Az élet szikrája az anyagcsere autokatalitikus magja Kun Ádám Növényrendszertani és Ökológia Tsz.

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

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 DNA/RNA Nincsen kis molekulasúlyú metabolit! H 2 O, H +, CO 2, Fe 2+, CNO, NO 2 -, NO 3 -, HPO 4 2-, SO 4 2-, O 2, cukrok, aminosavak, alkoholok

Egy zsák enzim és DNS  Működőképes-e ez a sejt?  Kell-e valaminek eleve a sejtben lennie, hogy a metabolizmus beinduljon? Enzimek DNA/RNA ??? H 2 O, H +, CO 2, Fe 2+, CNO, NO 2 -, NO 3 -, HPO 4 2-, SO 4 2-, O 2, cukrok, aminosavak, alkoholok

Elméleti kísérlet!  Legyen egy reakcióhálózatunk  Adjuk meg a felvehető anyagok listáját  Mi termelhető meg a reakciólista alapján? 1.Ha minden megtermelhető, akkor az élő sejt nem több egy zsák enzimnél. 2.Ha nem termelhető meg minden, akkor mi kell még?

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

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

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

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

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!

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

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

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.

Scope analízis 1.Vegyünk egy mag halmazt ( pl. külső molekulák ) 2.Vegyük azokat a reakciókat amelyek egyik oldalán csak a maghalmazban levő molekula van 3.Adjuk a reakció termékeit a maghalmazhoz 4.Ismételjük a 2-3-at amíg lehet

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

Scope: Összes molekulát elérendő

Scope: Kis molekulák scope-ja  Kiindulás: CO 2, NH 3, H 3 PO 4, H2SO 4  Eredmény: Mint az APS  Kiindulás (prebiotikus): H 2 CO, CH 3 SH, NH 3, P 3 O 7 4-  Eredmény: Mint az APS

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

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.

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

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.

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

Autokatalitikus ciklusok

ATP autokatalitikus szintézise

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

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

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

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

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

Autokatalitikus NAD szintézis

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

Autokatalitikus NAD szintézis

Autokatalitikus CoA szintézis

Autokatalitikus THF szintézis

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

ATP és cukrok felé

Kálvin ciklus

Autokatalitikus NAD szintézis

Autokatalitikus CoA szintézis

Heterotróf növekedés  Calvin ciklus nem autokatalitikus, ha fel lehet venni cukrot

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

Minimum metabolizmus

Minimál médium – E. coli

Autokatalitikus molekulák  ATP  NAD (NADP)  Koenzim A  THF  Kinon  Cukor ATP CoA NAD

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 )

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