[論文レビュー] Chirality as an Instrument of Stratification of Hierarchical Systems in Animate and Inanimate Nature

V. A. Tverdislov|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2012

Origins and Evolution of Life参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、生物的・非生物的両方の階層的系におけるキラリティの非対称性が、D-L-D-L または L-D-L-D のようにレベルを跨いでキラリティの符号が交互に変化する仕組みを通じて、構造的複雑性を駆動する包括的法則を提唱する。この結果、キラリティの優位性を保ちつつ、補完的でキラリティ不変のモジュールが形成され、これが分子マシンや生物進化の基盤をなす。炭素のキラリティ能⼒が、地球における生命のモジュラー的・反エントロピー的発展を可能にする。

ABSTRACT

The article seeks to formulate a synergetic law that is posited to be of common physicochemical and biological nature: an evolving system, possessing free energy and elements with chiral asymmetry may change the type of symmetry inside one hierarchical level, thereby increasing its "complexity", but preserving the sign of predominant chirality ("right"-D or "left"-L twist). The same system has a tendency to spontaneous formation of a succession of hierarchical levels with alternating chirality sign of de-novo formed structures and with an increase of the structures' relative scale. In the living systems the hierarchy principle of conjugated levels of macromolecular structures, starting with the "lower" level of asymmetrical carbon, serves as an anti-entropic factor and also as the structural basis of the "selected mechanical degrees of freedom" in the molecular machines. Observations present evidence of regular alternations of the chirality sign D-L-D-L and L-D-L-D for DNA and protein structures, respectively, during the transition of DNA and proteins to a higher level of structural and functional organization. Sign-alternating chiral hierarchies of DNA and proteins, in turn, form a complementary conjugated pair that is an achiral invariant, which closes a molecular biological module of living systems. The ability of a carbon atom to form chiral compounds is a significant factor that defined carbon basis of living systems on Earth, and also their development via succession of chiral bifuractions. Restricted by the chirality sign, the hierarchy principle of macromolecular structures determined the "modular" character of biological evolution.

研究の動機と目的

• キラリティの非対称性を通じて階層的システムにおける複雑性の出現を支配する普遍的シンナージック原理を同定すること。
• DNA やタンパク質のようなマクロマクロ分子におけるキラリティ階層が、反エントロピー的組織と機能的モジュラリティをどのように維持するかを説明すること。
• 構造的レベルを跨いでキラリティ符号の交互な変化（D-L-D-L）が、閉じたキラリティ不変の分子生物学的モジュールを形成することを示すこと。
• 炭素原子のキラリティの性質が、生物学的進化のモジュラー的・不可逆的進行に中心的役割を果たす理由を結びつけること。

提案手法

• 自由エネルギーとキラリティ要因を有する系の対称性破壊ダイナミクスを分析し、階層的分層化をモデル化する。
• 非線形ダイナミクスと自己組織化の原則を適用して、キラリティが交互に変化する階層的レベル間の遷移を記述する。
• DNA やタンパク質といったキラリティマクロマクロ分子の構造的および機能的役割を、複数の組織的レベルにわたり検討する。
• 「選択された力学的自由度」の概念を用いて、キラリティ階層が分子マシンの機能をどのように可能にするかを説明する。
• 各レベルにおけるキラリティ分岐が、優位なキラリティの符号を保持しつつ、複雑性の増大を可能にするという仮説を提示する。
• キラリティ階層が、符号の反転に対して不変な共役的・補完的ペアを形成する理論的枠組みを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラリティの非対称性は、生物的・非生物的物質の両方における階層的システムの分層化をどのように駆動するか？
• RQ2 D と L のキラリティ符号の交互な変化が、構造的・機能的複雑性の出現に果たす役割は何か？
• RQ3 DNA やタンパク質におけるキラリティ階層は、どのように補完的でキラリティ不変の分子モジュールを形成するか？
• RQ4 炭素原子がキラリティ化合物を形成できる能力が、生物学的進化のモジュラー的性質に中心的役割を果たすのはなぜか？
• RQ5 階層的遷移の過程で優位なキラリティ符号が保持されることで、反エントロピー的組織がどのように実現されるか？

主な発見

• 本稿では、キラリティの非対称性が、優位なキラリティの符号（D または L）を保持しつつ階層的システムの複雑性を増大可能にする包括的法則を同定した。
• DNA やタンパク質の構造は、より高い構造的レベルへの移行に伴い、D-L-D-L および L-D-L-D のようにキラリティ符号が規則正しく交互に変化する。
• DNA とタンパク質における符号が交互に変化するキラリティ階層の共役ペアは、閉じたキラリティ不変モジュールを形成し、分子生物学的機能の安定化に寄与する。
• 炭素レベルにおけるキラリティが、連続するキラリティ分岐を通じて、モジュラー的で不可逆的な生物学的進化の進行を可能にする。
• キラリティが交互に変化するマクロマクロ分子の階層的組織は、分子マシンにおける「選択された力学的自由度」の構造的基盤を提供する。
• スケールが増大し、キラリティ符号が交互に変化する階層的レベルの系列を形成する傾向は、複雑性の出現の根本的メカニズムである。