12) evoluce buňky

Evoluce buňky přirozeným výběrem

• výchozí "pra-buňka" (ancestor cell), z níž se vyvinuly všechny buněčné formy života

• podmínky přirozeného výběru:

  • genetická variabilita

  • selekce nejvýhodnějšího genotypu

OD JEDNODUCHÝCH SLOUČENIN KE SVĚTU RNA, DNA A PROTEINŮ

• Oparin–Haldanova teorie vzniku života

  • Alexandr Ivanovič Oparin (1894-1980): biochemik

    • redukční atmosféra na vzniklé planetě (metan, čpavek, vodík, vodní páry)

    • chemická evoluce uhlíkatých sloučenin: "zárodečná polévka" (primordial soup)

    • experimenty s koacerváty

  • John B.S. Haldane (1892-1964): genetik a fyziolog

    • stejná teorie evoluce organických sloučenin (bez koacervace)

• 1953 - University of Chicago

  • první experimentální ověření možnosti vzniku života na planetě Zemi

  • Stanley Miller a Harold Urey

• Millerův experiment

  • snaha napodobit prvotní podmínky na Zemi

  • výchozí směs plynů:

    • methan, čpavek, voda (pára), vodík

  • elektrické výboje

  • kondenzace vody a následná analýza roztoku

• Výsledky Millerova experimentu:

  • HCN, formaldehyd

  • kyselina mravenčí, mléčná, octová, močovina

  • 17 aminokyselin

  • puriny a pyrimidiny

• Vznik prvních polymerů z organických monomerů

  • zahřívání organických sloučenin

  • katalytická aktivita vysoce koncentrovaných anorganických polyfosfátů nebo dalších minerálních látek

  • autokatalytické schopnosti vzniklých polymerů → selekční výhoda systémů s autoreprodukcí

• Polynukleotidy jako templáty pro svou vlastní syntézu:

  • pravidlo o párování bazí (vodíkové můstky)

• Egg or Chicken? Which came first?

  • Nukleová kyselina nebo protein?

• RNA World (svět RNA)

  • 2 důležité vlastnosti RNA z hlediska evoluce:

    • informační (sekvence nukleotidů)

    • funkční (vznik terciární struktury)

• 1989 – Nobelova cena za chemii

  • za objev katalytických vlastností RNA = objev ribozymu

    • Thomas R. Cech (University of Colorado)

    • Sidney Altman (Yale University)

• 3 základní kroky v evoluci RNA

  • Ribozym

  • primitivní proteosyntéza

  • vznik genetického kódu

Svět RNA:

• Možné způsoby replikace ve světě RNA:

• Úloha ribozymu v evoluci procesu replikace ?

OD ZÁRODEČNÉ POLÉVKY K PRVNÍM BUŇKÁM

• Koacerváty (Coacervates)

  • malé kulaté kapky organických molekul (lipidy)

  • velikost řádově 1-100 µm

  • 1929: H.G. Bungenberg de Jong, H.R. Kruyt

  • koacerváty vzniklé interakcí proteinu (želatiny) s arabskou gumou (A.I. Oparin)

• Princip koacervace

• Průběh koacervace (želatina a arabská guma)

• Možné interakce mezi různými koacerváty

OD PROKARYOT K EUKARYOTŮM

• Rekonstrukce vývoje

  • Stáří mikrofosilií:

    • prokaryontní buňky: 3,5 miliardy let

    • eukaryontní buňky: 1,5 miliardy let

    • mnohobuněčné organismy: 500 miliónů let

• Změny ve složení zemské atmosféry

  • Nárůst obsahu vzdušného kyslíku v atmosféře

• Vznik membránových struktur a buněčného jádra

• Vznik mitochondrií

• Vznik chloroplastů

• Endosymbiotická teorie

  • 1883 – Andreas W. Schimper

  • 1981 – Lynn Margulis: Symbiosis in Cell Evolution

• Skutečnosti podporující endosymbiotickou teorii:

  • dvojitá membrána u mitochondrií a chloroplastů

  • u obou organel vlastní genom prokaryontního typu

  • obě organely obsahují vlastní proteosyntetický aparát prokaryontního typu:

    • ribosomy prokaryot: 70S (30S + 50S)

    • ribosomy eukaryot: 80S (40S + 60S)

• Giardia - jednobuněčný anaerobní parazit

SYNTETICKÁ BIOLOGIE

• Syntetická biologie

  • a) navrhování a vytváření biologických komponent a systémů, které neexistují v přirozeném světě

  • b) návrhy na přestavování existujících biologických systémů a jejich následné vytváření

• 2010:

  • Vytvoření bakteriální buňky s "umělým" genomem

  • design, syntéza a sestavení bakteriálního genomu Mycoplasma mycoides JCVI-syn01

  • vnesení umělého genomu do bakterie Mycoplasma capricolum → nová bakterie se syntetickým genomem

Watermarks (vodoznaky) v genomu Mycoplasma mycoides JCVI-syn01:1.2.3.4.

• vysvětlení použitého kódovacího systému

• URL adresa pro ty, kdo rozluští kód

• seznam 46 autorů a spolupracovníků

• série slavných citátů (James Joyce, Richard Feynman)

• Kódování písmen ve vodoznacích:

• Leden 2020: xenoboti

  • syntetické organismy připravené dle designu in silico pro plnění požadovaných funkcí

  • kombinace více buněčných typů – embrya

  • Xenopus laevis (žába drápatka)

  • velikost pod 1 mm3

• Princip přípravy xenobotů

• Aplikační možnosti syntetické biologie:

• 2019: syntetická embryologie