Az élet kutatója és a kutató élete -- Gánti Tibor emlékezete Szathmáry Eörs

Eötvös University Munich

Tibor Gánti, theoretical biologist and father of systems chemistry

1933-2009

Egész röviden

•  1933-ban született •  Vegyészmérnök •  Szabadalmak az ipari

biokémiában •  Ma ezt mesterséges

anyagcserének nevezik •  Az első magyar nyelvű

könyv a molekuláris biológiáról (1966)

Az utolsó fejezet: Élet és halál

•  Egyensúlyi rendszer („anyagcsere”) •  Főkör („genetikai program”)

•  Az élet kettős természete később, függetlenül másoknál is felbukkant (Maynard Smith, Freeman Dyson)

•  De hogyan tovább?

Az élet princípiuma

•  Ha a halmazat (aggregátum) vagy élő, vagy holt lehet: Mikor és miért lesz élő? Mikor és miért lesz holt?

•  Akár élő, akár holt legyen, valamely alakban létezik. Bármilyen alakban létezzék is, mi annak princípiuma?

Diderot

Miért egy vegyész rugaszkodik neki ennek a kérdésnek?

•  Mert a kémiai világ előbb volt, mint az élővilág

•  Az élet kémiai rendszerek szerveződésén alapszik

•  EZT a gondolatot kellett kidolgozni!

A legegyszerűbb sejtek bakteriálisak

•  Valamilyen primitív baktériumszerű sejt eredetét kívánjuk megmagyarázni

•  Csakhogy ezek a sejtek is nagyon összeszetettek! •  A genetikai kód egy „notóriusan nehéz probléma”

A Princípium első kiadása •  Elképesztően jelentős

munka ismeretterjesztő álarcban

•  Csak ÍGY lehetett publikálni

•  Tartalmazta a „chemoton” koncepciót

•  Dühödt reakciókat váltott ki

A könyv szerkezete

•  A probléma •  Az új adatok •  Az új szemlélet

•  Szakítás a molekuláris biológia egyeduralkodó szemléletével

•  Az életkritériumok •  Az élő minimálrendszer

A legfontosabb kiadás: Oxford University Press, 2003

•  Sok magyar kiadás után

•  Tartalmazza a Princípiumot és a Contra Cricket is.

•  Értékelő jegyzetek és tanulmányok

A monográfia (Kluwer 2003)

The investigation of life criteria: absolute criteria

1.  Inherent unity 2.  Metabolism 3.  Inherent stability 4.  Information carrying subsystem 5.  Processes regulated and controlled by a

programme VERBAL AND PHENOMENOLOGICAL

Quest for a biological minimal system

•  Chemical supersystem •  Should be conceptually as simple as

possible •  Must not necessarily be realizable in its

simplest form •  Comparison with other elementary units

(such as the elementary cell in crystallography)

•  FORMAL AND EXACT

A teljes chemoton modell (1974)

MINDHÁROM ALRENDSZER AUTOKATALITIKUS

Templát replikáció

Anyagcsere

Membrán növekedés

Kémiai rendszerek szervezése szuperrendszerré (1974)

•  CHEMOTON: egy olyan kémiai szuperrendszer, amely biológiai minimálrendszer is egyben

The chemoton shows „organizational closure”

•  It is „autopoietic”, creating and maintaining its boundary conditions

•  It is deeply routed in chemistry •  Yet presents an abstract and idealized model •  NO ENZYMES in the basic model

Chemical cycles are metabolic engines (1971)

•  The cycle as a whole is a catalyst

•  The Noble prize of Szent-Györgyi was awarded for catalysis by fumaric acid

•  Krebs has recognized the whole cycle

•  Enzymes are superimposed on the metabolic cycle

Enzymes and cycle stoichiometry

Very important: the cyclic process sign with the number of turns

Is metabolism autocatalytic in contemporary organisms?

•  This is at the root of metabolic organization •  Is also important for heredity •  An old question analyzed by modern

bioinformatics

Kun A, Papp B, Szathmáry E. Genome Biol. 2008;9(3):R51.

