Evolution von funktionellen RNA-Netzwerken

Forschungsprojekt P 13887Evoltuion von funktionellen RNA-NetzwerkenPeter SCHUSTER11.10.1999 Ziel der vorgesehenen Forschungsarbeiten ist eine systematische Untersuchung der Hybridisierung von RNA- Molekülen und die Verwendung der Ergebnisse in einem Model zum Studium der Coevolution von Molekülen. Die Hybridisierungskomplexe sollen vorerst auf dem Niveau der RNA-Sekundärstrukturen untersucht werden. Später planen wir die Untersuchungen durch die Einbeziehung von tertiären Kontakten zu erweitern. Die Beziehung zwischen den RNA-Sequenzen und den Strukturen der Hybride wird als Abbildung aus den kombinierten Sequenzräumen in einen Raum der Hybridstrukturen verstanden. Für die geplanten Arbeiten werden ebenso wie im Fall der Faltung von Einzelmolekülen drei unterschiedliche Methoden angewendet werden: (i) Faltung aller Sequenzen bei kurzen Kettenlängen und Auswertung der Resultate durch vollständiges Abzählen, (ii) Statistik der Strukturen aus mittleren und langen Ketten, und (iii) Entwicklung eines mathematischen Modells für die Abbildung der Sequenzen auf die Strukturen, welches Methoden aus der Theorie der Zufallsgraphen verwendet. Coevolution wird mit Hilfe eine Flußreaktors studiert werden, welcher ein Assay von RNA-Molekülen simuliert, die durch ihre Funktionen interagieren. Die Implementierung des Flußreaktors am Computer wurde in früheren Untersuchungen zum Studium der Evolution von unabhängig replizierenden RNA-Molekülen und zur Optimierung ihrer Faltungseigenschaften verwendet. Die einfachste Anwendung von RNA-Hybridkomplexen stellt die martizeninduzierte und katalysierte Synthese von RNA-Molekülen dar. In diesem Fall planen wir auch die Durchführung der vollständigen qualitativen Analyse des kinetischen Differentialgleichungssystems. Das Modell einer funktionell gekoppelten Organisationen von RNA-Molekülen soll durch Computersimulation studiert werden. Die katalytischen Eigenschaften werden der Strukturen werden so realistisch als möglich aus Modellannahmen Ober Ribozyme hergeleitet. Ein Modellribozym muß sowohl Bedingungen hinsichtlich der Sequenz als auf die Struktur betreffend erfüllen. Die katalytischen Aktivitäten der RNA-Strukturen umfassen Matrizenwirkung, Spaltung, Ligation und Replikasefunktion. Sie sind durch die Strukturen der Hybridkomplexe der gerneinsam gefalteten Moleküle bestimmt.

Evolutionäre Optimierung gestaltet die Natur und ist Grundlage für das Design von Molekülen mit Hilfe von Trial-and-Error`-Methoden. RNA-Moleküle spielen eine besondere Rolle, das sie einerseits im Laborexperiment vermehrt werden können, andrerseits aber auch als Katalysatoren biologische Prozesse beschleunigen können. Ein fundamentales Merkmal der auf Variation und Selektion beruhenden biologischen Evolution besteht in der Dichotomie von Genotypen und Phänotypen. Der Genotyp, die Sequenz der Bausteine im Träger der genetischen Information, wird durch Mutation und Rekombination variiert, wogegen Selektion ausschließlich auf den Phänotyp wirkt, welcher durch eine molekulare Struktur, eine Zelle oder einen gesamten Vielzellerorganismus repräsentiert wird. Die Beziehung zwischen Genotypen und Phänotypen ist daher von vordringlicher Wichtigkeit für das Verstehen von Evolutionsvorgänge. In Falle der Evolution von RNA-Molekülen reduziert sich diese im allgemeinen sehr komplexe Beziehung auf den Zusammenhang zwischen Sequenzen und molekularen Strukturen. Die Forschung im Rahmen des vorliegenden Projektes zielte auf die Beantwortung der Frage nach der Natur der Nachbarschaft von Phänotypen in der Evolution ab: Gegeben die Struktur eines RNA-Moleküls, wieviele andere Strukturen können durch Mutation gebildet werden? Wie sehen diese Strukturen in der Nachbarschaft der Ausgangsstruktur aus? Welche Funktionen haben sie? Die Anwort, die wir erhielten besteht aus zwei Teilen: (i) Die Beziehung zwischen Sequenzen und Strukturen ist derart, daß viele Sequenzen dieselbe Struktur ausbilden. Neutralität` bezüglich der Sequenzen wurde bei RNA-Strukturen direkt nachgewiesen und sie ist fundamental für die Biologie im allgemeinen. Einer Struktur entspricht nicht eine einzige Sequenz sondern eine Menge von Sequenzen, welche durch geeignetes Verbinden der Kanten in einem Graphen umgestaltet werden kann. Die Graphen wurden als neutrale Netzwerke` charakterisiert. Es stellte sich heraus, daß die Existenz neutraler Netzwerke von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg der evolutionären Optimierung ist. (ii) Die Frage nach der Nachbarschaft von Strukturen im Evolutionsprozeß ist gleichwertig der Frage nach der Nachbarschaft von Mengen oder Graphen. Es gelang uns im Rahmen der Arbeiten an diesem Projekt zu zeigen, daß diese Nachbarschaft nicht durch eine Distanz ausgedrückt werden kann, da sie nur durch eine schwache topologische Beziehung beschreibbar ist. Wenn die Struktur A nahe der Struktur B ist, dann bedeutet das nicht, daß auch die Umkehrung wahr ist: B muß nicht nahe an an A sein. In anderen Worten ausgedrückt: Es kann leicht sein A durch eine Mutation in B umzuwandeln, aber es kann gleichzeitig unwahrscheinlich sein, daß B nach A mutiert. Die Vorhersagen unseres RNA-Modells haben unmittelbare Konsequenzen für die Eerstellung optimaler Protokolle zum Design von Molekülen durch Evolution. Zwei unserer Vorhersagen wurden bereits durch geeignete Experimente auf dem Gebiet der evolutionären Biotechnologie bestätitgt. Das Wissen um die Beziehungen zwischen RNA-Sequenzen und Strukturen wurde auf Untersuchungen an molekularen Ökologien` angewandt. Zwei Beispiele wurden konzipiert und mit mathematischen Methoden sowie durch Computersimulation im Rahmen dieses Projektes analysiert: (i) Ein genetischer Schalter, welcher zwei Gene involviert und zwei Zustände der Genexpression aufweist, und (ii) ein präbiotisches Modellsystem, welches zur Zeit im Rahmen eines groß angelegten EU-Projektes auf seine experimentelle Realisierbarkeit geprüft wird. Ziel dieses Vorhaben ist letzlich das De novo-Design und die Herstellung einer primitiven Zelle durch chemische Synthese.