Termodinamica informațiilor virale – De ce este dominată diversitatea biologică de viruși?

Distrugerea informațiilor fizice are ca rezultat eliberarea de căldură conform principiului lui Landauer. Această căldură poate fi măsurată prin calorimetrie. În mod specific, calorimetria izotermă ne dă informații despre rata de conversie a informațiilor fizice ale unei comunități în căldură. Informațiile genetice ale aceleiași comunități pot fi, de asemenea, măsurate, în acest caz prin secvențierea ADN-ului. Pe baza acestor două tehnici, propunem următorul experiment în care informațiile fizice sunt urmărite folosind calorimetria, iar informațiile genetice sunt urmărite folosind metagenomica. Când cele două sunt reprezentate grafic așa cum se arată în figura de mai jos, propunem că o comunitate dominată de informații virale apare în regiunea din dreapta jos a graficului în care informațiile genetice sunt realizate în detrimentul eficienței termodinamice (adică, conversie redusă la informații fizice) .

(Căutarea informațiilor virale. Rândul indică unde cantitatea de informații fizice și informații genetice conținute în celule este egală. Comunitățile de deasupra liniei conțin mai multe informații fizice decât genetice datorate diversității genetice reduse (puține specii, dar mulți indivizi), fiecare individ necesitând o anumită cantitate de energie, indiferent de compoziția sa genetică. Comunitățile de sub linie conțin mai multe informații genetice. Aici devine evident costul energetic al informațiilor și unde ne așteptăm să găsim informații virale.)

Există dovezi că informațiile virale sunt reale? Djamali și colegii săi au folosit calorimetrie izotermă pentru a studia căldura eliberată de comunitățile microbiene și virale marine (Djamali E, Nulton JD, Turner PJ, Rohwer F, Salamon P. Heat output by marine microbial and viral communities. J Non-Equilib Thermodyn. 2012;37:291–313. doi: 10.1515/jnetdy-2011-0235.). În acest experiment, virușii au redus stocul permanent al componentei celulare cu ~ 25%. În același timp, virușii au crescut puterea de lucru a sistemului cu peste 200%. Scăderea numărului de celule, împreună cu creșterea diversității, seamănă foarte mult cu informațiile virale. Experimentele viitoare de acest tip oferă un cadru pentru testarea ipotezei informațiilor virale.

Ca un posibil exemplu al consecințelor informațiilor virale în natură, să luăm în considerare conservarea globală a secvențelor virale. „Vânătoarele” specifice PCR pentru același virus și / sau gene codificate viral au arătat că acei viruși / gene virale sunt relativ frecvente în întreaga lume. De exemplu, primele PCR au fost proiectate pentru a amplifica în mod specific două secvențe virale numite HECTOR și PARIS. Aceste așa-numite secvențe PUP (polimeraze din podofagul necultivat) au fost prezente în majoritatea mediilor investigate și s-au dovedit a fi în esență identice (> 99% conservate la nivelul nucleotidelor). În mod similar, eșantioanele metagenomice au găsit secvențe virale exact identice, care se suprapun din părți larg dispersate ale oceanului. În cele din urmă, secvențierea genomică a fagului a identificat secvențe potrivite exact în genomi fagici foarte diferiți.

Apariția pe scară largă a secvențelor aproape identice pe planetă necesită o explicație. Forest Rohwer și Katie Barott propun ipoteza că această conservare globală extrem de fidelă se datorează costului energetic asociat cu ștergerea informațiilor. Există literalmente un număr astronomic de viruși pe planetă. Se estimează că fiecare populație virală (adică numărul de indivizi din aceeași specie) este 10²³. Dacă fiecare virus dintr-o populație are o diferență de un bit de informații, atunci căldura eliberată prin distrugerea acelor informații suplimentare ar fi de 1.800 J prin principiul lui Landauer (figura de mai jos). Cu alte cuvinte, o populație virală care are o mutație pe replicarea genomului costă cu 1,8 kJ mai mult de replicat decât o populație virală care nu are mutații. Pe parcursul unui an, cantitatea de energie necesară pentru populația virală mutantă față de populația nemutantă este de aproximativ 100 kJ, presupunând că întreaga populație este înlocuită o dată pe săptămână. De-a lungul unui miliard de ani, acesta este 10¹⁴ J, care este aproximativ echivalent cu cantitatea de energie eliberată de o bombă atomică. Populațiile eficiente din punct de vedere energetic întrec pe cele care sunt mai puțin eficiente; prin urmare, populațiile de viruși cu rate de mutație reduse vor întrece pe cele cu rate de mutație mai mari, toate celelalte lucruri fiind egale.

(Limita și mutațiile Landauer. O mutație într-o populație de ADN creează cel puțin 2 biți de informații fizice. Costul suplimentar de 3–6 × 10⁻²¹ J pentru ștergerea populației „B”)

Costurile energetice suplimentare ale informațiilor fizice asociate cu o mutație ar putea explica de ce se observă secvențe virale identice la scară globală. Informațiile fizice în sensul unei mutații sunt o presiune de selecție extrem de mică și presupunem că limita Landauer este cea mai mică forță de selecție. Datorită stilurilor lor de viață „doar informative”, este mai ușor să observăm consecințele termodinamice ale informațiilor în comunitățile virale. Mai mult, observăm acest lucru numai în natură, deoarece este extrem de greu să crești 10²³ fagi (sau orice altă entitate biologică) în laborator.

Imaginarea biosferei ca un sistem masiv care alimentează în cele din urmă virușii ne ajută să abordăm o întrebare remarcabilă majoră: de ce diversitatea biologică este dominată de viruși? La această întrebare nu s-ar fi gândit nici măcar biologii mai demult, pur și simplu pentru că nu știau întinderea virosferei. Cu toate acestea, biologia modernă trebuie să încorporeze acest fenomen natural în canonul său. Ipoteza informațiilor virale are potențialul de a sintetiza ecologia și teoria evoluției prin încorporarea virușilor cu restul biologiei într-un cadru termodinamic.

Sursa: Viral information, Forest Rohwer, Katie Barott- Biol Philos. 2013 Mar; 28(2): 283–297. Published online 2012 Oct 31. doi: 10.1007/s10539-012-9344-0, PMCID: PMC3585991