Θερμοδυναμική, κβαντομηχανικη και βιοπληροφορική διερεύνηση της μετάδοσης της πληροφορίας στη γονιδιακή μεταγραφή: μια πειραματική και θεωρητική προσέγγιση

Abstract

In the present work, an attempt was made to investigate the transmission of information in gene transcription, namely the process of producing RNA molecules from the genetic (DNA) substrate, through the prism of thermodynamics, quantum mechanics and bioinformatics. In particular, an attempt was made to understand the way in which the transcripts of a biological cellular system transfer information as well as how signaling can constitute information for the cellular environment. To this end, the phenomenon is studied both at a theoretical level by connecting the physical theory with the molecular process of transcription, and at an experimental level by using high-throughput methodologies, such as microarrays. These methodologies are excellent tools through which we can have a generalized picture of the transcriptional state of the cell for a given moment in time. This work is a mixture of cellular and molecular experimental devices, but also theoretical approaches to the study of the phenomena it describes. Also. in this thesis an attempt is made to answer a question concerning the stochasticity of biological phenomena. Summarizing the questions of this work: a) how does information transfer take place in gene transcription, b) are there quantum phenomena that play a key role in information transfer, but also in biological phenomena in general? c) how can and does the cell react so quickly to environmental stimuli? does it produce RNA molecules de novo, in order to respond?, or does it already have an arsenal of molecules ready, which is in constant presence in the nucleus and cytoplasm?, d) if the previous (c) is true, then how does the cell know what future stimuli will be? e) how is it possible for questions (c) and (d) to find the necessary molecules in the right place, at the right time, in order to achieve gene transcription? In this thesis, factors such as the speed of cell proliferation, acceleration, energy, were investigated for the purpose of understanding the machinery of biological phenomena. In particular, I have used Newtonian mechanics, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics for this analysis, but several theorems were also formulated that describe biological systems through the prism of quantum mechanical theory. If I were to summarize the main findings of this thesis in a few sentences, I would state the following: a) cell proliferation does not follow the “principle of least action”, but instead oscillates between minimum and maximum action, b) the information for the cell is the signaling, which can be a simple environmental stimulus, or a complex “spectrum” of expression of all the genes that are transcribed, c) the transition of a cell population from an initial point to an end point most likely follows the path integral, as in quantum mechanical systems, i.e. the transition occurs through all possible trajectories, d) the expression spectrum has “momentum” and “position”, which resemble the principles of quantum mechanical theory and in particular the uncertainty principle. To the best of my knowledge, these results are reported for the first time in the literature.

Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια της διερεύνησης της μετάδοσης της πληροφορίας στη γονιδιακή μεταγραφή, ήτοι τη διαδικασία παραγωγής μορίων RNA από το γονιδιακό (DNA) υπόστρωμα, μέσα από το πρίσμα της θερμοδυναμικής, της κβαντομηχανικής και της βιοπληροφορικής. Ειδικότερα, γίνεται προσπάθεια της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο τα μετάγραφα ενός βιολογικού κυτταρικού συστήματος μεταφέρουν την πληροφορία καθώς και πως η σηματοδότηση μπορεί να αποτελέσει πληροφορία για το κυτταρικό περιβάλλον. Προς το σκοπό αυτό, το φαινόμενο μελετάται τόσο σε θεωρητικό επίπεδο συνδέοντας τη φυσική θεωρία με τη μοριακή διαδικασία της μεταγραφής, όσο και σε πειραματικό επίπεδο με τη χρήση μεθοδολογιών υψηλής απόδοσης (high-throughput) μεθοδολογιών, όπως είναι οι μικροσυστοιχίες. Οι μεθοδολογίες αυτές είναι εξαιρετικά εργαλεία μέσα από τα οποία μπορούμε να έχουμε μια γενικευμένη εικόνα της μεταγραφικής κατάστασης του κυττάρου για μια δεδομένη χρονική στιγμή. Η εργασία αυτή, αποτελεί ένα μίγμα κυτταρικών και μοριακών πειραματικών διατάξεων, αλλά και θεωρητικών προσεγγίσεων ως προς τη μελέτη των φαινομένων που περιγράφει. Επίσης. στην παρούσα διατριβή γίνεται προσπάθεια να απαντηθεί ένα ερώτημα που αφορά στη στοχαστικότητα των βιολογικών φαινομένων. Συνοψίζοντας τα ερωτήματα της παρούσης εργασίας: α) πως λαμβάνει χώρα η μεταφορά πληροφορίας στη γονιδιακή μεταγραφή, β) υπάρχουν κβαντικά φαινόμενα, τα οποία να διαδραματίζουν κάποιο ρόλο στη μεταφορά πληροφορίας, αλλά και στα βιολογικά φαινόμενα εν γένει; γ) πως μπορεί και αντιδρά το κύτταρο τόσο γρήγορα σε περιβαλλοντικά ερεθίσματα; παράγει μόρια RNA de novo, ώστε να ανταποκριθεί;, ή έχει ήδη ένα οπλοστάσιο μορίων έτοιμο, το οποίο βρίσκεται σε συνεχή παρουσία στον πυρήνα και στο κυτταρόπλασμα;, δ) αν ισχύει το προηγούμενο (γ), τότε πως γνωρίζει το κύτταρο ποια θα είναι τα μελλοντικά ερεθίσματα; ε) πως είναι δυνατό για τα ερωτήματα (γ) και (δ) να είναι εφικτό να βρεθούν τα απαραίτητα μόρια στη σωστή θέση, τη σωστή στιγμή, ώστε να επιτευχθεί η γονιδιακή μεταγραφή; Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν παράγοντες, όπως η ταχύτητα του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, η επιτάχυνση, η ενέργεια, η μελέτη των βιολογικών φαινομένων με τη χρήση της Νευτώνειας μηχανικής, της μηχανικής κατά Lagrange, της μηχανικής κατά Hamilton, αλλά διετυπώθησαν και θεωρήματα, τα οποία περιγράφουν τα βιολογικά συστήματα μέσα από το πρίσμα της κβαντομηχανικής θεωρίας. Αν ήθελα να συνοψίζω τα βασικά ευρήματα της παρούσης διατριβής μέσα σε λίγες προτάσεις θα ανέφερα τα εξής: α) ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός δεν ακολουθεί την «αρχή της ελαχίστου δράσεω», αλλά αντιθέτως ταλαντούται μεταξύ της ελαχίστου και της μεγίστου δράσεως, β) η πληροφορία για το κύτταρο είναι η σηματοδότηση, η οποία μπορεί να είναι ένα απλό περιβαλλοντικό ερέθισμα, ή ένα περίπλοκο «φάσμα» εκφρασης του συνόλου των γονιδίων που μεταγράφονται, γ) η μετάβαση ενός κυτταρικού πληθυσμού από ένα αρχικό σημείο σε ένα τελικό σημείο ακολουθεί πιθανότατα το ολοκλήρωμα διαδρομής, όπως στα κβαντομηχανικά συστήματα, ήτοι η μετάβση γίνεται μέσα από όλες τις πιθανές τροχιές, δ) το φάσμα έκφρασης έχει «ορμή» και «θέση», τα οποία προσομοιάζουν στις αρχές της κβαντομηχανικής θεωρίας και ειδικότερα στην αρχή της αβεβαιότητος. Στο βαθμό που δύναμαι να γνωρίζω, τα αποτελέσματα αυτά αναφέρονται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία.