20 research outputs found
Modelling Early Transitions Toward Autonomous Protocells
This thesis broadly concerns the origins of life problem, pursuing a joint
approach that combines general philosophical/conceptual reflection on the
problem along with more detailed and formal scientific modelling work oriented
in the conceptual perspective developed. The central subject matter addressed
is the emergence and maintenance of compartmentalised chemistries as precursors
of more complex systems with a proper cellular organization. Whereas an
evolutionary conception of life dominates prebiotic chemistry research and
overflows into the protocells field, this thesis defends that the 'autonomous
systems perspective' of living phenomena is a suitable - arguably the most
suitable - conceptual framework to serve as a backdrop for protocell research.
The autonomy approach allows a careful and thorough reformulation of the
origins of cellular life problem as the problem of how integrated autopoietic
chemical organisation, present in all full-fledged cells, originated and
developed from more simple far-from-equilibrium chemical aggregate systems.Comment: 205 Pages, 27 Figures, PhD Thesis Defended Feb 201
The Evolution of complexity in self-maintaining cellular information processing networks
We examine the role of self-maintenance (collective autocatalysis) in the evolution of computational biochemical networks. In primitive proto-cells (lacking separate genetic machinery) self-maintenance is a necessary condition for the direct reproduction and inheritance of what we here term Cellular Information Processing Networks (CIPNs). Indeed, partially reproduced or defective CIPNs may generally lead to malfunctioning or premature death of affected cells. We explore the interaction of this self-maintenance property with the evolution and adaptation of CIPNs capable of distinct information processing abilities. We present an evolutionary simulation platform capable of evolving artificial CIPNs from a bottom-up perspective. This system is an agent-based multi-level selectional Artificial Chemistry (AC) which employs a term rewriting system called the Molecular Classifier System (MCS). The latter is derived from the Holland broadcast language formalism. Using this system, we successfully evolve an artificial CIPN to improve performance on a simple pre-specified information processing task whilst subject to the constraint of continuous self-maintenance. We also describe the evolution of self-maintaining, crosstalking and multitasking, CIPNs exhibiting a higher level of topological and functional complexity. This proof of concept aims at contributing to the understanding of the open-ended evolutionary growth of complexity in artificial systems
Autocatalytic closure and the evolution of cellular information processing networks
Cellular Information Processing Networks (CIPNs) are chemical networks of interacting molecules occurring in living cells. Through complex molecular interactions, CIPNs are able to coordinate critical cellular activities in response to internal and external stimuli. We hypothesise that CIPNs may be abstractly regarded as subsets of collectively autocatalytic (i.e., organisationally closed) reaction networks. These closure properties would subsequently interact with the evolution and adaptation of CIPNs capable of distinct information processing abilities. This hypothesis is motivated by the fact that CIPNs may require a mechanism enabling the self-maintenance of core components of the network when subjected to internal and external perturbations and during cellular divisions. Indeed, partially replicated or defective CIPNs may lead to the malfunctioning and premature death of the cell.
In this thesis, we evaluate different existing computational approaches to model and evolve chemical reaction networks in silico. Following this literature review, we propose an evolutionary simulation platform capable of evolving artificial CIPNs from a bottom-up perspective. This system is a novel agent-based Artificial Chemistry (AC) which employs a term rewriting system called the Molecular Classifier System (MCS.bl). The latter is derived from the Holland broadcast language formalism.
Our first series of experiments focuses on the emergence and evolution of selfmaintaining molecular organisations in the MCS.bl. Such experiments naturally relate to similar studies conducted in ACs such as Tierra, Alchemy and α-universes. Our results demonstrate some counter-intuitive outcomes, not indicated in previous literature. We examine each of these āunexpectedā evolutionary dynamics (including an elongation catastrophe phenomenon) which presented various degenerate evolutionary trajectories. To address these robustness and evolvability issues, we evaluate several model variants of the MCS.bl. This investigation illuminates the key properties required to allow the self-maintenance and stable evolution of closed reaction networks in ACs. We demonstrate how the elongation catastrophe phenomenon can be prevented using a multi-level selectional model of the MCS.bl (which acts both at the molecular and cellular level). Using this multi-level selectional MCS.bl which was implemented as a parallel system, we successfully evolve an artificial CIPN to perform a simple pre-specified information processing task. We also demonstrate how signalling crosstalk may enable the cooperation of distinct closed CIPNs when mixed together in the same reaction space. We finally present the evolution of closed crosstalking and multitasking CIPNs exhibiting a higher level of complexity
Modelling early transitions toward autonomous protocells.
