[論文レビュー] Quantum information processing at the cellular level. Euclidean approach

Vasily Ogryzko|ArXiv.org|Jun 23, 2009

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 76被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、生きた細胞における量子情報処理をモデル化するための画期的な「ユークリッド的アプローチ」を提案し、酵素の効率を最適化するための調停状態に近い細胞状態を安定化する「触媒的力」（Cf）という概念を導入する。ユニタリな時間発展とフラクチュエーション・ディスシペーションの定理を活用することで、基底状態から成長状態へのダイナミクスへの移行が可能となり、単一細胞レベルでの非古典的分子相関を検出するための高スルーレートDNAシーケンシングが提案されている。

ABSTRACT

Application of quantum principles to living cells requires a new approximation of the full quantum mechanical description of intracellular dynamics. We discuss what principal elements any such good approximation should contain. As one such element, the notion of "Catalytic force" Cf is introduced. Cf is the effect of the molecular target of catalysis on the catalytic microenvironment that adjusts the microenvironment towards a state that facilitates the catalytic act. This phenomenon is experimentally testable and has an intriguing implication for biological organization and evolution, as it amounts to "optimization without natural selection of replicators". Unlike the statistical-mechanical approaches to self-organization, the Cf principle does not encounter the problem of "tradeoff between stability and complexity" at the level of individual cell. Physically, the Cf is considered as a harmonic-like force of reaction, which keeps the state of the cell close to the ground state, defined here as a state where enzymatic acts work most efficiently. Ground state is subject to unitary evolution, and serves as a starting point in a general strategy of quantum description of intracellular processes, termed here "Euclidean approach". The next step of this strategy is transition from the description of ground state to that one of growing state, and we suggest how it can be accomplished using arguments from the fluctuation-dissipation theorem. Finally, given that the most reliable and informative observable of an individual cell is the sequence of its genome, we propose that the non-classical correlations between individual molecular events at the single cell level could be easiest to detect using high throughput DNA sequencing.

研究の動機と目的

• 統計的力学的モデルの制限を回避する新しい細胞内ダイナミクスの量子力学的近似を開発すること。
• リプロダクターの自然選択に依存せずに、個々の細胞における「安定性と複雑性のトレードオフ」を扱うこと。
• 酵素機能が最大限に効率的である状態としての量子基底状態を定義すること。
• 物理的原理を用いて基底状態から動的で成長する細胞状態への移行を記述するフレームワークを確立すること。
• 高スルーレートDNAシーケンシングを用いて、単一細胞の分子的イベントにおける非古典的相関を検出する手法を提案すること。

提案手法

• 酵素反応を促進する微小環境を調整するための調和的類似反応力としての「触媒的力」（Cf）を導入すること。
• 酵素機能が最大限に効率的である状態としての細胞基底状態を定義し、ユニタリに時間発展させること。
• フラクチュエーション・ディスシペーションの定理を用いて、基底状態から非平衡状態に移行するダイナミクスをモデル化すること。
• 量子情報理論的枠組みにおいて、動的細胞プロセスを基底状態を基準として記述すること。
• 経路積分や確率的手法を避けるために、ユークリッド的量子形式主義を全体の記述に適用すること。
• 単一細胞の分子的ダイナミクスにおける非古典的相関を検出するための高分解能観測量としてDNAシーケンシングを提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的力学的妥協を伴わずに、細胞レベルでの細胞内ダイナミクスを一貫して量子原理でモデル化する方法は何か？
• RQ2 酵素機能を最適化するために、細胞状態を量子基底状態に近い位置に維持する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 量子枠組み内で、安定な基底状態から動的で成長する細胞状態への移行をどのように記述できるか？
• RQ4 単一の生きている細胞内の分子的イベントにおいて、非古典的相関を示す観測可能なシグネチャーは何か？
• RQ5 高スルーレートDNAシーケンシングは、細胞プロセスにおける量子効果を検出するためのプローブとしてどのように機能するか？

主な発見

• 「触媒的力」（Cf）は、物理的に意味があり、実験的に検証可能なメカニズムを提供し、酵素の最適化を図る微小環境を安定化させる。
• 最大の酵素効率を示す状態として定義された基底状態は、ユニタリに時間発展し、ユークリッド的アプローチの基盤をなす。
• フラクチュエーション・ディスシペーションの定理により、基底状態から非平衡状態に移行する細胞ダイナミクスの体系的記述が可能になる。
• 本フレームワークは、単一細胞レベルでの量子コherーランスを埋め込むことで、従来の自己組織化モデルに内在する「安定性と複雑性のトレードオフ」を回避する。
• 高スルーレートDNAシーケンシングは、個々の細胞における非古典的相関を検出するための最も信頼性が高く情報量が多い手法であると提案される。
• 本モデルは「リプロダクターの自然選択なしに最適化を実現する」メカニズムを示唆し、生物学的組織化と進化の新しい視点を提供する。