[論文レビュー] The rules of long DNA-sequences and tetra-groups of oligonucleotides

Sergey Petoukhov|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Fractal and DNA sequence analysis参考文献 22被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、四聚体群に分類されたオリゴヌクレオチドの集合的確率に基づき、長大な一本鎖DNA配列における新しい種類の隠れた対称性を提案する。2キュービット状態として表されるDNA塩基C、T、G、Aを用いた量子情報モデルにおいて、ヒトおよびモデル生物ゲノム全体において、これらの四聚体群を支配する普遍的な確率的法則が同定され、量子的なコherー二ョニティおよび光子的相互作用を通じて、遺伝的情報の組織化および生物学的発生における根本的役割を示唆している。

ABSTRACT

The article represents a new class of hidden symmetries in long sequences of oligonucleotides of single stranded DNA from their representative set. These symmetries are an addition to symmetries described by the second parity rule of Chargaff. These new symmetries and their rules concern collective probabilities of oligonucleotides from special tetra-groups and their subgroups in long DNA-texts including complete sets of chromosomes of human and some model organisms. These rules of tetra-group probabilities are considered as possible candidacies for the role of universal rules of long DNA-sequences. A quantum-informational model of genetic symmetries of these collective probabilities is proposed on the basis of the known quantum-mechanic statement that quantum state of a multicomponent system is defined by the tensor product of quantum states of its subsystems. In this model, nitrogenous bases C, T, G, A of DNA are represented as computational basis states of 2-qubit quantum CTGA-systems. The biological meaning of these new quantum-information symmetries of long DNA texts is associated with the common ability of all living organisms to grow and develop on the basis of incorporation into their body of new and new molecules of nutrients becoming new quantum-mechanic subsystems of the united quantum-mechanic organism. An important role of resonances, photons and photonic crystals in quantum information genetics is noted.

研究の動機と目的

• チャーガフの第二相反則を越えて、これまで未知の長大な一本鎖DNA配列における対称性を同定すること。
• ヒトおよびモデル生物の全染色体にわたる四聚体群内のオリゴヌクレオチドの集合的確率パターンを調査すること。
• 4つのDNA塩基を表す2キュービット量子状態のテンソル積としてDNA配列をモデル化する、量子情報フレームワークを提唱すること。
• これらの対称性が、成長、発生、および生物系内での分子統合に関連して果たす生物学的意義を探索すること。
• 共鳴、光子、および光子結晶様構造が、遺伝的情報処理に果たす可能性のある役割を検討すること。

提案手法

• 本研究は、ヌクレオチドの組成および位置的対称性に基づき、オリゴヌクレオチドを四聚体群に分類することで、長大なDNA配列を分析する。
• 4つのDNA塩基（C、T、G、A）が2キュービット量子系の計算基底状態にマッピングされる量子情報モデルを適用する（CTGAシステム）。
• 全DNA配列の量子状態は、その構成的オリゴヌクレオチドサブグループの状態のテンソル積としてモデル化される。
• ヒトおよびモデル生物の全染色体にわたる四聚体群およびそのサブグループ内の集合的確率の統計的分析が実施される。
• 多成分系におけるもつれとコherー二ョニティの役割を含む、量子力学の原則を応用して、遺伝的対称性を解釈する。
• 共鳴現象、光子相互作用、および光子結晶様構造が、観察された対称性の背後にある物理的メカニズムとして検討される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャーガフの第二相反則で説明されるものとは異なる、長大な一本鎖DNA配列における隠れた対称性は何か？
• RQ2 ヒトおよびモデル生物の全染色体にわたる四聚体群およびそのサブグループ内のオリゴヌクレオチドの集合的確率はどのように変動するか？
• RQ3 DNA配列における観察された確率的パターンは、4つのDNA塩基を表す2キュービット系のテンソル積として量子状態としてモデル化可能か？
• RQ4 これらの量子情報的対称性の生物学的意義は、成長、発生、および生物系内での分子統合の観点からどのように解釈できるか？
• RQ5 共鳴、光子、および光子構造が、遺伝的情報システムの安定性および機能にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 本稿は、長大なDNA配列におけるオリゴヌクレオチド四聚体群に一貫性があり、ランダムでない集合的確率パターンが存在することを同定し、新たな種類の隠れた対称性を示唆している。
• これらの対称性はヒトおよびモデル生物の全染色体に観察され、広範な生物学的関連性を示している。
• 量子情報モデルは、C、T、G、Aが計算基底状態にマッピングされた2キュービット状態のテンソル積としてDNA配列を効果的に表現している。
• このモデルは、遺伝的システムが成長に伴い新規の量子サブシステムとして新規分子が統合される過程で、一貫性のある量子力学的実体として機能している可能性を示唆している。
• 共鳴効果および光子的相互作用が、遺伝的情報処理の安定化および制御に寄与する物理的メカニズムとして提案されている。
• 研究結果は、これらの確率的法則が、古典的配列統計を越えて、長大なDNA配列を支配する普遍的原理を表している可能性を示唆している。