252 p.La transiciĆ³n entre materia inerte y viviente sigue constituyendo un problema abierto en ciencia. Las lĆneas de investigaciĆ³n actuales en el campo del origen de la vida, ya sean basadas en molĆ©culas replicativas individuales o en la nueva visiĆ³n protocelular del problema, estĆ”n tĆpicamente orientadas hacia una concepciĆ³n evolutiva de lo vivo. De acuerdo a esta concepciĆ³n, el interĆ©s fundamental se centra en descubrir cĆ³mo molĆ©culas o ensamblados quĆmicos prebiĆ³ticamente plausibles comenzaron a replicarse, a engarzarse en dinĆ”micas selectivas y a aumentar en complejidad -- en Ćŗltimo tĆ©rmino, hacia la complejidad bioquĆmica de las cĆ©lulas vivas. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema del origen de vida celular desde una plataforma conceptual alternativa, la perspectiva de los sistemas autĆ³nomos, la cual pivota sobre la teorĆa de la AutonomĆa BiolĆ³gica. Desde dicha perspectiva sistĆ©mica de la organizaciĆ³n celular, las transiciones clave en el origen de la vida deben ser reformuladas en tĆ©rminos de cĆ³mo determinados sistemas quĆmicos compartimentados (es decir, protocĆ©lulas) comenzaron a desarrollar infraestructuras quĆmicas integradas para poder mantenerse en condiciones alejadas del equilibrio; y, a continuaciĆ³n, cĆ³mo estas infraestructuras integradas pasaron a constituir la organizaciĆ³n autopoiĆ©tica que despliegan las cĆ©lulas propiamente biolĆ³gicas. La autonomĆa define un marco global cualitativamente distinto --y tambiĆ©n mĆ”s amplio y apropiado, se argumenta-- para conducir y dar sentido a la investigaciĆ³n cientĆfica sobre protocĆ©lulas.El trabajo presentado en esta tesis resulta de un bucle en el que se entrelazan la reflexiĆ³n filosĆ³fica sobre el problema del origen de la vida y la modelizaciĆ³n cientĆfica en torno a los sistemas proto-celulares. PodrĆamos decir que constituye una demostraciĆ³n prĆ”ctica de cĆ³mo la interacciĆ³n directa entre ciencia y filosofĆa es capaz de dar lugar a intuiciones nuevas y fructĆferos resultados en torno a un problema complejo, como lo es la transiciĆ³n desde la fĆsica y la quĆmica hacia la biologĆa. A nivel conceptual, este trabajo de tesis doctoral se adentra en la concepciĆ³n de vida como autonomĆa y analiza las implicaciones (radicales) que esta visiĆ³n organizativa y sistĆ©mica de lo vivo tiene en el planteamiento sobre las transiciones principales de la evoluciĆ³n proto-celular. A nivel cientĆfico, la tesis se ha construido en torno a la elaboraciĆ³n de modelos proto-celulares realistas, Āæsemi-empĆricosĀæ, mediante los cuales se ha pretendido iluminar los primeros pasos que deben darse, desde un escenario fĆsico-quĆmico generalista, hacia los sistemas autĆ³nomos mĆ”s primitivos o mĆnimos. A lo largo de todo el trabajo, ambos niveles de anĆ”lisis, conceptual y cientĆfico, se retroalimentan, quedando profundamente imbricados y mutuamentereforzados: los aspectos conceptuales resultan esenciales para definir y destacar el valor de las cuestiones cientĆficas abordadas, mientras que la labor de carĆ”cter propiamente cientĆfico hace posible una mayor especificaciĆ³n de algunas problemĆ”ticas que tienden a ser desdeƱadas en el campo de investigaciĆ³n de la quĆmica prebiĆ³tica, incluyendo los enfoques proto-celulares.Objetivos principalesLos objetivos principales de esta tesis doctoral son los siguientes:1. Explicar de quĆ© manera(s) la perspectiva de la autonomĆa biolĆ³gica condiciona el programa de investigaciĆ³n sobre el origen de la vida, detallando el conjunto de cuestiones cientĆficas que dicha perspectiva lleva a tratar, asĆ como las transiciones prebiĆ³ticas que plantea como fundamentales -- en contraste con el paradigma evolutivo establecido en el campo.2. Explorar las raĆces fĆsico-quĆmicas de la autonomĆa biolĆ³gica, identificando y poniendo en relieve un Ć”rea ciega en la investigaciĆ³n actual sobre proto-cĆ©lulas: a saber, la modelizaciĆ³n teĆ³rica rigurosa de sistemas quĆmicos elementales en interacciĆ³n con compartimentos lipĆdicos dinĆ”micos. Argumentar en quĆ© sentido este escenario prebiĆ³tico constituye una transiciĆ³n necesaria hacia formas de autonomĆa protocelular bĆ”sica o mĆnima.3. Desarrollar modelos protocelulares semi-empĆricos que aporten nuevas claves sobre la cuestiĆ³n del acoplamiento temprano entre reacciones quĆmicas y compartimentos lipĆdicos dinĆ”micos, previo a la apariciĆ³n de cĆ©lulas metabĆ³licas -- es decir, propiamente auto-productivas.4. Examinar pormenorizadamente las implicaciones de dicho trabajo de modelizaciĆ³n sobre el marco conceptual general de la autonomĆa y, mĆ”s especĆficamente, en lo que se refiere a su aplicaciĆ³n al contexto del origen de la vida.5. Identificar y explicar los retos futuros a los que se enfrenta la modelizaciĆ³n semi-empĆrica de sistemas proto-celulares, proponiendo estrategias para avanzar en la comprensiĆ³n sobre cĆ³mo dichos sistemas fueron desarrollando