[論文レビュー] Origin of Information Encoding in Nucleic Acids through a Dissipation-Replication Relation

Julián Mejía, Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2018

Origins and Evolution of Life参考文献 74被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、原始地球のUVC光子の散逸によるエントロピー生成を最大化する熱力学的義務によって、遺伝子コードが発生したと提案する。アミノ酸は、光子散逸を促進するためのステレオ化学的親和性に基づき核酸に結合し、この散逸-複製フィードバックループが初期DNA/RNAにおける情報の選択とエンコードを駆り、生命の起源とダーウィニズム的進化の非平衡熱力学的基盤を提供する。

ABSTRACT

Ultraviolet light incident on organic material can initiate its spontaneous dissipative structuring into chromophores which can then catalyze their own replication. This may have been the case for one of the most ancient of all chromophores dissipating the Archean UVC photon flux, the nucleic acids. Under the empirically established imperative of increasing entropy production, nucleic acids with affinity to particular amino acids which foment UVC photon dissipation would have been "thermodynamically selected" through this dissipation-replication relation. Indeed, we show here that those amino acids with characteristics most relevant to fomenting UVC photon dissipation are precisely those with greatest affinity to their codons or anticodons. This could provide a physical-chemical mechanism for the accumulation of information in nucleic acids relevant to the dissipation of the externally imposed photon potential. This mechanism could provide a non-equilibrium thermodynamic foundation, based on increasing global entropy production of the biosphere, for the tenants of Darwinian natural selection. We show how this mechanism might have begun operating at the origin of life in the Archean, and how, in fact, it still operates today, albeit indirectly through complex biosynthetic pathways now operating in the visible.

研究の動機と目的

• 遺伝子コードにおいて特定のアミノ酸がそのコドンに結びついた理由という、長年の問題を解消すること。
• 非平衡熱力学に基づく物理的・化学的メカニズムを提示し、核酸における情報エンコードの起源を説明すること。
• RNAワールド仮説に挑戦し、DNAがUVC光子散逸においてより安定で効率的であるため、初期段階で重要な役割を果たした可能性を主張すること。
• エントロピー生成と光子散逸の観点から、アミノ酸とコドン/アンチコドンのステレオ化学的親和性に因果関係を確立すること。
• グローバルエントロピー生成を増加させる義務が、初期自己複製系の選択と複製を駆り立てた可能性を示すこと。

提案手法

• 一般化された化学ポテンシャル（太陽光子フラックス）の下で、有機分子の自己組織化をモデル化するために、古典的非平衡熱力学（CIT）および非平衡熱力学の原則を適用する。
• 原始地球においてUVC光子散逸が主要なエネルギー源であったと特定し、有機分子における散逸構造の形成を駆り立てる。
• DNAおよびRNAにおけるアミノ酸側鎖と塩基（プリン・ピュリノール）のステレオ化学的親和性を分析し、これと光子散逸効率を関連付ける。
• Yarusらのアミノ酸-核酸結合親和性に関する実験データを用い、強いステレオ化学的相互作用がUVC吸収および散逸を促進するアミノ酸と相関していることを示す。
• 光子散逸能が優れた核酸複合体がより効率的に複製されるUVC駆動型テンプレート複製（UVTAR）メカニズムを提案する。
• DNAとRNAの光子散逸能を比較し、両者が同等であるが、原始地球の条件下でDNAの方がより安定であると結論づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム形成の可能性が極めて低い中で、アミノ酸とコドンの特定の関係はどのようにして成立したのか？
• RQ2 初期遺伝子コードにおける特定のアミノ酸の選択を駆り立てる物理的・化学的メカニズムは何か？
• RQ3 光子散逸によるエントロピー生成を増加させる義務が、初期自己複製系に選択的圧力を及ぼした可能性は何か？
• RQ4 RNAワールド仮説に反して、なぜDNAが生命の起源においてRNAよりも好ましかったのか？
• RQ5 アミノ酸と核酸塩基のステレオ化学的親和性が、UVC光子の散逸能にどの程度相関しているか？

主な発見

• 核酸塩基（特にプリンとピュリノール）との親和性が最も高いアミノ酸は、UVC光子散逸を促進する性質を有しており、結合とエネルギー散逸の間に機能的関連があることが示唆される。
• 光子散逸-複製フィードバックループ（光子散逸能が高い複合体がより効率的に複製される）が、初期遺伝情報の選択の熱力学的基盤を提供する。
• 原始地球の表面条件下で、DNAはRNAよりも熱力学的に安定であることが示され、生命の起源におけるDNAの初期的役割を支持する。
• アミノ酸のR基とDNA塩基との間のステレオ化学的親和性は、RNAよりも強いことが示され、DNAが初期情報エンコードにおいて主要な役割を果たした可能性を示唆する。
• 芳香族アミノ酸およびアデニンのような塩基は、単純な光化学的経路により非生物的条件下で生成可能であり、原始系に早期に存在した可能性を支持する。
• 現代ゲノムにおける変化のないコドンの割り当ての持続は、初期の熱力学的に選択された関係が進化の過程で保存されたことを示唆する。