[논문 리뷰] Chirality as an Instrument of Stratification of Hierarchical Systems in Animate and Inanimate Nature

V. A. Tverdislov|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 07.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 계층적 시스템—생물학적 및 비생물학적 모두—에서 편재하는 비대칭성에 기반한 상호보완적 법칙을 제안한다. 이 법칙은 수준 간에 D-L-D-L 또는 L-D-L-D와 같은 교대되는 광학 이방성 기호를 통해 구조적 복잡성을 증가시키며, 전체적으로는 광학 이방성 우세성을 유지한다. 이러한 광학 이방성 계층은 상호보완적이고 비광학 이방성 불변성 모듈을 형성하며, 이는 분자 기계와 생물학적 진화의 기초가 된다. 탄소의 광학 이방성 능력은 지구상에서 생명체의 모듈형, 비역행적 발전을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 계층적 시스템에서 광학 이방성에 기반한 복잡성의 기원을 규명하는 보편적 상호보완 원리의 규명.
• DNA 및 단백질과 같은 거대분자에서의 광학 이방성 계층이 비엔트로피적 조직과 기능적 모듈성을 유지하는 방식의 설명.
• 다양한 구조 수준 간에 광학 이방성 기호(D-L-D-L)의 교대가 닫힌, 광학 이방성 불변성 분자 생물학 모듈을 형성하는 것을 입증.
• 탄소 원자의 광학 이방성 화합물 형성 능력과 생물학적 진화의 모듈형, 불가역적 궤적 간의 연관성 규명.

제안 방법

• 자유 에너지와 광학 이방성 요소를 갖는 시스템의 대칭성 깨짐 역학을 분석하여 계층적 정렬을 모델링.
• 비선형 역학과 자가조직화 원리를 적용하여 교대 광학 이방성 기호를 갖는 계층 수준 간 전이 기술.
• 다양한 조직 수준에서 광학 이방성 거대분자(DNA, 단백질)의 구조적 및 기능적 역할 분석.
• 광학 이방성 계층이 분자 기계의 작동을 가능하게 하는 '선택된 기계적 자유도' 개념을 사용하여 설명.
• 각 수준에서의 광학 이방성 분기 현상이 주된 광학 이방성 기호를 유지하면서도 복잡성 증가를 가능하게 한다는 제안.
• 광학 이방성 계층이 상호보완적 쌍을 형성하며, 광학 이방성 반전에 대해 불변인 이론적 프레임워크 수립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 이방성은 생물학적 및 비생물학적 물질의 계층적 시스템 정렬을 어떻게 이끌어내는가?
• RQ2 D 및 L 광학 이방성 기호의 교대가 구조적 및 기능적 복잡성의 기원에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 DNA 및 단백질의 광학 이방성 계층은 어떻게 상호보완적이고 광학 이방성 불변성 분자 모듈을 형성하는가?
• RQ4 왜 탄소 원자가 광학 이방성 화합물을 형성할 수 있는 능력이 생물학적 진화의 모듈성 핵심인가?
• RQ5 계층 전이 과정에서 주된 광학 이방성 기호 유지가 비엔트로피적 조직에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 논문은 광학 이방성이 계층적 시스템의 복잡성 증가를 가능하게 하며, 우세한 광학 이방성 기호(D 또는 L)를 유지하는 상호보완적 법칙을 규명한다.
• DNA 및 단백질의 구조는 고차원 구조 수준으로 전이될 때 규칙적인 D-L-D-L 및 L-D-L-D 광학 이방성 기호의 교대를 보인다.
• DNA 및 단백질 내에서 기호가 교대하는 광학 이방성 계층의 공액 쌍은 닫힌, 광학 이방성 불변성 모듈을 형성하며, 분자 생물학적 기능의 안정성을 높인다.
• 탄소 수준의 광학 이방성은 연속적인 광학 이방성 분기 현상을 통해 생물학적 진화의 모듈형, 불가역적 진행을 가능하게 한다.
• 교대 광학 이방성 기호를 갖는 거대분자의 계층적 조직은 분자 기계에서 '선택된 기계적 자유도'의 구조적 기반을 제공한다.
• 크기와 광학 이방성 기호의 교대가 반복되는 계층 수준의 연속적 형성이 복잡성 기원의 기본 메커니즘임을 규명한다.