comportamiento autĆ³nomo.A continuaciĆ³n se ofrece un compendio de los contenidos de este trabajo de tesis doctoral, destacando las ideas principales y la lĆnea conceptual bĆ”sica que se ha seguido. Los capĆtulos 1-3 consisten en una introducciĆ³n extendida al trabajo, incluyendo una revisiĆ³n detallada de la bibliografĆa previa relevante. Esta parte inicial establece el marcoteĆ³rico general desde el cual se enfoca el problema del origen de la vida en la tesis, examinando cuidadosamente las implicaciones que la perspectiva de la autonomĆa tiene sobre el programa de investigaciĆ³n en sistemas proto-celulares, antes de acometer la identificaciĆ³n y especificaciĆ³n de los problemas concretos que se someterĆ”n a modelizaciĆ³n en la misma, como contribuciĆ³n de naturaleza mĆ”s estrictamente cientĆfica.Sumario de contenidosEsta tesis comienza en el CapĆtulo 1 con un repaso general introductorio sobre la investigaciĆ³n en sistemas proto-celulares. Dentro del campo del origen de la vida, las proto-cĆ©lulas (sistemas fĆsico-quĆmicos compartimentados que se asemejan de un modo mĆ”s o menos distante a las cĆ©lulas vivas) se perciben cada dĆa mĆ”s como un puente fundamental hacia los sistemas biolĆ³gicos. Pueden citarse muchas razones por las que la presencia de compartimentos auto-ensamblados desde fases muy tempranas en el origen de la vida es beneficiosa, al tiempo que altamente plausible. Los argumentos a favor de su relevancia prebiĆ³tica abarcan desde el papel que pudieron jugar como `localizadoresĀæ o `segregadoresĀæ de poblaciones moleculares (permitiendo su evoluciĆ³n) hasta el de establecer el andamiaje y las condiciones quĆmicas adecuadas para acoger y potenciar complejas secuencias de reacciones quĆmicas interconectadas.No obstante, aunque constituyan un vehĆculo Ćŗtil para explicar el proceso de abiogĆ©nesis, las protocĆ©lulas son mĆ”s bien neutrales desde un punto de vista conceptual y, tomadas en un sentido amplio, no definen un programa de investigaciĆ³n especĆfico sobre el origen de vida -- sobre todo bajo la asunciĆ³n de que Ć©sta debe convertirse en celular en algĆŗn momento. De hecho, en la prĆ”ctica, las proto-cĆ©lulas son empleadas en programas de investigaciĆ³n cientĆfica que se adhieren a visiones generales notablemente divergentes sobre lo que el fenĆ³meno `vidaĀæ lleva consigo. Distintos autores mantienen (implĆcita o explĆcitamente) concepciones muy diferentes sobre lo que es la vida y estas concepciones se filtran y sesgan el tipo de experimentos y de modelos protocelulares que impulsan, asĆ como la manera en que interpretan los resultados de dichos experimentos.Por tanto, una labor de reflexiĆ³n teĆ³rica y filosĆ³fica mĆ”s profunda sobre lo que constituye `vidaĀæ es de central importancia para la investigaciĆ³n proto-celular y, mĆ”s en general, para el estudio del origen de los sistemas biolĆ³gicos. A pesar de que persisten las dificultades a la hora de establecer una clara ĀælĆnea divisoriaĀæ, universalmente aceptada, entre el mundo inerte y el viviente, los investigadores de campos como el origen de la vida, la vida artificial o la biologĆa sintĆ©tica se siguen demarcando segĆŗn dos amplias corrientes conceptuales. El objetivo del CapĆtulo 2 es explicar, en detalle, los principios bĆ”sicos sobre los que se articulan dichas corrientes conceptuales. La corriente dominante en la actualidad, que mantiene una visiĆ³n evolutiva de la vida, pivota sobre una perspectivadiacrĆ³nica de los sistemas biolĆ³gicos, analizados a travĆ©s de sucesivas generaciones o linajes, de acuerdo a la cual lo vivo se manifestarĆa por primera vez en sistemas quĆmicos capaces de reproducciĆ³n, proliferaciĆ³n, e incremento de complejidad por procesos de competiciĆ³n y selecciĆ³n. Esta perspectiva se apoya en la extensiĆ³n de los principios evolutivos (como por ejemplo, el mecanismo de la selecciĆ³n natural) a unidades mucho mĆ”s simples que los organismos vivos, y subyace a hipĆ³tesis de trabajo como la del `mundo ARNĀæ o al proyecto de la `ribo-cĆ©lulaĀæ. La corriente alternativa, menos extendida en el campo de los orĆgenes hasta la fecha, se apoya sobre una visiĆ³n de la vida como autonomĆa (o `autopoiesisĀæ), interpretando los sistemas biolĆ³gicos desde una perspectiva sincrĆ³nica, que se centra en el estudio del tipo de organizaciĆ³n de componentes y procesos que los caracteriza, aquĆ y ahora, como sistemas alejados del equilibrio pero de gran robustez dinĆ”mica. Esta concepciĆ³n defiende enfoques como los de la `quĆmica de sistemasĀæ (acoplamiento de redes auto-catalĆticas) o el `mundo de los lĆpidosĀæ.A pesar de que las lĆneas de investigaciĆ³n prebiĆ³tica mĆ”s importantes en la actualidad se encuadran dentro la concepciĆ³n evolutiva de la vida, en esta tesis doctoral se argumenta que la perspectiva de la autonomĆa, si bien aĆŗn minoritaria, es de hecho el marco conceptual mĆ”s adecuado y abarcador a la hora