Kihalási küszöbök és éles határok az ökológiai rendszerekben.
Oborny Beáta PhD, közgyűlési képviselő előadása (ELTE, TTK, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék egyetemi docense)
Elhangzott a 2017. december 12-i osztályülésen

A Földön egyre súlyosbodnak az ökológiai válságtünetek, s komoly kihívás, hogy mennyire lehet ezek okait megszüntetni, és az ökoszisztémák működését a természetes mederben tartani. Azért különösen nehéz a fenntartás vagy a „terelés”, mert az ökoszisztémák önszerveződő rendszerek: nem pusztán követik a külső környezeti körülmények változását, hanem saját, belső szabályozó folyamataik is működnek. Ennek egyik jól látható jele, hogy a környezet fokozatos változására a fajok ill. fajegyüttesek általában nem fokozatosan válaszolnak. Gyakori eset, hogy egy adott küszöb átlépése után hirtelen változás következik be (pl. kihalás, átstruktúrálódás). E küszöbjelenségek néhány példáját mutatta be az előadó számítógépes szimulációk és az ezekhez kapcsolódó terepi példák révén. Az alapjelenség már egyetlen populáció esetében is megfigyelhető: a környezet fokozatos változásakor a populáció önszabályozása egy darabig működni képes, majd hirtelen összeomlik. Az összeomlásnak jellegzetes előjelei vannak: kiterjednek a térbeli és időbeli korrelációk, megnő a bolygatások kiheverésének ideje. Ennek egyik gyakorlati következménye, hogy ha megritkul egy faj, a ritkulással nem arányosan, hanem fokozott mértékben növekszik a monitorozásához szükséges erőfeszítés. Ugyanez a probléma akkor is, ha egy faj elterjedési területén belül a belső mag felől a szegély felé haladunk. Márpedig ha az elterjedési terület változását szeretnénk követni - például klímaváltozás esetén -, fontos, hogy a véletlen fluktuációt meg tudjuk különböztetni a trend-jellegű eltolódástól (range shift) lehetőleg minél rövidebb idő alatt, mondta az előadó. Kutatócsoportjuk ezért az eddigieknél hatékonyabb módszert javasolt az elterjedési területek változásának észlelésére. Természetesen mindkét irányú eltolódás fontos: egyes populációk visszaszorulása mellett mások kiterjedése - például a kórokozók és mezőgazdasági kártevők expanziója - is a globális változások egyik aggasztó következménye. A kritikus fázisátmenetek elmélete sok segítséget nyújt az ún. „korai figyelmeztető jelek” felismerésében, és annak megértésében, vajon a már bekövetkezett változások hogyan fordíthatók meg. Ez az ökológiának egy olyan területe, ahol elméleti modellezők és gyakorlati szakemberek intenzíven működnek együtt.

Orvosi-élettani Nobel-díj a cirkadián ritmust szabályzó molekuláris mechanizmusok feltárásáért
Kozma-Bognár László PhD, az SZBK Növénybiológiai Intézet munkatársának előadása
Elhangzott a 2017. november 14-i osztályülésen

