Az élet keletkezésének nyomában

Hubai András elméleti úton vizsgálja az élet kialakulásának folyamatát. Az ELTE Természettudományi Kar mesterszakos hallgatója a kutatóegyetemi projekt keretein belül a korai RNS-világ evolúciós viselkedését tanulmányozza. A fiatal kutatóval tudományos munkájáról beszélgettünk.

Ökológia és elméleti biológia szekcióban nemrég nyerted meg az egyetemi TDK-t. Miről szólt kutatásod és ki volt a témavezetőd?
Kutatásomban az élet kialakulását vizsgáltam. 1828-ban Friedrich Wöhler kimutatta, hogy élet híján is megjelennek egyszerű szerves molekulák és Louis Pasteur 1860-as évekbeli kísérleteiből ismeretes, hogy a legkisebb élőlények sem képesek spontán keletkezésre: az élet eredete tehát az egyszerű szerves molekulák és az első egysejtűek közti átmenet. És bár a biológiában minden ebből ered, meglepően keveset tudunk a kezdetekről – összevetve az élőlények felépítéséről, belső működéséről, viselkedéséről illetve sokszínűségéről szerzett ismereteinkkel. Az elméleti biológia meghonosítása Gánti Tibor és Szathmáry Eörs professzor urak nevéhez fűződik. Az ő nyomdokukon haladva, Kun Ádám témavezetése alatt, én is elméleti úton vizsgálom az élet kialakulását. Központi kérdésem az volt, hogy a korai genom hosszát korlátozó evolúciós akadályt le tudja-e győzni egy többszintű szelekcióval bíró rendszer, amely egyik szintjén a gének, másikon azok „buborékokban” (vezikulákban) elkülönülő csoportjai versengenek a fennmaradásért. E kezdetleges rendszer a szabályozás minden formájától mentes: a gének másolódása aszinkron, és vezikulák osztódásakor a gének véletlenszerűen kerülnek a leányvezikulákba. Bennünket pedig a rendszerben fenntartható gének maximális száma érdekelt, melyet mind e két hatás jelentősen befolyásol.
Eredményeimet számítógépes szimulációknak köszönhetem; feladatom egyrészt az algoritmus kidolgozásából és a szoftver megírásából, másrészt az adatok kiértékeléséből állt. Ezen eredményeim által arra a felismerésre jutottunk, hogy a vizsgált rendszer képes fenntartani a sejtes élethez – és az ahhoz szükséges komplex anyagcseréhez – elegendő számú (kb. 60-100) gént. A fenntartható génszámra vonatkozó, szabályozatlan másolódás és osztódás jelentette korlátot „második hibaküszöbnek” kereszteltük (az első hibaküszöb a másolási pontosság által korlátozott genomhosszról szól). Az eredmények továbbá valószínűsítenek egy evolúciós utat, amely mentén a genom növekedése lehetséges, ahogy annak az élet kialakulása során meg is kellett történnie – e sejtésünk tesztelésére máris újabb kutatásokba fogtunk.
Bár még mesterszakra jársz, aktívan dolgozol Kun Ádám kutatócsoportjában. Mivel foglalkoztok a csoportban és mióta veszel részt a kutatásokban?
Kun Ádám 2009 nyarán invitált, hogy kapcsolódjak be kutatásába, miután a megelőző tavaszi szemeszterben programozni tanultam nála; ekkor azonban még Farkas Illés biofizikus csoportjában segédkeztem. Végül 2010 februárjában kerestem fel Ádámot, az azóta eltelt majd’ két év során nála írtam meg baccalaureus szakdolgozatomat, ajánlásával jutottam ki a nemzetközi „Kooperátorok az élet keletkezése óta” nyári iskolába, és iránymutatása alatt végeztem azt a kutatást, amelyről a 2011-es TDK-n számoltam be. A csoportban dolgozik még Szendrei Dóra doktorandusz és Szilágyi András tudományos munkatárs is. Valamennyiünk témája kapcsolatos az élet kialakulásával, azon belül is a hipotetikus RNS-világgal.
A DNS-fehérje-világ előtti RNS-világot hogyan mutatnád be az érdeklődőknek?
Az RNS-világ – amelyben mind az információhordozó, mind a biokatalizátor szerepét RNS töltötte be – őse a mai DNS-fehérje-világnak. Napjaink élőlényeiben is felleljük ennek nyomait, azokat ugyanis még több milliárd évnyi evolúció sem tüntette el. A DNS-alapú gének fehérje enzimekké való kifejeződése számos RNS jelenlétét igényli, melyek érési folyamataiban további RNS enzimek (ribozimok) segédkeznek. Az RNS-világ bizonyára magas szintű fejlettséget ért el, már ekkor megjelenhetett a komplex anyagcsere illetve a sejtes szerveződés. A mesterségesen előállítható ribozimok széleskörű katalitikus repertoárja hűen példázza, hogy az RNS-világ összetett anyagcseréjének nincsen biokémiai akadálya. A mi kutatásunk ezt kiegészíti azzal, hogy a ribozimok sokfélesége dinamikai szempontból is fenntartható. Az RNS-világ a DNS-fehérje-világ megjelenésével szorult háttérbe. Ennek oka az új örökítőanyag időállóbb szerkezete, az új katalizátor által kínált nagyobb formagazdagság, amely ráadásul kis evolúciós lépésekben „finomhangolható”. És bár elvileg lehetséges, hogy élnek ma is RNS-alapú lények, sokkal valószínűbb, hogy miképp Atlantisz, „egy súlyos nap és éjjel […] a tengerbe merülve eltűnt” az RNS ősi és fejlett világa.
Hogyan segíti munkádat az „Európai Léptekkel a Tudásért, ELTE” kutatóegyetemi TÁMOP-projekt?
Kutatásom költségvetése biológiai viszonylatban elenyésző – nincsenek kísérleti állatok, egyszer használatos eszközök, mikro-mennyiségekben vásárolható vegyszerek és nem kell mintákat évekre visszamenően mélyhűteni. Egyedül a szimulációk futtásához szükséges infrastruktúra költséges; jelenleg ehhez az ELTE Informatikai Igazgatóságának jóvoltából ingyen férek hozzá. A továbbiakban, ahogy egyre inkább számításintenzív vizsgálatokra határozzuk el magunkat, elképzelhető hogy kinőjük az eddigi számítógépet, és már talán a következő félévben a TÁMOP keretéből fogunk gépidőt vásárolni. A TÁMOP-projekt biztosít továbbá két állást a kutatócsoportban, köztük a témavezetőmét is.
Milyen terveid vannak a jövőre nézve?
Amint azt már említettem, TDK eredményeim nyomán máris belekezdtünk egy új kutatásba: ebben a korai RNS-világ többszintű szelekcióval bíró rendszerének evolúciós viselkedését vizsgáljuk. Kíváncsiak vagyunk, hogy a különböző gének eltérő szaporodási ütemei képesek-e szinkronizálódni a vezikulákon belül. Eddigi kutatómunkámat tehát a már meglevő modell bővítésével szeretném folytatni. Ha az evolúciós vonatkozásokat megnéztük, nagyon érdekes lenne a gének rekombinációs lehetőségeire is kitérni.

Tags: 
ELTE
kutatás
evolúció
RNS
biológia