Grundidee

Der US-amerikanische Biologe Stuart Alan Kauffmann (geboren 1939) sprach in einer Veröffentlichung aus dem jahr 1990^[1] von Frozen Components als Teile komplexer Systeme. Diese Systeme müssten auf eine sogenannten Fitnesslandschaft evoluieren. Je glatter die Landschaft war, desto eher bildeten die Modellorganismen feste Module oder Komponenten aus, die Frozen Components.

Definitionen

Der Begriff der eingefrorenen Komponenten ist eng verbunden mit der Erforschung biologischer Evolution mit Hilfe von sogenannten logischen Netzwerken. Logische Netzwerke sind eine Form computerbasierter Modelle.

DEFINITION:

"Eine eingefrorene Komponente ist eine Menge von Knoten [z. B. in einem Boolschen Netzwerk] in Verbindung mit einem Attraktor, die sich nicht verändert, wenn man sich entlang des Attraktors bewegt. Das heißt eingefrorene Komponenten stehen für Gene die unter bestimmten Anfangsbedingungen für einen Attraktor anästhetisiert sind."^[8]

Das Konzept geht spätestens zurück auf Stuart Kaufmann, der es spätestens im Jahr 1990 vorgestellt hat^[8], möglicherweise auch auch Francis Crick: . Später wurde der Gedanke weiter ausgearbeitet.

ZITAT:

"Francis Crick^[9] schlug das Szenario eines 'eingefroreren Zufalls (accident)' für die Evolution des genetischen Codes vor. [doodle] So betrachtet haben alle aktuellen Lebensformen denselben Code. Jede Änderung [doodle] wäre hochgradig nachteilig."^[10]

ZITAT:

Francis Crick: "Diese Theorie besagt, dass der genetische Code universell ist, da jede Veränderung derzeit letal wäre oder zumindest einen starken Selektionsdruck erfahren würde. Dies liegt daran, dass der Code in allen Organismen (mit möglicher Ausnahme bestimmter Viren) durch das Auslesen der mRNA die Aminosäuresequenzen so vieler hoch entwickelter Proteinmoleküle bestimmt, dass jede Veränderung dieser Sequenzen äußerst nachteilig wäre, sofern sie nicht von zahlreichen gleichzeitigen Mutationen begleitet würde, um die durch die Codeänderung entstandenen „Fehler“ zu korrigieren. Dies erklärt, warum sich der genetische Code nicht verändert."^[11]

Fußnoten

[1] Stuart Alan Kauffmann: Requirements for evolvability in complex systems: Orderly dynamics and frozen components. In: Physica D: Nonlinear Phenomena. Volume 42, Issues 1–3, June 1990, Pages 135-152. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/016727899090071V

[2] Greg Paperin, David G. Green, Suzanne Sadedin: Dual-phase evolution in complex adaptive systems. In: Journal of the Royal Society. Published:19 January 2010. Dort vor allem das Kapitel 4.6 "Models of Modularity". https://doi.org/10.1098/rsif.2010.0719

[3] G. P. Wagner: Homologues, natural kinds and the evolution of modularity. In: Integr. Comp. Biol. 36, 36–43. 1996. doi:10.1093/icb/36.1.36 (doi:10.1093/icb/36.1.36)

[4] A. S. Yang: Modularity, evolvability, and adaptive radiations: a comparison of the hemi- and holometabolous insects. In: Evol. Dev. 3, 59–72.2001. doi:10.1046/j.1525-142x.2001.003002059.x (doi:10.1046/j.1525-142x.2001.003002059.x).

[5] Stefan Bornholdt, Kim Sneppen: Robustness as an Evolutionary Principle. In: Proceedings: Biological Sciences. Vol. 267, No. 1459 (Nov. 22, 2000), pp. 2281-2286. 6 Seiten. Herausgegeben von der: Royal Society.

[6] Mikhail Makarov: Early Selection of the Amino Acid Alphabet Was Adaptively Shaped by Biophysical Constraints of Foldability. Department of Cell Biology, Faculty of Science, Charles University, BIOCEV, Prague 12843, Czech Republic. In: Journal of the American Chemical Society. 2023, 145, 9, 5320–5329. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.2c12987 (frühe evolutionäre Entstehung des kanonische Alphabets aus 20 Aminosäuren)

[7] Robert P. Bywater: Why twenty amino acid residue types suffice(d) to support all living systems. PLoS ONE 13(10): e0204883. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204883

[8] Frozen Components sind definiert als: "A frozen component is the set of nodes connected to a given attractor that does not change at any time when you iterate along the attractor, i. e., a frozen component represents genes which are anesthesized under a given attractor/initial conditions." Sowie: "we have proposed a computer simulation of evolution operating on logical networks. The scenario mimics an evolution of gene regulatory circuits that is governed by the requirement of robustness only." Die Autoren nehmen ausdrücklich Bezug auf Stuart Kauffmanns Konzept im Zusammenhang mit "Boolean Networks". In: Stefan Bornholdt, Kim Sneppen: Robustness as an Evolutionary Principle. In: Proc. R. Soc. Lond. B 267 (2000) 2281-2286. Online: https://arxiv.org/abs/cond-mat/0003333

[9] Crick F.H. The origin of the genetic code. J. Mol. Biol. 1968;38:367–379. doi: 10.1016/0022-2836(68)90392-6.

[10] "Francis Crick propounded the frozen accident scenario for the evolution of the genetic code along with the hypothesis that the early translation system consisted primarily of RNA. Under the frozen accident perspective, the code is universal among modern life forms because any change in codon assignment would be highly deleterious." In: Koonin EV. Frozen Accident Pushing 50: Stereochemistry, Expansion, and Chance in the Evolution of the Genetic Code. Life (Basel). 2017 May 23;7(2):22. doi: 10.3390/life7020022. PMID: 28545255; PMCID: PMC5492144.

[11] "The genetic code that defines the rules of translation from the 4-letter nucleic acid alphabet to the 20-letter alphabet of proteins is arguably the single central informational invariant of all life forms". In: Koonin EV. Frozen Accident Pushing 50: Stereochemistry, Expansion, and Chance in the Evolution of the Genetic Code. Life (Basel). 2017 May 23;7(2):22. doi: 10.3390/life7020022. PMID: 28545255; PMCID: PMC5492144.

[12] "This theory states that the code is universal because at the present time any change would be lethal, or at least very strongly selected against. This is because in all organisms (with the possible exception of certain viruses) the code determines (by reading the mRNA) the amino acid sequences of so many highly evolved protein molecules that any change to these would be highly disadvantageous unless accompanied by many simultaneous mutations to correct the “mistakes” produced by altering the code. This accounts for the fact that the code does not change." In: Crick F.H. The origin of the genetic code. J. Mol. Biol. 1968;38:367–379. doi: 10.1016/0022-2836(68)90392-6.