Information-theoretic Limits on Programmatic Specification of Biological Systems
Dit artikel gebruikt informatietheorie om aan te tonen dat biologische organismen niet over voldoende interne informatie beschikken om hun microscopische organisatie volledig vooraf te specificeren, waarmee een grove granulariteitsdrempel wordt vastgesteld die noodzaakt dat het genoom fungeert als een grove specificatie, samengesteld door gedeelde fysieke dynamiek en omgevingswillekeur in plaats van als een deterministisch programma.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Stel je voor dat je een enorme, zelfherstellende stad probeert te bouwen met slechts één, piepkleine instructiehandleiding. Je zou kunnen denken dat als de handleiding gedetailleerd genoeg is, deze precies kan vertellen waar elke baksteen, elk raam en elke lantaarnpaal moet komen, tot op de millimeter nauwkeurig, voor elk gebouw in de stad. Dit is de droom achter het idee dat ons DNA een "meesterblauwdruk" is die elke beweging van ons lichaam programmeert. Maar om te begrijpen waarom dit misschien onmogelijk is, moeten we naar twee grote ideeën kijken. Ten eerste is er informatie: denk hierbij aan het totale aantal bits (nullen en enen) dat je in een bericht kunt passen. Een kort sms-bericht bevat heel weinig informatie; een high-definition film bevat er veel. Ten tweede is er complexiteit: het enorme aantal manieren waarop dingen gerangschikt kunnen worden. Een simpel speeltje heeft weinig arrangementen; een bruisende stad met miljoos mensen die rondbewegen heeft een bijna oneindig aantal mogelijke arrangementen. Wetenschappers vragen zich al lang af: heeft de "instructiehandleiding" in een levende cel (het genoom) genoeg informatie om de exacte positie en beweging van elk molecuul in een organisme te dicteren, of is de handleiding slechts een ruwe schets die vertrouwt op de wetten van de fysica om de details in te vullen?
Deze vraag is belangrijk omdat het verandert hoe we het leven zelf zien. Als het DNA een volledig programma is, dan is het leven als een robot die een vooraf geschreven script uitvoert. Als het slechts een schets is, dan is het leven meer als een jazzband: de bladmuziek geeft de noten en het ritme aan, maar de muzikanten (de natuurwetten) improviseren de exacte uitvoering in realtime. Een nieuw artikel van Tuomo Kiiskinen, Oscar Kivinen en Manuel A Rivas gebruikt de wiskunde van de informatietheorie om dit debat te beslechten. Zij behandelen het genoom en de omgeving als een beperkt "informatiebudget" en vragen zich af of dit budget groot genoeg is om de exacte, microscopische details van een levend lichaam te betalen.
De belangrijkste bevinding van de auteurs is een resoluut "nee". Ze bewijzen dat een organisme simpelweg niet genoeg informatie bevat om zijn eigen microscopische organisatie tot op de exacte positie van elk atoom te specificeren. Ze laten zien dat het genoom weliswaar briljant is in het specificeren van de typen onderdelen en de algemene regels van het spel, maar dat het veel te klein is om een gedetailleerde kaart te zijn voor elke enkele beweging. In plaats van een vooraf geschreven script, fungeert het genoom eerder als een spelplan of een reeks regels voor een "universele compiler" (de wetten van de fysica) om uit te voeren. De compiler neemt de grove instructies en gebruikt de wetten van de chemie en fysica om de exacte details in realtime uit te werken.
Om dit concreet te maken, gebruiken de auteurs een leuke analogie: denk aan het genoom niet als een kunstschaatschoreograaf die elke draai en beweging van het lichaam van een schaatser dicteert, maar als het spelplan van een hockeycoach. De coach bepaalt de selectie, de tactieken en wie op welke lijn speelt. Maar de coach vertelt de puck niet precies waar hij heen moet; dat doet de fysica tijdens de wedstrijd. Het spel ziet eruit als hockey vanwege de strategie van het team (het genoom), en niet omdat elke coördinaat vooraf was geprogrammeerd.
Het artikel sluit expliciet het idee van "geprogrammeerd microtoestand-determinisme" uit. Dit is de chique manier om te zeggen dat het DNA onmogelijk een lijst met instructies kan bevatten die elk molecuul vertelt precies waar het op elk moment in de tijd moet zijn. De auteurs stellen dat als je probeert de exacte 3D-coördinaten van elk atoom in een eiwit of een cel op te schrijven, de benodigde hoeveelheid informatie vele malen groter is dan de informatie die in het volledige DNA van de organisme is opgeslagen. Zo berekenen ze bijvoorbeeld dat het specificeren van de exacte atomaire structuur van alle eiwitten in een mens ongeveer 41% van de totale informatiecapaciteit van het menselijk genoom zou vereisen voor die ene taak alleen, en dat is zonder zelfs de rest van de cel mee te rekenen! Als je probeert het exacte pad van een ontwikkelend embryo te specificeren, is de benodigde informatie miljoenen keren groter dan wat het genoom kan bevatten.
De auteurs zijn zeer zeker over dit punt. Ze hebben niet zomaar gegokt; ze hebben een wiskundig bewijs gebouwd op basis van twee solide regels: eerst, dat het genoom een eindige omvang heeft (het kan slechts een bepaald aantal bits bevatten), en tweede, dat informatie alleen lokaal kan reizen (een molecuul kan niet direct weten wat er aan de andere kant van de cel gebeurt). Ze hebben ook simulaties uitgevoerd en echte gegevens gecontroleerd. Ze keken naar eiwitvouwing met behulp van AlphaFold-2 (een beroemde AI voor het voorspellen van eiwitvormen) en ontdekten dat de structurele informatie in eiwitten ongeveer 27 keer groter is dan de informatie in het DNA dat hen codeert. Ze simuleerden ook een hele bacteriecel (JCVI-syn3A) en ontdekten dat naarmate de cel groeit, de informatie die nodig is om de exacte ruimtelijke lay-out te volgen, snel de capaciteit van het genoom overstijgt.
Dus, wat betekent dit? Het betekent dat het genoom een specificatie van een generator is, geen trajectprogramma. Het vertelt de cel wat het moet bouwen en hoe het in algemene zin moet bouwen, maar het vertrouwt op de gedeelde wetten van de fysica om het zware werk te doen van het uitzoeken van de exacte details. Het genoom is de blauwdruk voor het ensemble (de groep mogelijke uitkomsten), niet het script voor het individuele traject (het exacte pad). Dit betekent niet dat het leven willekeurig is; het betekent alleen dat het "programma" veel grover is dan we dachten, en dat de rest wordt afgehandeld door de fysica van het universum zelf. Het artikel bevestigt dat geen enkel bekend natuurlijk omgevingssignaal dit gat kan opvullen; de omgeving helpt, maar het is geen geheim tweede harde schijf voor de cel. Het resultaat herkadert de biologie: wij zijn niet robots die een vooraf geschreven code uitvoeren, maar het result van een compacte set regels die interageert met de oneindige mogelijkheden van de fysica.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.