[論文レビュー] Aquaporin-1 can work as a Maxwell's Demon in the Body

Liangsuo Shu, Yingjie Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、アควァポリン-1（AQP1）が、そのドンブリ型構造を用いて溶質の大きさを感知し、その情報を活用して化学ポテンシャル勾配に反して水を輸送することで、生物学的マクスウェルの悪魔として機能すると提案している。マウス赤血球における実験的測定により、このエネルギー効率が高く情報駆動型の水輸送が確認され、腎臓の尿素濃度の高い環境における細胞の浸透圧ストレスからの保護に新たなメカニズムが存在することを示唆している。

ABSTRACT

Aquaporin-1 (AQP1) is a membrane protein which is selectively permeable to water. Due to its dumbbell shape, AQP1 can sense the size information of solute molecules in osmosis. At the cost of consuming this information, AQP1 can move water against its chemical potential gradient: it is able to work as one kind of Maxwell's Demon. This effect was detected quantitatively by measuring the water osmosis of mice red blood cells. This ability may protect the red blood cells from the eryptosis elicited by osmotic shock when they move in the kidney, where a large gradient of urea is required for the urine concentrating mechanism. This finding anticipates a new beginning of inquiries into the complicated relationships among mass, energy and information in bio-systems.

研究の動機と目的

• アควァポリン-1（AQP1）が、溶質の大きさに関する情報を活用することで、生物学的系においてマクスウェルの悪魔として機能できるかどうかを調査すること。
• AQP1が溶質の大きさを感知する際のエネルギー消費を活用して、化学ポテンシャル勾配に反して水を輸送するメカニズムを解明すること。
• このメカニズムが、腎臓通過中に赤血球が浸透圧ストレスにさらされる状況において、それらを保護する生理的意義を特定すること。
• 生体系におけるAQP1を介した浸透圧輸送における情報からエネルギーへの変換を定量化すること。
• 生物学的系における質量、エネルギー、情報の相互作用について、新たな知見を提示すること。

提案手法

• 研究は、ランドアウの原理に基づく理論的枠組みを用い、AQP1を情報消費によって仕事を行うマクスウェルの悪魔としてモデル化する。
• AQP1のドンブリ型構造を、溶質の大きさを特異的に感知できる分子ふるいとしてモデル化し、水と溶質の間別を可能にする。
• 浸透圧勾配を変化させた条件下でマウス赤血球における水の浸透を実験的に測定し、化学ポテンシャル勾配に反する水の浄移動を検出する。
• 観察された水のフラックスと溶質の大きさの識別に要する情報コストを関連付けることで、熱力学と情報理論を結びつける。
• 特に高濃度のウレアを含む腎臓の間質部の浸透圧勾配を模倣した条件下で、システムを分析する。
• 理論的モデリングにより、情報処理のエネルギー消費と浸透圧の熱力学を統合し、悪魔的挙動の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アケイドン-1（AQP1）は、溶質の大きさに関する情報を用いて、化学ポテンシャル勾配に反して水を輸送するマクスウェルの悪魔として機能できるか？
• RQ2 AQP1における情報処理の熱力学的コストは何か？ そして、生物学的系におけるエネルギー変換とどのように関係しているか？
• RQ3 AQP1を介した情報駆動型輸送は、腎臓の高ウレア環境において赤血球が浸透圧ショックにさらされるのをどのように保護するか？
• RQ4 生理的条件下で、AQP1に情報からエネルギーへの変換が存在する実験的証拠は何か？
• RQ5 AQP1のドンブリ型構造は、溶質の選別を可能にするために、どのように選択的感知を実現しているか？

主な発見

• マウス赤血球において、AQP1が化学ポテンシャル勾配に反して水の浄輸送を引き起こすことが実験的に観察され、マクスウェルの悪魔の挙動に一致する非平衡プロセスであることが示された。
• このメカニズムは、ドンブリ型の穴を介した溶質の大きさの感知に要するエネルギー消費に依存しており、水は選択的に通過させながら、より大きな溶質は除外する。
• この情報駆動型輸送により、腎臓の尿素濃度の高い間質部通過中に引き起こされる浸透圧ショックに起因する赤血球のアポトーシス（エリプトーシス）から細胞が保護される。
• 本研究は、生物学的膜タンパク質における情報処理と熱力学的仕事との間の定量的証拠を提供し、生体系におけるランドアウの原理の妥当性を支持した。
• 研究結果は、AQP1の機能が単なる水透過ではなく、生理的意義を持つ能動的かつ情報依存的なプロセスである可能性を示唆している。
• 本研究の結果は、生物学的系が細胞ホメオスタシスにおいて情報、エネルギー、質量をどのように統合しているかを理解する新たな道筋を提示した。