[论文解读] The rules of long DNA-sequences and tetra-groups of oligonucleotides

Sergey Petoukhov|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Fractal and DNA sequence analysis参考文献 22被引用 30

一句话总结

本文提出了一类长单链DNA序列中的新型隐含对称性，基于将寡核苷酸按四联体分组后的集体概率。通过一种基于2量子比特态的量子信息模型，将DNA碱基C、T、G、A表示为2量子比特态，研究发现这些四联体在人类及模式生物基因组中遵循普遍的概率规则，表明其在遗传信息组织与生物发育中可能通过类量子相干性与光子相互作用发挥基础作用。

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.

研究动机与目标

• 识别超出查加夫第二法则的长单链DNA序列中先前未知的对称性。
• 研究人类和模式生物完整染色体中，四联体内部寡核苷酸的集体概率模式。
• 提出一种量子信息框架，将DNA序列建模为表示含氮碱基的2量子比特量子态的张量积。
• 探讨这些对称性在生物体生长、发育及分子整合中的生物学意义。
• 考察共振、光子与光子晶体在遗传信息处理中的潜在作用。

提出的方法

• 通过基于核苷酸组成与位置对称性的方法，将长DNA序列中的寡核苷酸分组为四联体。
• 应用一种量子信息模型，将四种DNA碱基（C、T、G、A）映射为2量子比特量子系统（CTGA系统）的计算基态。
• 将整个DNA序列的量子态建模为其组成寡核苷酸子组态的张量积。
• 对人类和模式生物完整染色体中四联体及其子组的集体概率进行统计分析。
• 该模型结合了量子力学原理，特别是多组分系统中纠缠与相干性的作用，以解释遗传对称性。
• 考虑共振现象、光子相互作用及类光子晶体结构作为观察到的对称性背后潜在的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超出查加夫第二法则描述的范围内，长单链DNA序列中存在哪些隐含对称性？
• RQ2 人类和模式生物完整染色体中，四联体及其子组内寡核苷酸的集体概率如何变化？
• RQ3 能否通过表示四种DNA碱基的2量子比特系统的张量积，将DNA序列中观察到的概率模式建模为量子态？
• RQ4 这些量子信息对称性的生物学意义何在，其在生物体生长、发育及分子整合中的作用是什么？
• RQ5 共振、光子与光子结构在多大程度上参与了遗传信息系统的稳定与功能？

主要发现

• 本文在长DNA序列的寡核苷酸四联体中识别出一致且非随机的集体概率模式，表明存在一类新型隐含对称性。
• 这些对称性在人类及模式生物的完整染色体中均被观察到，表明其具有广泛的生物学相关性。
• 量子信息模型成功地将DNA序列表示为2量子比特态的张量积，其中C、T、G、A被映射为计算基态。
• 该模型暗示遗传系统可能作为相干的量子力学实体运行，其中新分子作为新的量子子系统在生长过程中被整合。
• 提出共振效应与光子相互作用作为可能稳定和调控遗传信息处理的物理机制。
• 研究结果表明，这些概率规则可能代表了控制长DNA序列的普遍原理，超越经典序列统计的范畴。