[論文レビュー] Life's Solutions are Complex Fluids. A Mathematical Challenge

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Protein Structure and Dynamics参考文献 367被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、生物学的系におけるイオン性溶液を、電気的相互作用、境界条件、流れが生命に不可欠であるため、古典的熱力学および統計力学の限界を克服するため、複雑流体として取り扱うことを提案する。量子力学的電子ダイナミクスを、複雑流体理論を介して連続体レベルの電気的および立体的場と統合することで、著者は、酵素活性部位における生化学的反応が一時的で不均一かつ相互作用的な系として理解されなければならないと主張する。ここでは、すべての要因が互いに影響し合う。

ABSTRACT

Classical thermodynamics and statistical mechanics describe systems in which nothing interacts with nothing. Even the highly refined theory of simple fluids does not deal very well with electrical interactions, boundary conditions, or flows, if at all. Electrical interactions, boundary conditions, and flows are essential features of living systems. Life without flow is death and so a different approach is needed to study biology alive. The theory of complex fluids deals with interactions, boundary conditions, and flows quite well as can be seen in its successful treatment of liquid crystals. I advocate treating ionic solutions in general as complex fluids, with microelements that are the solutes and components of the solution. Enzyme active sites are a special case where some solutes are reactants. Solutes are crowded into active sites of enzyme by the high density of protein charges. The electric field links chemical reactions to charges in the protein and surrounding solutions. Interactions potentiate catalysis and control biological function. I suspect that most chemical reactions that occur in liquids also need to be treated by the theory of complex fluids. The electron movements of these reactions occur in a temporary highly concentrated fluctuation, a transient spatial inhomogeneity in the bulk solution. The electron movements of these reactions (described by quantum mechanics) are coupled to the electric (and sometimes steric) fields of the bulk solution. I suspect the electron movements, inhomogeneities, and chemical reaction (in the condensed phase) need to be treated by the theory of complex fluids because everything interacts with everything else, in this system, as in so many others.

研究の動機と目的

• 生命系に内在する電気的相互作用、境界条件、流れを適切にモデル化できない古典的熱力学および統計力学の不備を是正すること。
• 生命は流れに依存しており、静的モデルでは生物学的機能を捉えきれないことの認識。
• 複雑流体理論を、反応の相互作用、境界効果、動的流れを統合的に取り扱える統一的枠組みとして導入すること。
• 凝縮相における酵素活性部位や化学反応を、一時的で高濃度かつ不均一なフラクチュエーティング領域として再定式化し、結合した電気的および立体的場が支配することを示すこと。
• 反応における電子移動を、周囲のバルク溶液の電場の文脈で取り扱う必要があり、包括的で多体的かつ統合的な手法が不可欠であると主張すること。

提案手法

• 溶質のミクロスケール相互作用、電場、境界条件を組み込んだ、イオン性溶液を複雑流体としてモデル化すること。
• 液体結晶の分野で成功を収めた複雑流体理論を、酵素活性部位などの生物学的系に応用すること。
• 電荷を帯びた環境において、反応物を含む溶質を、密集し、電荷を帯びた状態として扱い、静電ポテンシャルと立体的制約が反応性を調節することを考慮すること。
• 多スケール的手法を用いて、量子力学的電子ダイナミクスを溶液の連続体的電気的および立体的場と結合すること。
• 一時的で空間的に不均一な構造を、化学反応中に局所的に高濃度の領域が生じる現象として記述すること。
• 溶質、電荷、溶媒が共に反応経路と速度を決定する、完全に相互作用するネットワークとして系を定式化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的熱力学および統計力学は、生命系に不可欠な電気的相互作用と流れをどのように拡張してモデル化できるか。
• RQ2 生物学的環境における境界条件および電場が、酵素触媒作用および反応速度に及ぼす影響の程度はどの程度か。
• RQ3 複雑流体理論は、凝縮相における化学反応をモデル化するうえで、従来の手法よりもより正確な枠組みを提供できるか。
• RQ4 イオン性溶液における一時的で局所的な不均一性は、生化学的反応中の電子移動にどのように影響するか。
• RQ5 バルク溶液の電場が、量子レベルの電子ダイナミクスと生物学的系におけるマクロな反応速度論をどのように結合させるか。

主な発見

• 古典的理論は、生命に不可欠な電気的相互作用、境界効果、流れを十分にモデル化できていない。
• 複雑流体理論は、反応の相互作用、境界条件、流れといった、従来の統計力学で欠落または不十分にモデル化されていた重要な特徴を的確に扱える。
• 酵素活性部位は、高い電荷密度が一時的で局所的な不均一性を生じさせ、触媒作用を促進するマイクロ環境として機能する。
• 化学反応中の電子移動は、変動的で高濃度の溶液領域内で発生し、動的かつ相互作用的な系の一部として取り扱う必要がある。
• 溶液の電場は、量子レベルの電子ダイナミクスとマクロな反応速度論を結合しており、複雑流体理論による統合的取り扱いが不可欠である。
• 本論文は、液体中でのほとんどの化学反応が、系内に広がるすべての成分の結合を考慮した複雑流体フレームワーク内で取り扱われるべきであると結論づける。