[论文解读] Origin of Information Encoding in Nucleic Acids through a Dissipation-Replication Relation

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

Origins and Evolution of Life参考文献 74被引用 6

一句话总结

该论文提出，遗传密码的起源源于一种热力学强制力，即通过耗散原始大气中的UVC光子以最大化熵产生，氨基酸因与核酸的立体化学亲和性而结合，从而增强光子耗散。这种耗散-复制正反馈回路推动了早期DNA/RNA中信息的选择与编码，为生命起源和达尔文进化提供了非平衡态热力学基础。

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.

研究动机与目标

• 解决长期存在的问题：特定氨基酸如何与它们的密码子关联起来。
• 基于非平衡态热力学，提出核酸中信息编码起源的物理-化学机制。
• 通过论证DNA因更高的稳定性和UVC光子耗散效率而早期发挥作用，挑战RNA世界假说。
• 通过熵产生和光子耗散的视角，建立氨基酸与它们的密码子/反密码子之间的立体化学亲和性与因果联系。
• 证明增加全球熵产生这一强制力可能驱动了早期复制系统的筛选与复制。

提出的方法

• 应用经典不可逆热力学（CIT）和非平衡态热力学原理，模拟在广义化学势（太阳光子通量）作用下有机分子的自组织行为。
• 识别UVC光子耗散为原始大气中的主要能量来源，驱动有机分子中耗散结构的形成。
• 分析氨基酸侧链与DNA和RNA中嘌呤/嘧啶碱基之间的立体化学亲和性，将其与光子耗散效率相关联。
• 利用Yarus等人关于氨基酸-核酸结合亲和性的实证数据，将强立体化学相互作用与能增强UVC吸收和耗散的氨基酸相关联。
• 提出一种UVC驱动的模板-复制（UVTAR）机制，其中具有更高光子耗散能力的核酸复合物能更高效地复制。
• 比较DNA与RNA的光子耗散能力，得出两者相当，但DNA在原始地球条件下更具稳定性，支持其在生命起源中早期发挥作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在随机形成概率极低的前提下，氨基酸与它们的密码子之间的特定关联是如何起源的？
• RQ2 何种物理-化学机制可能驱动了特定氨基酸在早期遗传编码中的选择？
• RQ3 通过光子耗散增加熵产生的强制力，是否可能作为早期复制系统的选择压力？
• RQ4 尽管存在RNA世界假说，为何DNA可能在生命起源中比RNA更有利？
• RQ5 氨基酸与核酸碱基之间的立体化学亲和性在多大程度上与它们耗散UVC光子的能力相关？

主要发现

• 与核酸碱基亲和力最高的氨基酸（尤其是嘌呤和嘧啶）恰好是能增强UVC光子耗散的氨基酸，表明结合与能量耗散之间存在功能性关联。
• 耗散-复制正反馈回路——即光子耗散能力更强的复合物复制更高效——为早期遗传信息的选择提供了热力学基础。
• 研究表明，在原始地表条件下，DNA比RNA具有更高的热力学稳定性，因其对水解的抗性更强，支持DNA在生命起源中早期发挥作用。
• 氨基酸R基团与DNA碱基之间的立体化学亲和力强于与RNA的亲和力，表明DNA可能在早期信息编码中起主导作用。
• 芳香族氨基酸和腺嘌呤等核碱基可通过简单光化学途径在非生物条件下形成，支持其在原始系统中早期存在。
• 现代基因组中不可改变的密码子分配的持久性表明，早期通过热力学筛选出的关联关系在进化过程中已被保留。