[論文レビュー] On two quantum approaches to adaptive mutations in bacteria

Vasily Ogryzko|ArXiv.org|May 28, 2008

Quantum Mechanics and Applications参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、Q-cellおよびQ-genomeの2つのモデルを用いて、細菌における適応的突然変異を説明する量子理論的枠組みを提案する。『フラクチュエーショントラッピング』モデルを導入し、R誤りとD誤りの相関を含む。環境的ストレスがデコherenceを引き起こし、『仮想時間』におけるユニタリ動的変化から現実時間におけるリプリケーションへの遷移を引き起こすと主張する。この遷移により、有益なゲノム変異が選択的に増幅される。

ABSTRACT

I compare two quantum-theoretical approaches to the phenomenon of adaptive mutations, termed here Q-cell and Q-genome. I use 'fluctuation trapping' model as a general framework. I introduce notions of R-error and D-error and argue that the 'fluctuation trapping' model has to employ a correlation between the R- and D- errors. Further, I compare how the two approaches can justify the R-D-error correlation, focusing on the advantages of the Q-cell approach. The positive role of environmentally induced decoherence (EID) on both steps of the adaptation process is emphasized. A starving bacterial cell is proposed to be in an einselected state. The intracellular dynamics in this state has a unitary character and I propose to interpret it as 'exponential growth in imaginary time', analogously to the commonly considered 'diffusion' interpretation of the Schroedinger equation. Addition of a substrate leads to Wick rotation and a switch from 'imaginary time' reproduction to a 'real time' reproduction regime. Due to the variations at the genomic level (such as base tautomery), the starving cell has to be represented as a superposition of different components, all 'reproducing in imaginary time'. Adidtion of a selective substrate, allowing only one of these components to amplify, will cause Wick rotation and amplification of this component, thus justifying the occurence of the R-D-error correlation. Further ramifications of the proposed ideas for evolutionary theory are discussed.

研究の動機と目的

• 量子理論的モデルを用いて、細菌における適応的突然変異の現象を説明すること。
• ストレス下で非ランダムな突然変異がどのように生じるかというパラドックスに、古典的進化理論に挑戦する形で対処すること。
• 環境的ストレスが栄養欠乏状態の細胞に量子的類似ダイナミクスを誘発するメカニズムを提案すること。
• 量子コherー, デコherenceを用いて、リプリケーション（R）誤りと損傷（D）誤りの相関を正当化すること。
• ユニタリ進化やWick回転といった量子概念を、進化生物学の枠組みに統合すること。

提案手法

• 突然変異と選択のダイナミクスを記述する一般枠組みとして『フラクチュエーショントラッピング』モデルを使用する。
• ゲノム不安定性において相関する変数としてR誤り（リプリケーション誤り）とD誤り（損傷誤り）を導入する。
• 栄養欠乏状態の細菌細胞を、ユニタリ的で『仮想時間』ダイナミクスを示す einselected 状態としてモデル化する。
• 基質の添加に伴い、仮想時間進化から現実時間リプリケーションへの遷移をWick回転を用いて適用する。
• ゲノムを、それぞれが仮想時間で進化する状態の重ね合わせとして表現し、環境的シグナルに応じて選択的に増幅される。
• 環境的誘発デコherence（EID）を用いて、量子的類似ダイナミクスから古典的選択への遷移を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子理論的モデルを用いて、細菌における適応的突然変異をどのように説明できるか？
• RQ2 環境的ストレスが細菌細胞における量子的類似ダイナミクスを誘発する役割を果たすか？
• RQ3 提案された枠組みにおいて、R誤りとD誤りの相関はどのように確立されるか？
• RQ4 仮想時間進化が細菌適応の文脈で果たす意義は何か？
• RQ5 環境的デコherenceを介して、量子的ダイナミクスから古典的選択への遷移はどのように起こるか？

主な発見

• 『フラクチュエーショントラッピング』モデルでは、適応的突然変異を説明するためにR誤りとD誤りの相関が必要である。
• 栄養欠乏状態の細菌細胞は、ユニタリ的で『仮想時間』ダイナミクスを示す einselected 状態にあるとモデル化される。
• 選択的基質の添加により、Wick回転が発生し、仮想時間から現実時間へのダイナミクスの切り替えが起こる。
• Q-cellアプローチは、細胞レベルのコherー, に焦点を当てているため、Q-genomeアプローチよりもR-D誤り相関をより明確に正当化できる。
• 環境的誘発デコherence（EID）は、適応の2段階（突然変異と選択）の両方において、肯定的な役割を果たす。
• 量子重ね合わせと環境的トリガーを用いて、有益なゲノム変異の選択的増幅が説明できる。