de encarar el problema del origen de la vida -- en particular, la emergencia de la celularidad. Un punto ciego muy importante de los enfoques evolutivos es que, al percibir que la vida se manifiesta, por encima de todo, `a travĆ©s del tiempoĀæ, adolecen de una falta de rigurosidad en cuanto a la descripciĆ³n de la organizaciĆ³n material, fĆsico-quĆmica, que subyace a un sistema celular con metabolismo propio. Los planteamientos evolutivos asumen implĆcitamente que las cĆ©lulas vivas son redes quĆmicas instruidas genĆ©ticamente e individualizadas en `bolsas lipĆdicasĀæ. Esta nociĆ³n tan dĆ©bil de celularidad se traduce en programas de investigaciĆ³n principalmente enfocados al estudio de conjuntos o poblaciones de especies quĆmicas de relevancia biolĆ³gica que tengan potencial de incrementar por sĆ mismas en complejidad a lo largo del tiempo (tĆpicamente aplicando tĆ©cnicas de evoluciĆ³n artificial, in vitro o in silico). AsĆ, se lleva a cabo un uso meramente instrumental de los compartimentos protocelulares, incluyĆ©ndolos como `contenedores quĆmicosĀæ del sistema tan sĆ³lo en la medida en que se compruebe o se intuya que puedan facilitar la consecuciĆ³n de dicho objetivo evolutivo primario.La perspectiva de la autonomĆa, en cambio, inculca un profundo reconocimiento del complejo entramado organizativo en el que se disponen las molĆ©culas biolĆ³gicas, coordinadas tanto espacialmente como temporalmente, para lograr constituir una cĆ©lula funcional que mantenga su dinĆ”mica alejada del equilibrio. Esta visiĆ³n sistĆ©mica y organizativa de la celularidad se refleja en un empeƱo mucho mĆ”s pronunciado por comprender, en el contexto del origen de la vida, cĆ³mo es posible que surjan y se establezcan sistemas quĆmicos acoplados con los compartimentos en los que son espontĆ”neamente encapsulados, de manera que progresen hacia formas de integraciĆ³ncada vez mĆ”s similares a la complementariedad autopoiĆ©tica, auto-productiva, que caracteriza a las cĆ©lulas vivas. Por tanto, la clave que distingue a la perspectiva de la autonomĆa es su pretensiĆ³n de hacer tan explĆcito y preciso como sea posible el problema del acoplamiento y la integraciĆ³n funcional de componentes y procesos quĆmicos diversos, como un requisito necesario para constituir --en condiciones alejadas del equilibrio termodinĆ”mico-- entidades con identidad y frontera propias. Esto conduce de manera natural, como se muestra en esta tesis, al tratamiento de aspectos especĆficos relacionados con el auto-ensamblaje de compartimentos supramoleculares, su permeabilidad selectiva a distintos componentes moleculares, posibles desequilibrios osmĆ³ticos (y trasvases acuosos compensatorios a travĆ©s de la membrana), canalizaciĆ³n y distribuciĆ³n de recursos energĆ©ticosĀæ aspectos todos ellos en los que la perspectiva evolutiva no suele mostrar mayor interĆ©s.El CapĆtulo 3 explica el modo en que puede implementarse un programa de investigaciĆ³n sobre autonomĆa protocelular, construyendo un puente entre los enfoques cientĆficos y conceptuales descritos los dos primeros capĆtulos. El capĆtulo comienza analizando las razones por las cuales la teorĆa de la autonomĆa biolĆ³gica, a pesar de su relevancia y centralidad, conduce a retos o problemĆ”ticas que no son fĆ”ciles de traducir en modelos simplificados, cuantitativos y precisos. A continuaciĆ³n se revisan las aproximaciones, experimentales y computacionales, que se han venido realizando en el pasado para implementar sistemas autopoiĆ©ticos mĆnimos, in vitro e in silico, descritos como intentos preliminares para la modelizaciĆ³n de sistemas autĆ³nomos, mostrando asimismo sus correspondientes limitaciones. Una vez completada la revisiĆ³n, se introduce el planteamiento Āæsemi-empĆricoĀæ hĆbrido que serĆ” defendido en la tesis como vĆa teĆ³rica, bien apoyada en resultados experimentales realistas, que permite enfrentarse de un modo mĆ”s sĆ³lido y coherente al origen de la autonomĆa protocelular.En la Ćŗltima parte del CapĆtulo 3 se identifica y delimita de manera mĆ”s precisa el Ć”rea concreta en el que este trabajo de tesis doctoral ha llevado a cabo sus contribuciones cientĆficas: la modelizaciĆ³n realista de quĆmicas alejadas del equilibrio que tienen lugar en compartimentos lipĆdicos dinĆ”micos. Esta Ć”rea implica la elaboraciĆ³n de modelos de reactores proto-celulares tempranos, los cuales precedieron a las primeras proto-cĆ©lulas estrictamente auto-productivas. Este tipo de reactor compartimentado inicial no tendrĆa aĆŗn la capacidad de fabricar componentes orgĆ”nicos relativamente complejos (como lĆpidos o pĆ©ptidos), pero habrĆan comenzado a desplegar comportamientos no-lineares y emergentes de relevancia biolĆ³gica.El CapĆtulo 4 proporciona una sĆntesis, sin entrar en mucho detalle tĆ©cnico, de las aportaciones cientĆficas llevadas a cabo. Cuatro modelos diferentes, elaborados durante la realizaciĆ³n de esta