[論文レビュー] Comment on "Enhanced Diffusion of Enzymes that Catalyze Exothermic Reactions" by R.Golestanian

Kostas Tsekouras, Clement Riedel+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Protein Structure and Dynamics被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、R. Golestanianが提唱した、発熱反応による集団的加熱が酵素拡散の増加を説明するとする仮説に挑戦する。正確な比熱と粘度の計算を用いて、著者たちは実験における温度上昇が0.1 K未塔であり、観察されたカタラーゼの拡散の25%増加を説明するには著しく小さいことを示し、実験的コントロールと統計的証拠を提示して、集団的加熱をメカニズムとして排除する。

ABSTRACT

We (Riedel et al. Nature 2015), as well as others, have showed that some enzymes exhibit enhanced diffusion when active. In a recent PRL, (Golestanian, PRL 2015, arXiv:1508.03219) R.Golestanian theoretically examines a number of possible explanations for this phenomenon and concludes that "collective heating" is the best candidate to account for the observed diffusion coefficient increase. Here we present evidence showing that collective heating cannot possibly apply to our experiments.

研究の動機と目的

• R. Golestanianの仮説に反論し、発熱反応による集団的加熱が酵素拡散の増加を説明するとする仮説を検証する。
• 実験的コントロールと熱力学的計算を用いて、溶媒の加熱が活性酵素における観察された拡散増加の原因でないことを排除する。
• 本研究の系における温度上昇が、カタラーゼで観察された25%の拡散増加を生じさせるには不十分であることを示す。
• 同じ反応容器内に存在する活性型と不活性型のウレアーゼの拡散行動の差を、集団的加熱が説明できないことを示す。
• 熱的効果を超える他のメカニズムが必要であることを示す統計的および物理的証拠を提供する。

提案手法

• 基質濃度、反応エントロピー変化、比熱を用いて、最大の温度上昇を計算：全基質消費を仮定した場合、ΔT ≈ 0.6 K。
• 温度および粘度依存補正を施したストークス＝アインシュタイン関係を適用し、拡散係数の増加を推定：ΔT = 0.6 K の場合、D′/D ≈ 1.015。
• カタライズの反応速度（k = 2.5×10⁴ s⁻¹、[C_cat] = 1 nM、t = 30 s）に基づく時間依存熱生成を用いて、実際のΔT ≈ 0.072 Kを計算。
• 実際の時間依存加熱を考慮した拡散増加を再計算：D′/D ≈ 1.00112、アレニウス補正を施すとD′/D ≈ 1.00118。
• コントロールデータに対してガウス型尤度比検定を実施し、固定された拡散（31.5 μm²/s）が25%増加よりも22倍尤もらしいことを示した。
• Golestanianの定常状態の基質補充仮定とは対照的に、本研究の補充なし系とは一致しないこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発熱反応による集団的加熱が、実験で観察されたカタライズの25%増加の拡散を説明できるか？
• RQ2 熱的損失なしに全基質が消費された閉じた系において、予想される最大温度上昇はどの程度か？
• RQ3 30秒間の実験における時間依存的熱生成は、理論的な最大温度上昇とどのように比較できるか？
• RQ4 活性カタライズが存在する同じ容器内に、不活性ウレアーゼが存在する場合、なぜ活性型と不活性型の拡散行動に差が生じるのか？
• RQ5 観察された拡散増加は熱的メカニズムに起因するか、それとも非熱的説明が必要か？

主な発見

• 完全な熱的断熱と全基質消費を仮定した場合、系における最大温度上昇はΔT ≈ 0.6 Kにとどまる。
• この温度上昇に起因する拡散係数の増加はD′/D ≈ 1.015と推定されるが、実験的に観察された25%増加とは著しく小さい。
• 実際の実験条件（1 nMのカタライズ、30秒間、基質補充なし）を考慮した場合、温度上昇はΔT ≈ 0.072 Kであり、D′/D ≈ 1.00112となる。
• アレニウス温度依存性を組み込むと、予測される増加はD′/D ≈ 1.00118にまで上昇するが、依然として観察された25%増加とは無視できるほど小さい。
• コントロールデータの統計的分析により、固定された拡散係数（31.5 μm²/s）が25%増加よりも22倍尤もらしく、集団的加熱仮説と矛盾する。
• 同じ容器内に存在する活性型と不活性型ウレアーゼの拡散行動の差を、集団的加熱が説明できないことから、熱的メカニズムはさらに否定される。