La presión mutacional termodinámica en el mecanismo de replicación del ADN y sus efectos en la evolución molecular biológica

Abstract

El proceso de replicación y reparación del ADN es crucial en la generación de mutaciones y la evolución del ADN. Utilizando la distribución de Boltzmann para un conjunto canónico, se puede calcular la probabilidad de ingreso de nucleótidos libres al sitio de replicación, afectada por factores como la energía potencial molecular, la abundancia de nucleótidos, la secuencia de ADN cercana, y la temperatura. Estos factores incluyen la energía de los puentes de hidrógeno y las interacciones electrostáticas. Este enfoque permite calcular las probabilidades de mutaciones ocurridas durante la replicación del ADN, ofreciendo información sobre la acumulación de nucleótidos a lo largo de la evolución. Hay dos métodos de estudio: simulaciones computacionales y aproximaciones analíticas. Nuestro estudio previo incluyó una simulación de Monte Carlo que estimó energías y predijo un aumento en el contenido de guanina-citosina (GC) en la molécula de ADN. Esta simulación se correlacionó con evidencias experimentales de secuencias genómicas, especialmente en Kinetoplastidia y Plasmodium, y permitió explicar el fenómeno del "codon bias" de una mantera natural. En este trabajo, presentamos una evaluación analítica basada en la distribución de Boltzmann y las energías potenciales del sistema. Nuestra nomenclatura y análisis matemático-estadístico predicen un incremento de concentración de GC en el tiempo. Los resultados teóricos coinciden con las simulaciones anteriores, apoyando la idea de una "presión mutacional termodinámica" que guía la evolución y podría explicar el "codon bias", un misterio en la biología moderna.

The process of DNA replication and repair is crucial in the generation of mutations and DNA evolution. Using the Boltzmann distribution for a canonical ensemble, one can calculate the probability of free nucleotide entry into the replication site, affected by factors such as molecular potential energy, nucleotide abundance, nearby DNA sequence, and temperature. These factors include hydrogen bond energy and electrostatic interactions. This approach allows the calculation of the probabilities of mutations occurring during DNA replication, providing information on the accumulation of nucleotides throughout evolution. There are two methods of study: computational simulations and analytical approaches. Our previous study included a Monte Carlo simulation that estimated energies and predicted an increase in guanine-cytosine (GC) content in the DNA molecule. This simulation correlated with experimental evidence from genomic sequences, especially in Kinetoplastidia and Plasmodium, and allowed us to explain the codon bias phenomenon in a natural way. In this work, we present an analytical evaluation based on the Boltzmann distribution and potential energies of the system. Our nomenclature and mathematical-statistical analysis predict an increase of GC concentration over time. The theoretical results agree with previous simulations, supporting the idea of a "thermodynamic mutational pressure" that guides evolution and could explain the "codon bias", a mystery in modern biology.