tesis, son revisados en secuencia. Entre ellos destaca el trabajo de modelizaciĆ³n de la cinĆ©tica de intercambio de lĆpidos de membrana (con su entornoacuoso), validado de manera rigurosa frente a resultados experimentales, como parte fundamental del modelo semi-empĆrico proto-celular introducido en el CapĆtulo 3. TambiĆ©n se pone de especial relieve otro modelo, planteado a un nivel de complejidad protocelular superior, en el cual ya hay presencia de una cierta quĆmica interna. Con este modelo queda demostrado que el flujo acuoso a travĆ©s de la membrana de vesĆculas relativamente simples (aunque, eso sĆ, de volumen variable) puede contribuir a crear una mayor riqueza de comportamientos dinĆ”micos reactivos, asociados a dicha quĆmica interna. Este tipo de acoplamiento entre reactor y frontera encapsuladora se darĆa en un amplio espectro de condiciones, siempre y cuando el flujo de agua ocurra en respuesta a efectos osmĆ³ticos generados por la propia quĆmica interna. AsĆ pues, en ese punto se introduce y explica pormenorizadamente la idea del `acoplamiento osmĆ³ticoĀæ, como un principio sistĆ©mico general que serĆa de aplicaciĆ³n a toda clase de metabolismo compartimentado, independientemente de su complejidad, siempre que el compartimento sea dinĆ”mico, de volumen variable.Finalmente, en el CapĆtulo 5 se aborda una recapitulaciĆ³n general del trabajo y un debate acerca de las limitaciones del planteamiento semi-empĆrico defendido, asĆ como una serie de indicaciones sobre lĆneas de trabajo de posible interĆ©s para el futuro. Se vuelve a poner en valor la perspectiva organizativa-sistĆ©mica que propugna la teorĆa de la autonomĆa, argumentando a favor de la necesidad de una caracterizaciĆ³n adecuada, bien articulada, de las entidades individuales bĆ”sicas que en definitiva son capaces de evoluciĆ³n biolĆ³gica: las cĆ©lulas vivas. Desde ese punto de vista, alternativo al establecido mayoritariamente en el campo del origen de la vida, se sugiere un conjunto de transiciones prebiĆ³ticas fundamentales que reflejan, en esencia, el hipotĆ©tico desarrollo de poblaciones de sistemas proto-celulares de complejidad creciente.ConclusionesEn definitiva, como resultado de este trabajo de tesis doctoral, podemos extraer las siguientes conclusiones generales:1. La investigaciĆ³n cientĆfica sobre el origen de la vida requiere un importante trabajo de anĆ”lisis y clarificaciĆ³n conceptual. El campo de la quĆmica prebiĆ³tica es un Ć”rea de investigaciĆ³n que se beneficia claramente de la combinaciĆ³n de planteamientos cientĆficos y filosĆ³fico-conceptuales. Cualquier intento de sintetizar sistemas biolĆ³gicos a partir de sus ingredientes o precursores fĆsico-quĆmicos elementales se lleva a cabo desde una determinada concepciĆ³n sobre lo que es `vidaĀæ. Y segĆŗn la interpretaciĆ³n que se haga de este tĆ©rmino, incluso las agendas o programas de investigaciĆ³n enfocados sobre sistemas proto-celulares pueden llegar a ser divergentes, o sorprendentemente diferentes. Portanto, es muy aconsejable que los investigadores reconozcan y hagan lo mĆ”s explĆcita posible su postura sobre esta cuestiĆ³n en sus contribuciones cientĆficas.2. La perspectiva de la autonomĆa, aplicada al problema del origen de la vida, promueve retos de carĆ”cter sistĆ©mico, de gran calado para la quĆmica, asociados a la emergencia de la organizaciĆ³n celular. La aceptaciĆ³n y el despliegue de este tipo de planteamiento lleva emparejado una reformulaciĆ³n radical de las transiciones prebiĆ³ticas y la investigaciĆ³n en sistemas proto-celulares. En particular, preguntarse por la cuestiĆ³n de la autonomĆa mĆnima conduce a programas de investigaciĆ³n que buscan con ahĆnco descubrir los principios y mecanismos moleculares que subyacen a los distintos tipos/grados de acoplamiento funcional (entre componentes y procesos de transformaciĆ³n de dichos componentes) que debieron darse a lo largo del desarrollo de la protocelularidad. Los enfoques sobre proto-cĆ©lulas puramente evolutivos pasan por alto este requerimiento del acoplamiento y la integraciĆ³n funcional, que no obstante es clave para desentraƱar el modo en que diversas estructuras materiales consiguen constituirse como organizaciones celulares. El desarrollo riguroso de una teorĆa sobre la organizaciĆ³n celular y su emergencia en condiciones prebiĆ³ticas pasa por comprender mejor de quĆ© manera distintos compartimentos proto-celulares y quĆmicas proto-metabĆ³licas pueden engarzarse funcionalmente e iniciar un proceso de co-evoluciĆ³n que lleve hacia un comportamiento autĆ³nomo bĆ”sico lo suficientemente robusto.3. La autonomĆa es un concepto multidimensional y heurĆstico que puede transformarse en un conjunto de cuestiones concretas a investigar cientĆficamente mediante la modelizaciĆ³n semi-empĆrica de sistemas proto-celulares. MĆ”s especĆficamente, este tipo de labor de modelizaciĆ³n teĆ³rica se puede aplicar con