[논문 리뷰] Matrix genetics, part 3: the evolution of the genetic code from the viewpoint of the genetic octave Yin-Yang-algebra

Sergey Petoukhov|ArXiv.org|2008. 05. 30.

Fractal and DNA sequence analysis참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유전 코드의 행렬 표현을 바탕으로 한 새로운 대수적 프레임워크인 '유전자 옥타브 인양-양대수'를 제안하여 그 진화를 모델링한다. 이는 숨겨진 대칭성과 유전 분자의 '성적' 관계를 드러내며, 8개의 진화 규칙을 규명하고, 히드라드 행렬과의 연결을 통해 양자 계산 성질을 시사하며, 생물정보학의 새로운 대수적 기초를 제안한다.

ABSTRACT

The set of known dialects of the genetic code (GC) is analyzed from the viewpoint of the genetic octave Yin-Yang-algebra. This algebra was described in the previous author's publications. The algebra was discovered on the basis of structural features of the GC in the matrix form of its presentation ("matrix genetics"). The octave Yin-Yang-algebra is considered as the pre-code or as the model of the GC. From the viewpoint of this algebraic model, for example, the sets of 20 amino acids and of 64 triplets consist of sub-sets of "male", "female" and "androgynous" molecules, etc. This algebra permits to reveal hidden peculiarities of the structure and evolution of the GC and to propose the conception of "sexual" relationships among genetic molecules. The first results of the analysis of the GC systems from such algebraic viewpoint say about the close connection between evolution of the GC and this algebra. They include 8 evolutionary rules of the dialects of the GC. The evolution of the GC is appeared as the struggle between male and female beginnings. The hypothesis about new biophysical factor of "sexual" interactions among genetic molecules is put forward. The matrix forms of presentation of elements of the genetic octave Yin-Yang-algebra are connected with Hadamard matrices by means of the simple U-algorithm. Hadamard matrices play a significant role in the theory of quantum computers, in particular. It gives new opportunities for possible understanding the GC systems as quantum computer systems. Revealed algebraic properties of the GC permit to put forward the problem of algebraization of bioinformatics on the basis of the algebras of the GC. Our investigation is connected with the question: what is life from the viewpoint of algebra? The algebraic version of the origin of the GC is discussed.

연구 동기 및 목표

• 유전자 코드의 구조적 및 진화 원리를 매트릭스 유전학에서 유도된 새로운 대수적 시스템을 기반으로 조사하기 위해.
• 유전자 옥타브 인양-대수를 통해 '남성', '여성', '양성' 분자의 부분집합으로서의 유전자 코드를 모델링하기 위해.
• 유전 분자의 '성적' 상호작용이 분자의 진화에서 새로운 생물물리적 요인일 수 있다는 가설을 탐구하기 위해.
• 유전자 코드의 매트릭스 구조와 히드라드 행렬 간의 연결을 수립하기 위해. 히드라드 행렬은 양자 계산에서 중요한 역할을 한다.
• 생물학적 시스템 연구에서 유전자 코드를 기초 대수적 시스템으로 제안함으로써 생물정보학의 대수화를 시작하기 위해.

제안 방법

• 매트릭스 유전학에서 유도된 유전자 옥타브 인양-대수의 응용. 이는 유전자 코드의 매트릭스 형태에서 나타나는 구조적 패턴을 기반으로 한다.
• 유전자 코드의 64개 코돈과 20개 아미노산을 대수적 대칭성 특성에 따라 '남성', '여성', '양성' 부분집합으로 분류한다.
• U-알고리즘을 사용하여 유전자 옥타브 대수의 매트릭스 표현을 히드라드 행렬로 매핑한다.
• 이 대수적 모델의 관점에서 유전자 코드의 다양한 변종을 분석하여 반복되는 진화 패턴을 규명한다.
• 매트릭스 구조를 알려진 생물물리적 및 양자계산 원리와 통합하며, 특히 히드라드 행렬과 관련된 원리들을 중심으로 한다.
• 유전자 코드의 진화가 남성과 여성 대수적 구성 요소 간의 역동적 상호작용으로 해석되는 이론적 모델을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전자 코드의 구조는 어떻게 그의 매트릭스 표현에서 유도된 대수적 프레임워크를 통해 체계적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 유전자 코드의 다양한 변종을 인양-대수의 관점에서 볼 때, 어떤 진화 규칙이 그 변화를 지배하는가?
• RQ3 남성-여성 대칭으로 정의된 '성적' 분자 상호작용은 유전자 코드의 진화 역학에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 유전자 옥타브 대수의 매트릭스 형태는 어떻게 히드라드 행렬과 관련이 있으며, 이는 생물학적 양자 계산 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 유전자 코드는 생물정보학의 대수화를 가능하게 하는 기초 대수적 시스템으로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 유전자 코드의 64개 코돈과 20개 아미노산은 대수적 대칭성에 기반하여 '남성', '여성', '양성' 부분집합으로 체계적으로 분할되며, 숨겨진 구조적 질서를 드러낸다.
• 기존의 유전자 코드 변종 전반에 걸쳐 일관된 8개의 진화 규칙이 규명되었으며, 이는 비랜덤이며 대수적으로 제약된 진화 과정을 시사한다.
• 이 모델은 유전자 코드의 진화를 남성과 여성 대수적 구성 요소 간의 역동적 '투쟁'으로 프레임워크화하여, 분자의 진화에 대한 새로운 메커니즘을 제안한다.
• U-알고리즘은 유전자 옥타브 대수의 매트릭스 형태를 히드라드 행렬로 성공적으로 매핑하여, 유전자 코드의 구조와 양자 정보 이론 간의 공식적 연결을 수립한다.
• 유전자 코드의 대수적 구조는 양자 계산 모델과 호환되는 성질을 보이며, 생물학적 양자 시스템에서 잠재적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.
• 연구 결과는 유전자 코드의 기원에 대한 새로운 대수적 시각을 지지하며, 그 구조가 순수하게 확률적 과정이 아닌 근본적인 대수적 원리에서 유래했을 가능성을 제안한다.