSr mC + ms + 0 „Becsületes” CSR mC + ms + mr mc >> ms ≥ mr

40 Modell-események: 1 generáció = 90.000 (300x300) ismétlés
Kommunikáció a szomszédos baktériumokkal Feltételes kooperáció a szomszédos baktériumokkal Kölcsönhatás (kompetíció) a szomszédok egyikével Mozgás (helycsere a szomszédok egyikével) 1 generáció = (300x300) ismétlés

41 Egy tipikus eredmény:

42 nincs Quorum Sensing van Kooperáció nq = 2 nq = 3 nq = 4 nq = 5 nq = 6
„Drága” „Olcsó” Kooperáció „Drága” „Olcsó” nq = 2 nq = 3 Kooperációs hatékonysági küszöb nq = 4 nq = 5 nq = 6 Diffúzió

43 „Gonosz” kommunikációs stratégiák
A „Hazug” hatékonyabban használja ki a „Becsületes”-t, mint a „Flegma”, mert kis befektetéssel (QS jel) ráveszi a „Becsületes” szomszédait, hogy kooperálni próbáljanak akkor is, amikor valójában nincs együtt az együttműködők quoruma.

44 Következtetések: A kooperáció feltétele a preferenciális együttműködés, ami a baktériumok esetében térben korlátozott szóródással valósulhat meg a legegyszerűbben; A kooperáció és a Quorum Sensing (kommunikáció) egymást erősítő, szinergisztikus evolúcióval alakulhatott ki; A bakteriális kommunikáció kialakulásának szelekciós hajtóereje kétféle: egyrészt a kooperációt segítő, másrészt azt kihasználó; A modell előrejelzése szerint a szociális stratégiák (együttműködés, csalás, félrevezetés, kihasználás) sokaságával számolhatunk a baktérium-közösségek kísérletes vizsgálata nyomán

45 Adin Ross-Gillespie, Andy Gardner, Stuart A. West, and Ashleigh S
Adin Ross-Gillespie, Andy Gardner, Stuart A. West, and Ashleigh S. Griffin: "Frequency dependence and cooperation: theory and a test with bacteria" The American Naturalist (2007) volume 170: DOI: /519860

46 Köszönöm a figyelmet!