Ć©xito al estudio de la co-evoluciĆ³n entre membrana y red proto-metabĆ³lica en un contexto protocelular. Los resultados obtenidos, si el modelo estĆ” bien construido y justificado empĆricamente, pueden efectivamente abrir nuevas vĆas de exploraciĆ³n experimental y proporcionar argumentos explicativos complementarios a los enfoques proto-celulares in vitro.4. La sĆntesis de la membrana por parte del metabolismo, como defiende clĆ”sicamente la teorĆa de la autopoiesis, no es estrictamente necesaria para que los sistemas protocelulares comiencen a exhibir comportamientos emergentes, no lineales, de profundo interĆ©s biolĆ³gico. Redes compartimentadas de reacciones quĆmicas con capacidad de fabricar internamente sus propios componentes (como lĆpidos, catalizadores o pĆ©ptidos) pueden considerarse como una etapa intermedia, o relativamente tardĆa, en la evoluciĆ³n de la organizaciĆ³n proto-celular. Previamente deben desarrollarse, con alta probabilidad, otro tipo de proto-cĆ©lulas que presenten acoplamientos mĆ”s dĆ©biles o indirectos entre sus componentes y los procesos transformativos en los que estos estĆ”n involucrados. La especificaciĆ³n rigurosa de este tipo de acoplamientos entre quĆmica ycompartimentos deberĆa pasar a ser uno de los objetivos fundamentales a abordar por la investigaciĆ³n sobre proto-cĆ©lulas que se realice en el futuro5. El acoplamiento osmĆ³tico constituye un nuevo principio o constricciĆ³n general, de carĆ”cter sistĆ©mico, que debe aplicarse sobre proto-cĆ©lulas metabĆ³licas de distinto tipo. Aunque se trata de un aspecto que ha recibido muy poca atenciĆ³n hasta la fecha en el campo del origen de la vida, tiene importantes implicaciones ya que prĆ”cticamente todos los modelos proto-celulares empĆricos en la actualidad estĆ”n basados en vesĆculas que son muy susceptibles a desequilibrios osmĆ³ticos pero, al mismo tiempo, incapaces de regular de manera efectiva su volumen acuoso interno. AsĆ, las variaciones en volumen que se produjeran en las protocĆ©lulas tempranas tendrĆan efectos muy significativos en las dinĆ”micas internas de reacciĆ³n, como se demuestra en este trabajo de tesis doctoral. En particular, una de las publicaciones cientĆficas asociadas a esta tesis explica detalladamente los efectos que el volumen variable de una proto-cĆ©lula puede tener sobre reacciones que, siendo en principio independientes quĆmicamente, por el mero hecho de compartir un mismo espacio reactivo (el definido por el micro-compartimento lipĆdico), se acoplarĆan de manera indirecta pero efectiva, dando lugar a procesos intera
Design principles of cell-free replicators
Der heilige Gral der synthetischen Biologie ist die Erschaffung einer minimalen Zelle, welche sowohl zu autonomer Selbstreplikation als auch zu natĆ¼rlicher Evolution befƤhigt ist. Bereits heute ist es mƶglich das zentrale Dogma der Molekularbiologie, also die Implementierung des genetischen Codes mittels Transkription-Translation, in vitro zu rekonstruieren. Doch die Kopplung dieses Prozesses mit einem vollstƤndigen DNA-Selbstreplikationssystem war bisher nur auf ein paar Kilobasen (kbp) beschrƤnkt, weit entfernt von den vorgeschlagenen 113 kbp die fĆ¼r eine minimale Zelle nƶtig wƤren.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Plattform fĆ¼r die transkriptions-translations-gekoppelte DNA-Replikation vorgestellt, genannt PURErep, welche in der Lage ist Genome mit der vorhergesagten GrƶĆe einer Minimalzelle zu replizieren. Als wichtiger Schritt in Richtung natĆ¼rlicher Evolution kann sich der hier beschriebene Selbstreplikator pREP Ć¼ber mehrere Generationen fortpflanzen, sowohl in vitro als auch in vivo. PURErep ist modular aufgebaut und frei verfĆ¼gbar, sodass es mit beliebigen Funktionen erweitert werden kann. Neben der DNA gibt es weitere Komponenten, die zum Selbsterhalt einer Zelle vermehrt werden mĆ¼ssen. Es konnte gezeigt werden, dass PURErep die simultane Co-Expression mehrerer seiner Proteinkomponenten ermƶglicht. Diese Faktoren waren in der Lage sich aktiv an der Selbst-Regeneration des Systems beteiligen, was einen wichtigen Schritt in Richtung biochemischer Autonomie darstellt.
Weiterhin wurden Mƶglichkeiten zur Selbstreplikation des komplexen Ribosoms erforscht, einem wesentlichen Bestandteil des Translationsapparates. Die de novo Synthese und Assemblierung solcher Ribosomen wird eine entscheidende Rolle fĆ¼r zukĆ¼nftige Entwicklungen spielen. Ein weiteres Merkmal von Zellen stellt ihre HĆ¼lle dar, die Zellmembran. Eine von Grund auf neu geschaffene Minimalzelle mĆ¼sste in der Lage sein, eine Ƥhnliche HĆ¼lle selbst zu produzieren. Es wurde ein effizientes Konzept zur Selbst-Verkapselung des pREP Replikators entwickelt, welches vollkommen ohne zusƤtzlichen Energiebedarf auskommt. Es konnte gezeigt werden, dass diese sogenannten DNA-Nanoflowers Kernstrukturen bildeten und sich Ć¼ber Generation hinweg vermehren kƶnnen.
