[論文レビュー] Maxwell's demon in biochemical signal transduction

Sosuke Ito, Takahiro Sagawa|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 3

ひとこと要約

本稿は情報理論と熱力学を統合し、伝達エントロピーが環境ノイズに対する生化学的シグナル伝達の頑健性を定量的に決定することを示した。細胞シグナル伝達をマクスウェルの悪魔に類似したフィードバック制御系としてモデル化することで、情報処理の限界が熱力学的制約によって規定されることを明らかにした。これは、明示的な符号化を伴わない新しい生物物理学的枠組みを提供し、細胞内コミュニケーションを理解する手がかりとなる。

ABSTRACT

Signal transduction in living cells is vital to maintain life itself, where information transfer in noisy environment plays a significant role. In a rather different context, the recent intensive researches of Maxwell's demon - a feedback controller that utilizes information of individual molecules - has led to a unified theory of information and thermodynamics. Here we combine these two streams of researches, and show that the second law of thermodynamics with information reveals the fundamental limit of the robustness of signal transduction against environmental fluctuations. Especially, we found that the degree of robustness is quantitatively characterized by an informational quantity called transfer entropy. Our information-thermodynamic approach is applicable to biological communication inside cells, in which there is no explicit channel coding in contrast to artificial communication. Our result would open up a novel biophysical approach to understand information processing in living systems on the basis of the fundamental information-thermodynamics link.

研究の動機と目的

• 細胞内のシグナル伝達を情報熱力学の原則と結びつけること。
• 環境のゆらぎが細胞内シグナル伝達の信頼性に与える影響を調査すること。
• 情報理論的指標を用いて生化学的シグナル伝達の根本的限界を同定すること。
• 伝達エントロピーがノイズのある細胞環境における頑健性の度合いを定量的に測定できることを示すこと。

提案手法

• マクスウェルの悪魔にインspiredされたフィードバック制御系としてのシグナル伝達のモデル化。
• 情報の役割がエントロピー生成をどのように低減するかを定量化する情報熱力学の枠組みの適用。
• シグナル成分間の情報フローを測定するための伝達エントロピーの使用。
• 情報の取得と処理に基づいて、シグナル忠実度の熱力学的限界を導出すること。
• 情報を含む熱力学の第二法則を用いて、細胞シグナルネットワークを分析すること。
• 明示的なチャネル符号化を含まない系を分析し、生きた細胞内の内在的情報処理に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生化学的シグナル伝達系における情報処理は、熱力学的制約とどのように関係するか？
• RQ2 環境のゆらぎ下で、シグナル伝達の根本的限界の頑健性は何か？
• RQ3 伝達エントロピーは、細胞内コミュニケーションにおける頑健性の定量的指標としてどのように機能するか？
• RQ4 チャネル符号化が存在しない状況下で、情報はどのようにしてシグナル忠実度を維持するために使われるか？
• RQ5 分子レベルの情報に基づくフィードバック制御は、熱力学的コストを最小限に抑えるために果たす役割は何か？

主な発見

• フィードバック制御に情報が用いられる場合、環境ノイズに対するシグナル伝達の頑健性は、熱力学的原則によって根本的に制限される。
• 伝達エントロピーは、生化学的シグナル伝達経路における頑健性の度合いを定量的に特徴付ける。
• シグナル伝達における情報の取得と利用はエントロピー生成を低減し、ノイズのある環境下でも信頼性の高い信号伝達を可能にする。
• 情報付きの熱力学の第二法則は、細胞内情報処理を分析する統一的な枠組みを提供する。
• 生物学的系において明示的なチャネル符号化が存在しないとしても、情報に基づくフィードバックが用いられれば、高忠実度の情報伝達は可能である。
• 本研究は、情報-熱力学的双対性の視点から、細胞内コミュニケーションを理解するための生物物理学的基盤を確立した。