[論文レビュー] Can we make biochemistry an exact science?

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、生物化学が正確な科学であるためには、電荷保存則とグローバル電場相互作用を考慮に入れるために mass action の法則を再定式化する必要があると主張しており、複雑な生物学的液体における正確な方程式を導くために変分法とマルチスケールモデリングが不可欠であると提唱している。

ABSTRACT

Biochemists know that the law of mass action is not exact and not very useful because we cannot transfer it (with unchanged parameters) from one condition to another. I argue that exact equations require calibrated multiscale analysis to deal with ions. Exact theories in biochemistry must use mathematics of interactions because biological ionic solutions, derived from seawater, are complex (not simple) fluids. The activity of one ion depends on every other ion. Mathematics of conservative interactions is well understood but friction is another matter. Mathematicians now have now an energetic variational calculus dealing with friction. Complex fluids need variational methods because everything interacts with everything else. Mathematics designed to handle interactions is needed to produce exact equations. If interactions are not addressed with variational mathematics, they are bewildering. The mathematics must include the global properties of the electric field. Flow of charge in one place changes the flow everywhere by Kirchoff and Maxwell laws. Charge changes physical nature as it flows through a circuit. It is ions in salt water; it is electrons in a vacuum tube; it is quasi-particles in a semiconductor; and it is nothing much in a vacuum capacitor (i.e., displacement current). Charge is abstract. The physical nature of charge and current is strikingly diverse; yet, the flow of current is exactly the same in every element in a series circuit. The global nature of electric flow prevents the law of mass action from being exact. The law of mass action (with rate constants that are constant) does not know about charge. The law of mass action is about mass conservation. I believe the law of mass action must be modified to be consistent with the Kirchoff current law if biochemistry is to be an exact science.

研究の動機と目的

• 生物化学における質量作用の法則の根本的限界に取り組むこと。これは、電荷ダイナミクスを無視しているため、イオン濃度が変化する条件下で失敗する。
• 正確な生化学的理論は、グローバル電場効果とマルチスケールイオン相互作用を組み込むべきであることを確立すること。
• イオン流体における摩擦力と非保存力が、古典的質量作用法則を超える高度な数学的枠組みを必要とすることを示すこと。
• 複雑な流体相互作用を扱うために、特にエネルギー的変分法を生化学的モデリングに統合することを提唱すること。
• キルヒホッフの電流則に一致させるように、生物的回路における電荷保存則を満たすように、生化学的速度論を再定式化すること。

提案手法

• イオン流体における摩擦力と非保存力のモデリングにエネルギー的変分法を用いる。
• ミクロなイオン相互作用とマクロな電場行動を結合するマルチスケール解析を用いる。
• 直列接続要素において、物理的形態（イオン、電子、準粒子）にかかわらず電流が同一であるという原則に基づき、電荷の流れを再解釈する。
• 生化学的速度論にマクスウェルとキルヒホッフの法則を統合し、グローバルな電荷保存則を強制する。
• 電荷の物理的性質が異なる媒体（例：塩水中のイオン vs. 半導体中の電子）を考慮に入れつつ、質量作用の法則を再定式化する枠組みに埋め込む。
• 変分法を用いて、複雑で非理想なイオン溶液における、あるイオンの活性度が他のすべてのイオンに依存する仕組みをモデリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ古典的質量作用の法則は生物学的イオン系において正確な予測を提供できないのか？
• RQ2 電荷保存則とグローバル電場効果を、生化学的方程式に数学的に組み込むにはどうすればよいか？
• RQ3 非保存力と摩擦力はイオン流体力学にどのような役割を果たし、正確にモデリングするにはどうすればよいか？
• RQ4 電荷の物理的性質（例：塩水中のイオン vs. 真空中の電子）が、従来の運動則の有効性にどのように影響するのか？
• RQ5 変分法は、複雑な流体における正確な生化学的理論のための一貫した数学的基盤を提供できるか？

主な発見

• 質量作用の法則は、電荷保存則とグローバル電場効果を無視しているため、生物化学において本質的に不正確である。
• 正確な生化学的方程式は、溶液内に存在するすべてのイオン間の相互作用を考慮するマルチスケール的手法を要する。
• エネルギー的変分法を含む変分法は、イオン流体における摩擦力と非保存力のモデリングに不可欠である。
• 電流は、回路内のすべての直列要素において物理的形態に関係なく同一であるため、モデルが尊重すべき普遍的な保存則が存在する。
• 電荷の物理的性質は媒体によって変化する（例：水中のイオン vs. 真空中の電子）が、電流は保存される。これは、統一的かつグローバルな記述の必要性を示唆する。
• キルヒホッフの電流則に一致させるように、質量作用の法則を再定式化することは、生化学的速度論における正確さを達成する上で不可欠である。