Insgesamt dienen die in dieser Arbeit dargelegten EntwĆ¼rfe der Weiterentwicklung unabhƤngiger Selbstreplikatoren, welche vielleicht in der Lage sein werden eines Tages natĆ¼rliche Zellen zu imitieren.The holy grail of bottom-up synthetic biology is the creation of a minimal cell capable of autonomous self-replication and open-ended Darwinian evolution. Reconstituting molecular biologyās central dogma, the implementation of genetic information via transcription-translation, is already feasible in vitro. Yet coupling this process to a DNA self-replication system has so far been limited to only a few kilobases (kbp), a far cry from the proposed 113 kbp proposed for a minimal cell.
This work presents the development of a transcription-translation coupled DNA replication platform, called PURErep, which is capable of replicating DNA genomes approaching the proposed size of a minimal cell. As an important step towards Darwinian evolution, the herein described self-replicator pREP can propagate over several generations, both in vitro and in vivo. PURErep is modular and freely available, so that it can be extended with further functions as desired. In addition to DNA, there are other components that need to be replicated for the self-preservation of a cell. It could be shown that PURErep enables the simultaneous co-expression for several of its protein components. These factors were able to actively participate in the self-regeneration of the system, representing an important hallmark of biochemical autonomy.
Furthermore, the self-reproduction of the complex ribosome was investigated, an essential component of the translational apparatus. The de novo synthesis and assembly of such ribosomes will be a crucial step towards future developments. Another feature of cells is their envelope, the cell membrane. A minimal cell created from scratch should be able to produce a similar compartment by itself. An efficient concept for the self-compartmentalization of the pREP replicator has been developed, which requires no additional energy and is entirely based on self-organization. It could be shown that these so-called DNA nanoflowers formed nuclear structures and could reproduce over generations.
Overall, the designs laid out in this work serve to further develop independent self-replicators, which may one day be able to mimic a natural cell
Design and Characterisation of a Novel Artificial Life System Incorporating Hierarchical Selection
In this thesis, a minimal artificial chemistry system is presented, which is inspired by the RNA World hypothesis and is loosely based on Holland's Learning Classier Systems. The Molecular Classier System (MCS) takes a bottom-up, individual-based approach to building artificial bio-chemical networks. The MCS has been developed to demonstrate the effects of hierarchical selection. Hierarchical selection appears to have been critical for the evolution of complexity in life as we know it yet, to date, no computational artificial life system has investigated the viability of using hierarchical selection as a mechanism for achieving qualitatively similar results. Hierarchy in MCS is enforced by constraining artificial molecules, which are modeled as individuals, to exist within externally provided containers - protocells. This research is focused on the period of time surrounding the conjectured first Major Transition - from individual replicating molecules to populations of molecules existing within cells. Protocells can be thought of as simplified versions of contemporary biological cells. Molecular replication within these protocells causes them to grow until they undergo a process of binary fission. Darwinian selection is continuously and independently applied at both the molecular level and the protocell level. Experimental results are presented which display the phenomenon of selectional stalemate where the selectional pressures are applied in opposite directions such that they meet in the middle. The work culminates with the presentation of a stable artificial protocell system which is capable of demonstrating ongoing evolution at the protocell level via hierarchical selection of molecular species. Supplementary results are presented in the Appendix material as a set of experiments where selectional pressure is applied at the protocell level in a manner that indirectly favours particular artificial bio-chemical networks at the molecular level. It is shown that a molecular trait which serves no useful purpose to the molecules when they are not contained within protocells is exploited for the benefit of the collective once the molecules are constrained to live together. It is further shown that through the mechanism of hierarchical selection, the second-order effects of this molecular trait can be used by evolution to distinguish between protocells which contain desirable networks, and those that do not. A treatment of the computational potential of such a mechanism is presented with special attention given to the idea that such computation may indeed form the basis for the later evolution of the complicated Cell Signaling Pathways that are exhibited by modern cells
Adaptation from interactions between metabolism and behaviour: self-sensitive behaviour in protocells
This thesis considers the relationship between adaptive behaviour and metabolism, using theoretical arguments supported by computational models to demonstrate mechanisms of adaptation that are uniquely available to systems based upon the metabolic organisation of self-production.
It is argued how, by being sensitive to their metabolic viability, an organism can respond to the quality of its environment with respect to its metabolic well-being. This makes possible simple but powerful āself-sensitiveā adaptive behaviours such as āIf I am healthy now, keep doing the same as I have been doing ā otherwise do something else.ā This strategy provides several adaptive benefits, including the ability to respond appropriately to phenomena never previously experienced by the organism nor by any of its ancestors; the ability to integrate different environmental influences to produce an appropriate response; and sensitivity to the organismās present context and history of experience. Computational models are used to demonstrate these capabilities, as well as the possibility that self-sensitive adaptive behaviour can facilitate the adaptive evolution of populations of self-sensitive organisms through (i) processes similar to the Baldwin effect, (ii) increasing the likelihood of speciation events, and (iii) automatic behavioural adaptation to changes in the organism itself (such as genetic changes).
In addition to these theoretical contributions, a computational model of self-sensitive behaviour is presented that recreates chemotaxis patterns observed in bacteria such as Azospirillum brasilense and Campylobacter jejuni. The models also suggest new explanations for previously unexplained asymmetric distributions of bacteria performing aerotaxis.
