[論文レビュー] Do biological molecular machines act as Maxwell's demons?

Michał Kurzyński, Przemysław Chełminiak|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、酵素などの生物学的分子マシンが、情報とエントロピーの低減を活用して自由エネルギーを変換することで、マクスウェルの悪魔として機能できるかどうかを調査している。臨界的な複雑ネットワーク上のタンパク質ダイナミクスの確率的モデルを用いて、一時的状態におけるエントロピーの低減が情報の生成と組織化を可能にすることを示している。これは、生物学的マシンが仕事を行うのではなく、情報処理を行いエネルギー損失を低減することで、マクスウェルの悪魔として機能している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The nanoscopic isothermal machines are not only energy but also information transducers. We show that the generalized fluctuation theorem with information creation and entropy reduction can be fulfilled for the enzymatic molecular machines with the stochastic dynamics, which offers a choice of the work performance in a variety of ways. A model of such dynamics, specified by a critical complex network, is investigated. The main conclusion of the study is that the processing of free energy has to be distinguished from the processing of organization, which we identify with an adequately defined thermodynamic variable. Maxwell's demon utilizes entropy reduction for creation of information, which, from the former point of view, may be used for a reduction of energy losses, hence ultimately, for the performance of work. From the latter point of view, however, it can be used for other purposes, for example molecular recognition. This can be the case of biological molecular machines. From the biological perspective, the ascertainment is important, that the information creation and storage take place in the long lasting transient stages before completing the free energy transduction cycles. From a broader physical perspective, a supposition could be of special importance, that information is a change of organization, the thermodynamic function of state of the system.

研究の動機と目的

• 生物学的分子マシンがエントロピー低減と情報処理を活用することで、マクスウェルの悪魔として機能できるかどうかを特定すること。
• 等温かつ非平衡系における自由エネルギー変換と組織化変換を区別すること。
• エネルギー変換サイクル中に情報と組織化の生成に関与する一時的で長寿命の状態の役割を調査すること。
• 臨界的な複雑ネットワークを用いたタンパク質マシンの確率的ダイナミクスをモデル化し、エントロピー低減と情報の増加が生じる条件を評価すること。
• エネルギーとエントロピーとは別に、組織化を状態変数として持つ熱力学的意義を明らかにすること。

提案手法

• 等温でミクロ的系における情報生成とエントロピー低減を含む一般化されたフラクチュアーション定理の形式化。
• 臨界的な複雑ネットワーク構造上でのマコフ過程を用いたタンパク質分子マシンの確率的ネットワークモデル化。
• 分岐木構造ネットワークのコンピュータモデルを用いたシミュレーションにより、一時的状態とエントロピー・情報ダイナミクスを分析。
• エントロピー低減と情報生成に関連する組織化を、自由エネルギーおよび束縛エネルギーとは別に熱力学的変数として定義。
• 結合度（ε）と伝送比（n）の関係を分析し、ゼロコスト情報処理が成立する条件を評価。
• 情報処理サイクル中のメモリ消去に伴うエントロピー生成を説明するため、ランドアウアーの原理を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的分子マシンは、情報処理によるエントロピー低減によってマクスウェルの悪魔として機能できるか？
• RQ2 自由エネルギー変換の過程で、情報と組織化の生成に関与する一時的で長寿命の状態の役割は何か？
• RQ3 確率的タンパク質ダイナミクスにおいて、結合度（ε）と伝送比（n）の関係は何か？そしてこれはエネルギー効率にどのような意味を持つのか？
• RQ4 等温系において、組織化は自由エネルギーとエントロピーとは別に、どのように熱力学的変数として特徴づけられるか？
• RQ5 情報生成が、ネットワーク的仕事の実行なしにエネルギー散逸の低減をもたらす条件は何か？

主な発見

• 酵素分子マシンの確率的モデルにおいて、情報生成とエントロピー低減を含む一般化されたフラクチュアーション定理が成立する。
• エントロピー低減と情報生成は、自由エネルギー変換サイクルの完了に至るまでの長期間にわたる一時的状態で発生する。
• 本研究では、自由エネルギーおよびエントロピーとは別に、組織化を熱力学的変数として特定し、情報は組織化の変化に相当すると示された。
• 結合度（ε）と伝送比（n）の間にε < nの関係が見いだされ、エネルギー散逸を最小限に抑える条件が示唆された。
• モデルは、情報処理が必ずしも仕事を行わなくてもエネルギー損失を低減できることを示しており、生物学的マシンが情報処理の観点からマクスウェルの悪魔として機能している可能性を支持する。
• 結果から、ジマー型またはそれ以上の高次構造を有するタンパク質は、情報生成によるエントロピー生成の完全な補償を可能にし、ゼロコスト動作を実現するために進化的に好まれる可能性があると示唆された。