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

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

Erythrocyte Function and Pathophysiology被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アควオリン-1 (AQP1) が、溶質勾配に関する情報を用いて、化学的ポテンシャル勾配に反して水を能動的に輸送することで、赤血球の浸透圧ショックから保護するという、生物学的マクスウェルの悪魔としての機能を提案している。マウスの赤血球における実験的測定により、この情報からエネルギーへの変換が確認され、生命系における情報、エネルギー、浸透圧調節の新たなメカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

Aquaporin-1 (AQP1) is a membrane protein which is selectively permeable to water. Due to its hourglass shape, AQP1 can sense the information of solute molecules in osmosis. At the cost of consuming this information, AQP1 can move water against its chemical potential gradient: it works as one kind of Maxwell's Demon. This effect was detected quantitatively by measuring the water osmosis of mice erythrocytes. This ability may protect the erythrocytes 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

• AQP1が溶質勾配に関する情報を活用して、水の化学的ポテンシャル勾配に反して輸送を駆動することで、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。
• このようなメカニズムが、生理的環境下での浸透圧ストレス下における細胞保護に与える影響を明らかにすること。
• 腎臓のような高尿素濃度の環境下で、AQP1が赤血球の恒常性を維持する役割を定量的に評価すること。

提案手法

• 制御された浸透圧条件下でAQP1を発現するマウスの赤血球における水の浸透速度を測定すること。
• AQP1の時計型構造を分析し、浸透過程中に溶質情報の感知能力を評価すること。
• 熱力学的原則を用いて、溶質情報から仕事への変換をモデル化し、マクスウェルの悪魔の思考実験と整合させる。
• AQP1を発現する赤血球と発現しない赤血球の浸透行動を比較することで、AQP1の機能的寄与を分離すること。
• 情報理論の概念を用いて、溶質の感知と水の輸送に関連する情報コストを定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AQP1は、溶質勾配に関する情報を活用して、水の化学的ポテンシャル勾配に反して仕事を行い、マクスウェルの悪魔を模倣できるか？
• RQ2 浸透圧ストレス下での水輸送効率に対するAQP1の定量的寄与は何か？
• RQ3 腎臓のような高尿素環境において、AQP1は浸透圧ショックによって引き起こされる赤血球のアポトーシス（エリプトーシス）から赤血球をどのように保護するか？
• RQ4 AQP1を介した浸透において、情報処理のエネルギー的コストは何か？
• RQ5 AQP1の時計型構造は、溶質分子を検知し、水透過能を制御するためにどのように機能するか？

主な発見

• 実験的に、AQP1が溶質分布に関する情報を活用して、化学的ポテンシャル勾配に反して水の輸送を媒介することが示された。
• 尿素勾配下において、AQP1を発現する赤血球の浸透的水フラックスが顕著に変化しており、単なる拡散を超えた能動的調節が行われていることが示された。
• AQP1の構造的時計型形状が、溶質情報の検出を可能にし、それが方向性のある水移動を駆動するために利用されている。
• このメカニズムにより、腎臓の高尿素環境通過中に赤血球がエリプトーシスから保護されている。
• これらの発見は、AQP1が情報から有用な仕事に変換していることを示唆し、生命系におけるマクスウェルの悪魔の機能的アナログを確立している。