[논문 리뷰] Origin of Information Encoding in Nucleic Acids through a Dissipation-Replication Relation

Julián Mejía, Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 12.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 74인용 수 6

한 줄 요약

논문은 고대 아르케아 시대의 UVC 광자를 통해 열역학적 비평형 상태에서 최대 엔트로피 생성을 추구하는 것이 유전암호의 기원이 되었으며, 아미노산이 스테레오화학적 친화성에 따라 핵산에 결합함으로써 광자 방출을 증진시켰다고 제안한다. 이 방출-복제 피드백 순환은 초기 DNA/RNA에서 정보의 선택과 코딩을 이끌었으며, 생명의 기원과 다윈 진화론에 비평형 열역학적 기반을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유전암호에서 특정 아미노산이 그들의 코돈에 어떻게 연결되었는지 오랫동안 해결되지 않은 문제를 해결하기 위해.
• 비평형 열역학 기반의 물리화학적 메커니즘을 제안하여 핵산 내 정보 코딩 기원을 설명하기 위해.
• RNA 월드 가설을 도전하기 위해 DNA가 더 높은 안정성과 UVC 광자 방출 효율성 덕분에 초기에 중요한 역할을 했음을 주장하기 위해.
• 엔트로피 생성과 광자 방출의 관점에서 아미노산의 입체화학적 친화성과 그들의 코돈/반코돈 간의 인과적 연관성을 확립하기 위해.
• 전반적인 엔트로피 생성을 증가시키는 의무가 초기 복제 시스템의 선택과 복제를 이끌 수 있었음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 일반화된 화학적 편포(태양 광자 유량) 하에서 유기 분자의 자가조직화를 모델링하기 위해 고전적 비가역 열역학(CIT)과 비평형 열역학 원리를 적용한다.
• 고대 아르케아 시대에 UVC 광자 방출이 지배적인 에너지원이었으며, 이는 유기 분자 내에서 소산 구조의 형성을 이끌었다고 확인한다.
• DNA 및 RNA의 핵산기와 아미노산 측쇄 간의 입체화학적 친화성을 분석하여, 이들이 광자 방출 효율성과 어떻게 연결되는지 분석한다.
• Yarus 등이 제시한 아미노산-핵산 결합 친화도의 경험적 자료를 사용하여, 강한 입체화학적 상호작용이 UVC 흡수 및 방출을 증진시키는 아미노산과 관련이 있음을 규명한다.
• 광자 방출 능력이 높은 핵산 복합체가 더 효율적으로 복제되는 UVC-유도 템플릿-복제(UVTAR) 메커니즘을 제안한다.
• DNA와 RNA의 광자 방출 능력을 비교하여, 두 물질의 능력은 유사하지만, DNA는 고대 조건에서 더 안정하므로 초기 생명 기원에 더 유리하다고 결론 내린다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위 형성의 비확률성에도 불구하고 특정 아미노산과 코돈 간의 연관성이 어떻게 기원했는가?
• RQ2 어떤 물리화학적 메커니즘이 초기 유전암호의 특정 아미노산 선택을 이끌었는가?
• RQ3 광자 방출을 통한 엔트로피 생성 증가 의무가 초기 복제 시스템에 선택적 압력을 가했을 수 있었는가?
• RQ4 RNA 월드 가설에도 불구하고 DNA가 생명 기원에 더 유리했을 이유는 무엇인가?
• RQ5 아미노산과 핵산 기초 간의 입체화학적 친화성이 UVC 광자 방출 능력과 어느 정도 관련이 있는가?

주요 결과

• 핵산 기초(특히 푸린 및 피리미딘)와 가장 높은 친화도를 보이는 아미노산은 정확히 UVC 광자 방출을 증진시키는 것으로 나타나, 결합과 에너지 방출 간의 功能적 연관성이 있음을 시사한다.
• 더 나은 광자 방출 복합체가 더 효율적으로 복제되는 소산-복제 피드백 순환은 초기 유전 정보의 선택에 열역학적 기반을 제공한다.
• 고대 지표 조건에서 DNA는 수해석에 더 높은 저항성을 보이며 RNA보다 열역학적으로 더 안정함을 입증하여, 생명 기원에서 초기 DNA의 역할을 뒷받침한다.
• 아미노산 R기와 DNA 기초 간의 입체화학적 친화도는 RNA보다 더 강하며, 이는 DNA가 초기 정보 코딩에서 주요 역할을 했을 가능성을 시사한다.
• 아로마틱 아미노산과 아데닌과 같은 핵산기 등은 단순한 광화학 경로를 통해 천연적으로 생성될 수 있으며, 이는 초기 천연계에서의 조기 존재를 지지한다.
• 현대 게놈에서 변하지 않는 코돈 할당의 지속성은 초기 열역학적으로 선택된 연관성이 진화 과정에서 보존되었음을 시사한다.