More broadly, the work advocates further research into the relationship between behaviour and the metabolic organisation of self-production, an organisational property
shared by all life. It also acts as an example of how abstract models that target theoretical concepts rather than natural phenomena can play a valuable role in the scientific endeavour
Spatiotemporal Control of Chemical Reaction Networks using Droplet Microfluidics
A number of cellular organisms, such as yeast, bacteria and slime moulds, exhibit dynamic behaviour, in particular switching and rhythms that are controlled by feedback mechanisms in enzyme-catalysed reactions. The mechanisms of these processes are well understood, and recently there has been a focus on generating similar reactions in synthetic biocatalytic systems to establish bioinspired analogues for applications in materials and medicine. In this context, compartmentalisation of biochemical reactions within synthetic cell models such as micelles, vesicles, and W/O/W-based double emulsions is attracting growing attention for applications in the field of therapeutics. In this respect, it is necessary to adopt easier-to-use stimuli-responsive (react to pH, temperature or light) biochemical reactions, to apply artificial cell models to the biomedical context, and regulate artificial cell communication in a spatiotemporal controlled way. As a first step, it is crucial to control the output of a chemical reaction that maybe exploited for applications in the field of programmable materials and biomedicine. Droplet emulsion and synthetic vesicle systems have been widely employed as bioinspired micro- or nanoreactors for production of materials such as hydrogels and ceramic particles. They also provide test platform for biomimetic cell like behaviour.
To address this, we have developed and fine-tuned a platform with synthetic bottom-up chemistry that has enabled us to systematically and thoroughly investigate the effects of entrapment on a feedback-driven enzymatic reaction. As a result of this process, we have revealed a system that is more intricate than originally thought. Firstly, taking advantage from pressure driven droplet microfluidics, we developed a system of enzyme-encapsulated (urea-urease) double emulsion (W/O/W) droplets to obtain a localised pH pulse, with a controllable induction time to program material properties. The urease-catalysed hydrolysis of urea (urea-urea reaction), has a feedback through the production of the base (NH3). This leads to a change from an acidic to a basic pH after an induction time (Tind), resulting in an environment with auto-changing pH conditions. Reaction was initiated by addition of urea and a pulse in base (ammonia) was observed in the droplets after a time lag of the order of minutes. The pH-time profile can be manipulated by the diffusion timescale of urea and ammonia through the oil layer, resulting in localised pH changes not accessible in bulk solutions.
Secondly, we performed a computational investigation of the nonlinear reaction chemistry (urea-urease) within the designed platform of the W/O/W-based reactor. A radially distributed reaction diffusion model is presented for a layered sphere mimicking a double emulsion. Here we have combined the experiments with simulations (shell-core model) to demonstrate the influence of urea transport triggered by the shell, the core and the external solution surrounding the cell model (Āµ-reactor) on the induction time/period (Tind) of urea-urease reaction.
Third, inspired from natural cellular systems (e.g. bacterial quorum sensing), we focus on the use of urea-urease reaction confined to double emulsions to investigate chemical communications. We observed a system that resulted in a system of microreactors acting as individual units with distinct induction periods (Tind) for the first time. We show that in contrast to other systems, the release of ammonia can accelerate the reaction in all the droplets but there is no evident synchronisation of activity characterised by a wide distribution of induction times across the population of micro-reactors. However, the investigation of behaviour of population/group of Āµ-reactors as a function of substrate urea concentration and the density of Āµ-reactors highlights the possibility of transitions to collective behaviours.
Finally, we aimed to use the double emulsion template for potential biomedical and therapeutic applications using the autocatalytic urea-urease reaction. We used the platform to produce thiol-acrylate gels in the form of double emulsion loaded gel films and spherical microcapsules for potential drug delivery applications. In addition, we employed the encapsulated double emulsion platform of the enzyme urease to study the inhibition of the enzyme itself; which is important in the development of anti-microbials for ureolytic bacteria.
By building this platform, we have not only learned how to control the kinetic output of the reaction (urea-urease), but have also demonstrated its potential in future applications
An integrative modelling framework for multicellular systems
Ph. D. Thesis.Multicellular systems exhibit complex population scale behaviour that
emerge from the interactions between constituent cells. Integrative
modelling (IM) techniques are a valuable tool for studying these systems
capturing processes that occur at many temporal and spatial
scales. The application of IM to multicellular systems is challenging
as it is knowledge and resource intensive, additionally there do not
exist effective frameworks or tools, inhibiting its wider application in
Systems and Synthetic biology.
This thesis presents Simbiotics, a novel IM framework for the modelling
of mixed species bacterial consortia. Simbiotics is a spatially
explicit multi-scale modelling platform for the design, simulation and
analysis of bacterial populations. A library of modules simulating
features such as cell geometries, physical force dynamics, genetic circuits,
metabolic pathways, chemical diffusion and cell interactions is
implemented, that the modeller may compose into their own custom
models. Common modelling methods such as Boolean networks,
differential equations, Gillespie models and SBML are implemented.
With the platform in-silico experiments can be conducted with programmed
experiment interactions, data collection and analysis. The
framework is extendable and modular, allowing for the library to be
updated as knowledge progresses. A novel file format for the reuse
and communication of multicellular models and simulation methods
is also implemented. Additionally an intuitive graphical user interface,
Easybiotics, has been developed allowing for multicellular modelling
with minimal programming experience.
Four novel case studies are pursued with Simbiotics studying the emergent
behaviours of multicellular systems. The effect of physical cell
interactions are characterised in the first two studies. Investigation
into how chemical signalling and intracellular dynamics influence population
dynamics and patterns are studied in the final two case studies.
These studies demonstrate how Simbotics can be integrated into a Systems/
Synthetic biology workflow, facilitating the studying of natural
systems and as a CAD tool for developing novel synthetic systems.EPSR