[论文解读] Chirality as an Instrument of Stratification of Hierarchical Systems in Animate and Inanimate Nature

V. A. Tverdislov|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2012

Origins and Evolution of Life参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出一种协同定律，即在层次化系统（包括生物与非生物系统）中，手性不对称性通过在不同层级上交替出现手性符号（D-L-D-L 或 L-D-L-D）驱动结构复杂性，同时保持整体手性主导性。由此形成的手性层级结构构成互补的、手性不变的模块，构成分子机器与生物进化的基础，而碳原子的手性能力则使地球上的生命得以实现模块化、反熵式的发展。

ABSTRACT

The article seeks to formulate a synergetic law that is posited to be of common physicochemical and biological nature: an evolving system, possessing free energy and elements with chiral asymmetry may change the type of symmetry inside one hierarchical level, thereby increasing its "complexity", but preserving the sign of predominant chirality ("right"-D or "left"-L twist). The same system has a tendency to spontaneous formation of a succession of hierarchical levels with alternating chirality sign of de-novo formed structures and with an increase of the structures' relative scale. In the living systems the hierarchy principle of conjugated levels of macromolecular structures, starting with the "lower" level of asymmetrical carbon, serves as an anti-entropic factor and also as the structural basis of the "selected mechanical degrees of freedom" in the molecular machines. Observations present evidence of regular alternations of the chirality sign D-L-D-L and L-D-L-D for DNA and protein structures, respectively, during the transition of DNA and proteins to a higher level of structural and functional organization. Sign-alternating chiral hierarchies of DNA and proteins, in turn, form a complementary conjugated pair that is an achiral invariant, which closes a molecular biological module of living systems. The ability of a carbon atom to form chiral compounds is a significant factor that defined carbon basis of living systems on Earth, and also their development via succession of chiral bifuractions. Restricted by the chirality sign, the hierarchy principle of macromolecular structures determined the "modular" character of biological evolution.

研究动机与目标

• 识别一种普遍的协同原理，通过手性不对称性来解释层次化系统中复杂性的出现。
• 解释DNA与蛋白质等大分子中的手性层级如何维持反熵组织与功能模块化。
• 证明在结构层级间交替出现的手性符号（D-L-D-L）形成一个闭合的、手性不变的分子生物学模块。
• 将碳原子的手性特性与生物进化的模块化、不可逆轨迹联系起来。

提出的方法

• 分析具有自由能与手性组分的系统的对称性破缺动力学，以模拟其分层结构化。
• 应用非线性动力学与自组织原理，描述具有交替手性符号的层级间过渡。
• 考察手性大分子（DNA、蛋白质）在多个组织层级上的结构与功能角色。
• 使用“被选择的机械自由度”概念，解释手性层级如何实现分子机器的功能。
• 提出在每一层级发生的手性分叉可保持主导手性符号，同时促进复杂性增长。
• 构建一个理论框架，其中手性层级形成共轭的互补对，且在手性反转下保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 手性不对称性如何驱动生物与非生物物质中层次化系统的分层？
• RQ2 D与L手性符号的交替在结构与功能复杂性出现过程中起什么作用？
• RQ3 DNA与蛋白质中的手性层级如何构成一个互补的、手性不变的分子模块？
• RQ4 为何碳原子形成手性化合物的能力是生物进化模块化特性的核心？
• RQ5 在层级转换过程中保持主导手性符号如何促进反熵组织？

主要发现

• 本文识别出一种协同定律：手性不对称性使层次化系统在保持主导手性符号（D或L）的同时，实现复杂性增长。
• DNA与蛋白质结构在向更高结构层级过渡时，表现出规则的D-L-D-L与L-D-L-D手性符号交替。
• DNA与蛋白质中符号交替的手性层级构成共轭对，形成闭合的、手性不变的模块，从而稳定分子生物学功能。
• 碳层级的手性使生物进化通过连续的手性分叉实现模块化、不可逆的推进。
• 具有交替手性符号的生物大分子的层级组织，为分子机器中‘被选择的机械自由度’提供了结构基础。
• 系统倾向于形成具有更大尺度与交替手性符号的层级序列，这是复杂性出现的根本机制。