A Föld tengely körüli forgása következtében a nappalok és az éjszakák ciklikusan, 24 órás periódusokban követik egymást. Az előadó elmondta, hogy azok az élőlények, amelyek anyagcseréjük vagy egyéb életfolyamataik módosításával képesek alkalmazkodni ezekhez a pontosan előre jelezhető környezeti változásokhoz, növekedési előnyre tehetnek szert. Az adaptáció e végtelenül kifinomult módjának szabályozására egy bonyolult mechanizmus, egyfajta biológiai óra alakult ki az evolúció során szinte valamennyi organizmusban, a baktériumoktól az emberig. A biológiai óra biztosítja az általa szabályozott folyamatok ritmikus működését, hozzávetőlegesen 24 órás periódussal, ezért cirkadián (circa dien = kb. egy nap, latin) órának, az általa létrehozott ritmust pedig cirkadián ritmusnak is nevezzük. A cirkadián óra molekuláris óra: az oszcillátort az ún. óragének és az általuk kódolt órafehérjék építik fel, amelyek alapvetően negatív visszacsatolásokon keresztül szabályozzák önmaguk és egymás ritmikus kifejeződését. Ez az autonóm, önfenntartó és elsődlegesen az óraelemek transzkripciójának szintjén megjelenő mintegy 24 órás oszcilláció jelátviteli utakon keresztül irányítja nagyszámú molekuláris és élettani folyamat napi ritmus szerinti megjelenését. Bár az óra egyik legérdekesebb jellemzője az, hogy működése és így az általa szabályozott folyamatok ritmicitása állandó körülmények között is fennmarad, a cirkadián órák jelentősége valójában abban áll, hogy adott életfolyamatok megjelenését az arra legmegfelelőbb napszakra időzíti, ami hosszabb távon jelentős energia- és erőforrás-megtakarítással jár. Cianobaktériumok és növények esetében kísérleti eredmények bizonyítják, hogy azok az egyedek, amelyekben az életfolyamatok napszakhoz történő precíz igazítása zavart szenved, jól mérhető növekedési hátrányba kerülnek. A humán óra működéséről is leginkább akkor veszünk tudomást, mikor az óra által diktált szubjektív idő nem felel meg pontosan a külső, valós időnek. Elég csak a jet-lag vagy a váltott éjszakai műszakok következményeire gondolnunk, de a sokkal többeket érintő tavaszi/őszi óraátállítást követő napok kellemetlenségei is az óra működésének egyértelmű jelei.

2017-ben az orvosi-élettani Nobel-díjat Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash és Michael W. Young kutatók kapták az első óragének/fehérjék azonosításáért és a köztük megvalósuló reguláció, vagyis az oszcillációt eredményező molekuláris folyamatok meghatározásáért. Az előadó röviden ismertette munkájukat, bemutatta, hogy az általuk felfedezett mechanizmus az egyes komponensek funkcionális konzerváltsága de szerkezeti divergenciája mellett általánosan érvényes az eukariota szervezekben, végül konkrét példákkal illusztrálta az óra pozitív hatásait, vagy éppen ennek hiányát, a humán fiziológiára és életminőségre vonatkozóan.

A zöldalgák fotoautotróf és fenntartható biohidrogén-termelésének megalapozása
Tóth Szilvia Zita PhD, tudományos főmunkatárs előadása (MTA SZBK, Növénybiológiai Intézet, Lendület-Molekuláris Fotobioenergetikai Csoport)
Elhangzott a 2017. március 14-i osztályülésen

Tóth Szilvia előadásában elmondta, hogy a zöldalgák fotobiológiai H2-termelése egy ígéretes, CO2-semleges energiaforrás, mivel a H2 elégetése során csak víz képződik. A zöldalgák [Fe-Fe]-típusú hidrogenázai az ismert leghatékonyabb H2-termelő katalizátorok, amelyek az első fotokémiai rendszer akceptor oldalán helyezkednek el és közvetlenül hasznosítják a fotoszintetikus elektrontranszport működése során keletkezett redukáló erőket. A zöldalgák hidrogenázai azonban igen érzékenyek a fotoszintézis során keletkező O2-re, amely nagy akadályt jelentett a fenntartható biohidrogén-termelés megvalósításában az elmúlt mintegy 40 év során. Jelentős H2-termelés kénmegvonással érhető el, amely a második fotokémiai rendszer inaktiválódásához, anaerob körülmények kialakulásához, majd a H2-termelés megindulásához vezet; ez a rendszer azonban csak néhány napig tartható fenn, igen költséges, és csak acetát, mint szerves szénforrás hozzáadásával valósítható meg. A természetben előforduló H2-termelés folyamatához hasonló rendszer az anaerob indukcióval történő H2-termeltetés. Sötétben ugyanis a zöldalgák gyakran kerülnek anoxiás állapotba, melynek következtében a hidrogenáz kifejeződik, majd megvilágítás hatására, mintegy biztonsági szelepként megindul a H2-termelés. Ez a folyamat természetes körülmények között néhány percig tart, mivel a Calvin-Benson ciklus aktiválódását követően O2 is képződik, ami gátolja a hidrogenázt. Kimutatták, hogy a hidrogenázok anaerob kezeléssel történő indukcióját követően azok aktivitása fenntartható, amennyiben megakadályozzák a Calvin-Benson ciklus működését. Módszerük abból áll, hogy az algakultúrákat acetátmentes tápoldatba helyezik, N2-nel átfúvatják, majd néhány óráig sötét-adaptálják, ami alatt hidrogenázok képződnek. Ezután a kultúrákat megvilágítják, aminek következtében a H2-termelés megindul. Mivel a közeg nem tartalmaz sem acetátot, sem CO2-ot, a Calvin-Benson ciklus inaktív marad, ami csökkent O2 képződéshez vezet, a fotoszintetikus elektrontranszport működése során keletkezett elektronok pedig H2-termelésre fordítódnak. Megfelelő abszorbens alkalmazásával az O2 koncentrációja tovább csökkenthető, ami által a termelt H2 mennyisége többszörösére nő. E folyamatos, magas hozamú H2-termeltetés során a fotoszintetikus apparátus napokig aktív marad, majd egy rövid regenerációt követően az algakultúrák ismét azonos mennyiségű H2 termelésére képesek. Tehát kidolgoztak egy fenntartható, teljesen fotoautotróf H2-termelési rendszert; a jelenlegi hozam kb. négyszerese a kénmegvonással indukált H2-termeléshez képest, amely a körülmények további optimalizálásával, megfelelő algatörzsek felhasználásával valószínűleg tovább növelhető.

