[논문 리뷰] The rules of long DNA-sequences and tetra-groups of oligonucleotides

Sergey Petoukhov|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Fractal and DNA sequence analysis참고 문헌 22인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 4개의 올리고뉴클레오티드로 구성된 테트라그룹으로 묶인 올리고뉴클레오티드의 집합적 확률 기반으로 장단한 단일가닥 DNA 서열에서 새로운 유형의 은밀한 대칭성을 제안한다. C, T, G, A 뉴클레오티드를 2 큐비트 상태로 표현하는 양자정보 모델을 사용하여, 인간과 모델 생물의 게놈에서 이러한 테트라그룹을 둘러싼 보편적인 확률 규칙을 규명하였으며, 이는 양자 유사한 응집성과 광자 상호작용을 통해 유전 정보 조직과 생물학적 발달에 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차그라프의 두 번째 비율 법칙을 초월하여 장단한 단일가닥 DNA 서열에서 이전에 알려지지 않은 대칭성을 규명하는 것.
• 인간과 모델 생물의 전체 염색체에서 테트라그룹 내 올리고뉴클레오티드의 집합적 확률 패턴을 조사하는 것.
• 네 가지 DNA 뉴클레오티드를 나타내는 2 큐비트 양자 상태의 텐서 곱으로 DNA 서열을 모델링하는 양자정보 프레임워크를 제안하는 것.
• 이러한 대칭성이 생장, 발달 및 생물계에서 분자 통합과 관련하여 생물학적 의미를 갖는지 탐색하는 것.
• 공명 현상, 광자, 광결정 구조가 유전 정보 처리에 미치는 잠재적 역할을 조사하는 것.

제안 방법

• 연구는 올리고뉴클레오티드를 뉴클레오티드 조성과 위치 대칭성 기반으로 테트라그룹으로 묶어 장단한 DNA 서열을 분석한다.
• 네 가지 DNA 뉴클레오티드(C, T, G, A)가 2 큐비트 양자 시스템의 계산 기저 상태로 매핑되는 양자정보 모델을 적용한다 (CTGA-시스템).
• 전체 DNA 서열의 양자 상태는 구성 요소 올리고뉴클레오티드 하위군 상태의 텐서 곱으로 모델링된다.
• 인간과 모델 생물의 전체 염색체에서 테트라그룹 내 집합적 확률과 그 하위군에 대한 통계 분석을 수행한다.
• 다중 구성 요소 시스템에서 얽힘과 응집성의 역할을 포함한 양자역학 원리를 활용하여 유전 대칭성을 해석한다.
• 공명 현상, 광자 상호작용, 광결정 유사한 구조는 관측된 대칭성의 잠재적 물리적 메커니즘으로 고려된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장단한 단일가닥 DNA 서열에서 차그라프의 두 번째 비율 법칙이 설명하는 바를 초월하여 어떤 은밀한 대칭성이 존재하는가?
• RQ2 인간과 모델 생물의 전체 염색체에서 테트라그룹 내 올리고뉴클레오티드와 그 하위군의 집합적 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 DNA 서열의 확률 패턴을 네 가지 DNA 뉴클레오티드를 나타내는 2 큐비트 시스템의 텐서 곱으로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 이러한 양자정보 대칭성의 생물학적 의미는 생장, 발달 및 생물계에서 분자 통합 측면에서 무엇인가?
• RQ5 공명, 광자, 광결정 구조는 얼마나 유전 정보 시스템의 안정성과 기능에 기여하는가?

주요 결과

• 논문은 장단한 DNA 서열에서 테트라그룹의 올리고뉴클레오티드에 대해 일관되고 비랜덤한 집합적 확률 패턴을 규명하여 새로운 유형의 은밀한 대칭성을 제안한다.
• 이러한 대칭성은 인간과 모델 생물의 전체 염색체에서 관찰되어 광범위한 생물학적 관련성을 시사한다.
• 양자정보 모델은 C, T, G, A를 계산 기저 상태로 매핑하여 DNA 서열을 2 큐비트 상태의 텐서 곱으로 성공적으로 표현한다.
• 이 모델은 유전 시스템이 생장 과정에서 새로운 분자가 새로운 양자 하위계로 통합될 때 응집된 양자역학적 실체로 기능할 수 있음을 암시한다.
• 공명 효과와 광자 상호작용은 유전 정보 처리의 안정성과 조절에 기여할 수 있는 물리적 메커니즘으로 제안된다.
• 연구 결과는 이러한 확률 규칙이 고전적 서열 통계를 초월하여 장단한 DNA 서열을 지배하는 보편적 원칙을 반영할 수 있음을 시사한다.