[論文レビュー] Free-Energy Transduction in Chemical Reaction Networks: from Enzymes to Metabolism

Artur Wachtel, Riccardo Rao+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 32被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、ストイキオメトリック行列とキモスタット状態の種を用いて、基本的な熱力学的力と電流を特定することで、任意の開放系化学反応ネットワーク（CRNs）における自由エネルギー変換の一般的熱力学的枠組みを提示する。本研究では、ギコリシスやTCA回路のような代謝経路が、高エネルギー供給体からATPや他の仕事変換過程への自由エネルギーの変換を介して、熱力学的マシンとして機能することを示している。

ABSTRACT

We provide a rigorous definition of free-energy transduction and its efficiency in arbitrary -- linear or nonlinear -- open chemical reaction networks (CRNs) operating at steady state. Our method is based on the knowledge of the stoichiometric matrix and of the chemostatted species (i.e. the species maintained at constant concentration by the environment) to identify the fundamental currents and forces contributing to the entropy production. Transduction occurs when the current of a stoichiometrically balanced process is driven against its spontaneous direction (set by its force) thanks to other processes flowing along their spontaneous direction. In these regimes, open CRNs operate as thermodynamic machines. After exemplifying these general ideas using toy models, we analyze central energy metabolism. We relate the fundamental currents to metabolic pathways and discuss the efficiency with which they are able to transduce free energy.

研究の動機と目的

• 基本的な反応を超えた、任意の開かれた化学反応ネットワーク（CRNs）における自由エネルギー変換の厳密で一般的な枠組みを構築すること。
• 従来の熱力学や既存のモデルが線形動力学または基本的ステップを仮定するという制限を克服すること。
• ネットワークのトポロジーを用いて、非線形的かつ非基本的CRNsにおける基本的熱力学的力と電流を同定すること。
• 中心代謝経路にこの枠組みを適用し、エネルギー変換効率を定量化すること。
• グルコース代謝やTCA回路、電子伝達系のような複雑な生物学的系におけるエネルギー変換を体系的に分析するための方法を確立すること。

提案手法

• ストイキオメトリック行列を用いて、各反応における種の純生成量を定義する。
• 一定濃度を維持するキモスタット状態の種を特定し、環境的リザーバーを定義する。
• 反応間の化学ポテンシャル差から基本的熱力学的力を導出する。
• ストイキオメトリックにバランスの取れたプロセスの純フリューとして基本的電流を定義する。
• スパニングツリー、サイクルベースなどのネットワーク理論的手法を用いて、フラックスを独立した熱力学的サイクルに分解する。
• 力と電流の積としてエントロピー生成量を計算し、これにより効率の定量化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の非線形的開放系CRNsにおいて、自由エネルギー変換をどのように厳密に定義できるか？
• RQ2 このようなネットワークにおけるエネルギー散逸と変換を支配する基本的熱力学的力と電流は何か？
• RQ3 ギコリシスやTCA回路のような代謝経路は、どのように熱力学的マシンとして機能するか？
• RQ4 中心代謝における自由エネルギー変換の効率は何か？ そして、そのネットワークトポロジーとはどのように関係するか？
• RQ5 この枠組みを、グルコース代謝やTCA回路、電子伝達系を含む、任意のCRNに体系的に適用できるか？

主な発見

• 本フレームワークは、ストイキオメトリック行列とキモスタット状態の種のみを用いて、非線形的かつ非基本的CRNsにおける基本的熱力学的力と電流を的確に同定できた。
• ギコリシス、TCA回路、電子伝達系といった代謝経路が、高エネルギー供給体からの自由エネルギー変換によって駆動される熱力学的マシンとして機能することが示された。
• 理論により、ATP合成がNADH やピルビン酸といった高ポテンシャル供給体からの駆動力と関連づけられ、変換効率が定量化された。
• エタノール発酵において、出現するサイクルがピルビン酸からエタノールおよびNAD+への自由エネルギー変換を実行し、熱力学的制約と整合した純平衡が達成された。
• 細胞呼吸において、全ネットワークサイクル（ギコリシス＋TCA＋ETC）が、グルコースからATPおよびCO2への明確なエネルギー流れを維持する一貫した変換経路を形成することが示された。
• 本手法により、複雑な代謝ネットワークを熱力学的に独立したサイクルに体系的かつグラフ理論的に分解でき、正確な効率分析が可能になった。