[논문 리뷰] On two quantum approaches to adaptive mutations in bacteria

Vasily Ogryzko|ArXiv.org|2008. 05. 28.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 모델인 Q-cell과 Q-genome를 사용하여 박테리아의 적응적 돌연변이를 설명하기 위한 양자 이론적 프레임워크를 제안한다. R-오차와 D-오차 상관관계를 포함하는 '변동성 포획' 모델을 도입하며, 환경적 스트레스가 양자 역학적 붕괴를 유도하여 '상상 속 시간'의 유니터리 역학에서 실제 시간의 복제로의 전이를 일으켜 유익한 게놈 변이를 선택적으로 증폭시킨다고 주장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 이론적 모델을 사용하여 박테리아의 적응적 돌연변이 현상을 설명하기 위해.
• 스트레스 조건에서 비랜덤 돌연변이가 어떻게 발생하는지에 대한 역설을 해결하여 고전적 진화 이론에 도전하기 위해.
• 환경적 스트레스가 영양 결핍 세포에서 양자 유사 역학을 유도하는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 양자 얽힘과 붕괴를 통해 복제(R) 오차와 손상(D) 오차 간의 상관관계를 정당화하기 위해.
• 유니터리 진화와 위크 회전을 포함한 양자 개념을 진화 생물학 프레임워크에 통합하기 위해.

제안 방법

• 변동성 포획 모델을 돌연변이 및 선택 역학을 기술하는 일반적 프레임워크로 사용한다.
• 유전자 불안정성에서 상관관계가 있는 변수로 R-오차(복제 오차)와 D-오차(손상 오차)를 도입한다.
• 영양 결핍 상태의 박테리아 세포를 유니터리이고 '상상 속 시간' 역학을 갖는 에인설텍트 상태로 모델링한다.
• 기질 추가 시 위크 회전을 적용하여 상상 속 시간 진동에서 실제 시간 복제로의 전이를 유도한다.
• 유전자가 각각 상상 속 시간에서 진동하는 상태의 중첩으로 표현되며, 환경적 신호에 의해 선택적으로 증폭된다.
• 환경에 의해 유도되는 붕괴(EID)를 사용하여 양자 유사 역학에서 고전적 선택으로의 전이를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 양자 이론적 모델을 사용하여 박테리아의 적응적 돌연변이를 설명할 수 있는가?
• RQ2 환경적 스트레스가 박테리아 세포에서 양자 유사 역학을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 제안된 프레임워크에서 R-오차와 D-오차 간의 상관관계는 어떻게 설정되는가?
• RQ4 박테리아 적응의 맥락에서 '상상 속 시간' 진동의 의미는 무엇인가?
• RQ5 환경에 의해 유도되는 붕괴를 통해 양자 역학에서 고전적 선택으로의 전이가 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• '변동성 포획' 모델은 적응적 돌연변이를 설명하기 위해 R-오차와 D-오차 간의 상관관계가 필요하다.
• 영양 결핍 박테리아 세포는 유니터리이고 '상상 속 시간' 역학을 갖는 에인설텍트 상태로 모델링된다.
• 선택적 기질의 첨가로 위크 회전이 유도되어 상상 속 시간에서 실제 시간 역학으로의 전이가 발생한다.
• 세포 수준의 얽힘에 중점을 두기 때문에 Q-cell 접근 방식이 Q-genome 접근 방식보다 R-D 오차 상관관계를 더 잘 정당화한다.
• 환경에 의해 유도되는 붕괴(EID)는 적응의 두 단계인 돌연변이와 선택 모두에서 긍정적인 역할을 한다.
• 양자 중첩과 환경 자극을 통해 양자 역학적 방법으로 선별적 증폭이 가능하다고 설명한다.