[論文レビュー] Life's Solutions are Not Ideal

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|May 1, 2011

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 98被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、強いイオン相互作用のため、生物学的イオン溶液は本質的に非理想的であり、理想気体近似や質量作用則のような古典的理論では不十分であると主張する。本稿では、第一原理からイオン相互作用を捉える偏微分方程式を導出可能な自己整合的で数学的な枠組みとして、複雑流体の変分理論を提唱し、細胞内における生物学的に関連するイオン混合物の計算可能なモデル化を可能にする。

ABSTRACT

Life occurs in ionic solutions, not pure water. The ionic mixtures of these solutions are very different from water and have dramatic effects on the cells and molecules of biological systems, yet theories and simulations cannot calculate their properties. I suggest the reason is that existing theories stem from the classical theory of ideal or simple gases in which (to a first approximation) atoms do not interact. Even the law of mass action describes reactants as if they were ideal. I propose that theories of ionic solutions should start with the theory of complex fluids because that theory is designed to deal with interactions from the beginning. The variational theory of complex fluids is particularly well suited to describe mixtures like the solutions in and outside biological cells. When a component or force is added to a solution, the theory derives - by mathematics alone - a set of partial differential equations that captures the resulting interactions self-consistently. Such a theory has been implemented and shown to be computable in biologically relevant systems but it has not yet been thoroughly tested in equilibrium or flow.

研究の動機と目的

• 古典的理論（理想気体近似に基づくもの）が生物学的系におけるイオン溶液を記述する上で根本的に不十分であることを解決すること。
• 既存の理論が初期段階からイオン-イオン相互作用およびイオン-溶媒相互作用を無視しているため、失敗することを特定すること。
• 相互作用を本質的に取り入れる複雑流体理論に基づく、新しい理論的基盤を提唱すること。
• 成分や力が溶液に追加された際に、第一原理から偏微分方程式を導出できる数学的に自己整合的なフレームワークを開発すること。
• この新しい手法を用いて、細胞内および細胞外の生物学的に関連するイオン混合物の計算可能なシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• 成分間の相互作用を自然に組み込む変分的複雑流体理論を基礎理論として採用すること。
• 数学的導出を用いて、追加された成分や力に対して、イオン溶液の自己整合的応答を記述する偏微分方程式を生成すること。
• 細胞内および細胞外の液体に類似したイオン混合物に理論を適用し、生物学的に関連する系に焦点を当てる。
• 理論を計算的に実装し、複雑なイオン環境のモデル化における実現可能性を示すこと。
• 従来の質量作用則や理想気体則とは異なり、フレームワークが非理想性を仮定しないこと。
• 熱力学的整合性に基づく理論を構築し、平衡状態および非平衡状態（例：流れ）の両方を記述可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ古典的化学平衡理論および質量作用則は、生物学的系におけるイオン溶液を記述できないのか？
• RQ2 どのような理論的枠組みが、複雑な生物学的流体におけるイオン-イオンおよびイオン-溶媒相互作用を一貫して説明できるのか？
• RQ3 複雑流体の変分的アプローチは、細胞内のイオン混合物に対して計算可能で自己整合的な方程式を生成できるか？
• RQ4 提案された理論は、理想化モデルと比べて、生物学的イオン溶液の挙動をどのように異なって予測するのか？
• RQ5 この理論は、生物学的系における平衡状態および流れの条件の両方へどの程度応用可能なのか？

主な発見

• 変分的複雑流体理論は、非理想性を仮定せず、イオン相互作用を記述する偏微分方程式を自己整合的かつ数学的に導出可能である。
• 理論は生物学的に関連する系において計算可能であり、細胞内イオン環境のモデル化における実現可能性が示された。
• 理想気体近似に基づく既存の理論は、イオン混合物が生物学的分子や細胞に及ぼす顕著な影響を捉えられていない。
• 古典的手法とは異なり、このフレームワークは初期段階から相互作用を本質的に含んでいる。
• 成分や力が追加された際に、物理法則を第一原理から導出できることで、整合性が保証される。
• 理論は平衡状態だけでなく、流れなどの非平衡状態に対しても適用可能であるが、これらの領域における完全な検証は未実施である。