Komplexmetabolikus újítások darwini evolúciója
Papp Balázs PhD, tudományos főmunkatárs előadása (MTA SZBK, Biokémiai Intézet Szintetikus/Rendszerbiológiai Egység)
Elhangzott a 2017. március 14-i osztályülésen

Papp Balázs előadásában arra volt kíváncsi, hogyan jönnek létre az evolúció során azok az újítások, amelyek több mutáció együttes meglétét igénylik? Ez a kérdés Darwin óta komoly kihívást jelent az evolúcióbiológia számára. Különösen nehéz megmagyarázni a komplex molekuláris struktúráknak az evolúcióját (pl. fehérjekomplexek vagy többlépéses anyagcsereutak), ahol az átmeneti állapotok előnye nem nyilvánvaló. Mire jó egy félkész anyagcsere útvonal, ha nem tudja előállítani a végterméket? Hipotézisünk szerint a több lépésből álló új biokémiai útvonalak egyes lépései önmagukban is hasznosak lehetnek egy másik tápanyagkörnyezetben. Így ha a környezet folyamatosan változik, akkor az átmeneti állapotok is előnyt élveznek és a többlépéses útvonal a klasszikus darwini mechanizmussal kiépülhet. A hipotézist három megközelítéssel teszteltük. Először számítógépes modellezéssel kimutattuk, hogy valós bakteriális anyagcsere hálózatok horizontális géntranszferrel történő bővülése során működhet a jelenség: számos olyan „ugródeszka” enzim létezik, amely megszerzése önmagában is előnyös bizonyos környezetekben és egyben közvetlenül hozzájárul egy következő tápanyag lebontásához. Ezután több száz bakteriális genom filogenetikai vizsgálatával kimutattuk, hogy a többlépéses útvonalak ugródeszka enzimei valóban hamarabb jelennek meg, mint az útvonal többi lépése. Végezetül labóratóriumi evolúciós kísérletekkel igazoltuk, hogy két, kémiailag rokon tápanyagforrás hasznosításának evolúciója függ egymástól: az egyik tápanyaghoz a vad típusú kólibaktérium nem tud alkalmazkodni csak miután a másik tápanyag lebontásának képességére szert tett. A többféle környezeti kihívás tehát elősegíti a komplex anyagcsereutak evolúcióját. Eredményeiknek gyakorlati jelentősége is lehet. A biotechnológia egyik fontos célja, hogy új, hasznos tulajdonságú módosított mikrobákat hozzon létre. Ennek egyik módozata a laboratóriumi evolúciót használja fel új kémiai vegyületeket termelő mikrobák kitenyésztésére. Eredményeik alapján az új biokémiai útvonalak laboratóriumi evolúciója bizonyos esetekben felgyorsítható, ha nem csak a végtermékre, hanem a közti termékekre is szelekció zajlik.