[논문 리뷰] Quantum information processing at the cellular level. Euclidean approach

Vasily Ogryzko|ArXiv.org|2009. 06. 23.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 76인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 살아있는 세포 내 양자 정보 처리를 모델링하기 위한 새로운 '유클리드적 접근'을 제안하며, 효소 기작의 최적 효율성을 위해 세포 상태를 양자 기본 상태 근처에서 안정화하는 '촉매력'(Cf)이라는 개념을 도입한다. 유니터리(evolution)와 비균형성-산산산정리( fluctuation-dissipation theorem)를 활용함으로써 기본 상태에서 성장 상태로의 전이가 가능해지며, 단일 세포 수준에서 비고전적 분자 상관관계를 탐지하기 위한 고속도 DNA 시퀀싱을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통계역학적 모델의 한계를 피하는 새로운 세포 내 역학에 대한 양자역학적 근사법을 개발하기 위해.
• 복제자들의 자연선택에 의존하지 않고도 개별 세포에서 '안정성과 복잡성의 상충' 문제를 해결하기 위해.
• 효소 기능이 최대 효율성을 발휘하는 조건으로서의 세포 기능에 대한 양자 기본 상태를 정의하기 위해.
• 물리적 원리에 기반하여 기본 상태에서 동적 성장 세포 상태로의 전이를 위한 프레임워크를 수립하기 위해.
• 단일 세포 수준에서 비고전적 상관관계를 탐지하기 위한 방법으로 고속도 DNA 시퀀싱을 제안하기 위해.

제안 방법

• 효소 반응을 유리하게 만들기 위해 환경을 조절하는 조화 운동에 유사한 반응력으로서의 '촉매력'(Cf)을 도입하기 위해.
• 효소 기능이 최대 효율성을 발휘하는 양자 상태로서의 세포 기본 상태를 정의하고, 이를 유니터리(evolution)로 기술하기 위해.
• 비균형 상태로의 전이를 모델링하기 위해 비균형성-산산산정리( fluctuation-dissipation theorem)를 적용하기 위해.
• 동적 세포 과정을 양자정보이론적 프레임워크에서 기술하기 위해 기본 상태를 기준점으로 삼기 위해.
• 경로적분이나 확률적 방법을 피하고, 유클리드 양자 형식론 내에서 전체 기술를 프레임워크화하기 위해.
• 단일 세포 분자 역학에서의 비고전적 상관관계를 탐지하기 위한 고해상도 관측도구로 DNA 시퀀싱을 제안하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통계역학적 상충관계를 유발하지 않고서도, 세포 수준에서 양자 원리를 일관적으로 적용하여 세포 내 역학을 모델링할 수 있는가?
• RQ2 세포 상태를 양자 기본 상태 근처에서 유지하여 효소 기능을 최적화할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 양자 프레임워크 내에서 안정적인 기본 상태에서 동적 성장 세포 상태로의 전이를 어떻게 기술할 수 있는가?
• RQ4 단일 생체세포 내 분자 사건에서 비고전적 상관관계를 드러내는 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ5 고속도 DNA 시퀀싱은 세포 과정에서의 양자 효과를 탐지하기 위해 어떤 방식으로 탐사도구로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• '촉매력'(Cf) 개념은 효소 기능 최적화를 향한 촉매 환경을 안정화시키는 물리적으로 의미 있는, 검증 가능한 메커니즘을 제공한다.
• 최대 효소 효율성 상태로 정의된 기본 상태는 유니터리(evolution)로 진화하며, 유클리드적 접근의 기초가 된다.
• 비균형성-산산산정리( fluctuation-dissipation theorem)는 세포 역학에서 기본 상태에서 성장하는 비균형 상태로의 체계적 전이를 가능하게 한다.
• 전통적인 자율조직 모델에서 내재된 '안정성-복잡성 상충' 문제를 피하기 위해, 단일 세포 수준에서 양자 얽힘을 통합함으로써 이를 해결한다.
• 고속도 DNA 시퀀싱은 개별 세포에서 비고전적 상관관계를 탐지하기 위한 가장 신뢰성 있고 정보량이 많은 방법으로 제안된다.
• 모델은 '복제자 자연선택 없이도 최적화'를 가능하게 하는 메커니즘을 제안하며, 생물학적 조직과 진화에 대한 새로운 시각을 제공한다.