An autocatalytic cycle in the given environment

Although A is autocatalytic, it is not strictly needed

Depends on the environment!

Metabolic networks

A szuperrendszerek evolúciója

membrán

templát

anyagcsere A M

M T

A T A M T

INFRABIOLÓGIAI RENDSZEREK

COST Systems Chemistry

•  CM0703 •  The main objective of the Action is to

investigate autocatalytic reaction sytems within supramolecular, prebiotic, and other fields of chemistry and to develop methods for their integration into dynamic supersystems.

A formóz reakció

formaldehid

glikolaldehid

autokatalízis

Butlerow, 1861

Egy infrabiológiai rendszer(1978)

•  Anyagcsere és térbeli reprodukció •  Nincs genetikai alrendszer: önreprodukáló

mikrogömb

Formose in a liposome

It does not eat and grow yet

A nem-enzimes templát replikáció

•  Günter von Kiedrowski, 1986

Templát-vezérelt szintézis egy modell protosejtben

Jack Szostak, 2008

Primitive ancestry of the reverse citric acid cycle?

•  Was proposed by Günter Wächtershäuser (1990)

•  Coupled to CO2 fixation and pyrite formation around deep-sea hydrothermal vents

A family of approaches

Robert Rosen (1934-1998)

Francisco Varela (1946-2001)

Tibor Gánti (1933-2009)

Stuart Kauffman

medicine ↓

theoretical biology

chemical engineering

↓ theoretical

biology

biology ↓

cognitive science

biology, mathematics

↓ “relational”

biology

Rosen’s catalytic closure and his strange terminology

•  “Repair” replacement •  “Replication” closure •  A represents the set of metabolites

that are converted by metabolism into a second set B, catalysed by a set of enzymes f that are themselves products of metabolism.

•  The catalysts needed for the replacement process is provided by a set of catalysts Ф that are produced from f.

•  Closure is achieved by supposing that the efficient cause of Ф is a property of B (not B itself), represented as β.

Material causation (chemical transformation)

Efficient causation (catalysis)

What could this mean?

food

metabolites

housekeeping enzymes

genes and informational enzymes

Reflexively autocatalytic

Hmmm?

“Biblical scholarship”

Critical features

•  Structural closure Varela, Gánti •  Catalytic closure Rosen, Kauffman, Gánti,

Varela •  Spontaneous appear. Kauffman? Varela? •  Evolvability Gánti, Kauffman

(transformed)?

The main problem of the origin of life is metabolite channelling

•  Enzymes speed up reactions relative to the unwanted reactions

•  Spontaneous decay reactions abound •  Maintenance, not only reproduction,

requires autocatalysis dx/ dt = k x – d x = 0

TP

All network models neglecting side reactions are seriously incomplete

•  E.g. protein networks •  In model assumptions, a reaction is either

good or neutral for the system – but the number of harmful transformations is in fact much higher

•  Did life emerge from a chemical canyon?

Chemical evolution was a race between tar formation and life

formation

Chemical networks

Life Tar

What fraction of planets would end up with just tar?

Structures form in 3 dimensions...

•  …and are suggestive of enzymatic capability

Some RNA molecules act as enzymes (ribozymes) today

Test-tube selection experiments yield novel ribozymes and show that

•  Catalysis of C-C bonds was feasible •  Even hydrophobic molecules can be

specifically recognized •  The RNA world is likely to have been

metabolically complex

The assembly of RNA structures

•  Combinatorial assembly of RNA structures

•  Submitted to selection for function between chemotons

•  1979

The channelled assembly of ribozymes (1983)

•  The presence of substrates gives guidance to ribozyme assembly

•  Good enzymes and bad enzymes will affect the fitness of the chemotons

A hatás

•  Igen lassú kapaszkodás •  Technikai és támogatási problémák •  Felemás újrafelfedezés 2003 után •  Az értő és elkötelezett tudósok lassan, de

biztosan növekvő tábora

Későn felismert életművek

Kopernikusz Gregor Mendel

A „rejtett” hatás…

Magyarul olvashatók

A chemoton szimbólum