[論文レビュー] Models for energy and charge transport and storage in biomolecules

Serge F. Mingaleev, P. L. Christiansen+3 more|ArXiv.org|Jun 3, 1999

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、バイオ分子におけるエネルギーおよび電荷輸送のための2つのモデルを提案する。DNAに対しては、長距離相互作用（LRI）を有する離散的非線形シュレーディンガー方程式を用い、固定エネルギー状態において安定なピン留め状態と移動状態の二重安定状態を示し、制御されたスイッチングを可能にする。タンパク質に対しては、結合したダヴィドフ＝ブーシネスクソリトンモデルを用い、高い非調和性を持つ系において安定な結合状態を示す。これらのメカニズムは、バイオ分子におけるエネルギーの貯蔵および輸送の新たな道筋を示唆する。

ABSTRACT

Two models for energy and charge transport and storage in biomolecules are considered. A model based on the discrete nonlinear Schrodinger equation with long-range dispersive interactions (LRI's) between base pairs of DNA is offered for the description of nonlinear dynamics of the DNA molecule. We show that LRI's are responsible for the existence of an interval of bistability where two stable stationary states, a narrow, pinned state and a broad, mobile state, coexist at each value of the total energy. The possibility of controlled switching between pinned and mobile states is demonstrated. The mechanism could be important for controlling energy storage and transport in DNA molecules. Another model is offered for the description of nonlinear excitations in proteins and other anharmonic biomolecules. We show that in the highly anharmonic systems a bound state of Davydov and Boussinesq solitons can exist.

研究の動機と目的

• DNAおよびタンパク質におけるエネルギーおよび電荷輸送の非線形ダイナミクスを理解すること。
• バイオ分子における安定なエネルギー貯蔵および制御された輸送を可能にするメカニズムを同定すること。
• 固定エネルギー状態において、長距離相互作用がDNAでピン留め状態と移動状態の両方の安定状態が共存する状態をもたらすメカニズムをモデル化すること。
• タンパク質のような非調和性が強いバイオ分子において、結合ソリトン状態の存在および安定性を調査すること。
• これらのモデルが生物学的エネルギー調節および輸送制御にどのように応用可能かを探索すること。

提案手法

• DNAの塩基対ダイナミクスをモデル化するため、長距離分散的相互作用（LRI）を有する離散的非線形シュレーディンガー方程式を定式化する。
• さまざまなエネルギー状態における定常状態の存在および安定性を分析し、二重安定領域を同定する。
• 数値シミュレーションを用いて、DNAにおけるピン留め状態と移動状態の間での制御されたスイッチングを示す。
• ダヴィドフおよびブーシネスクソリトンの結合モデルを用い、非調和性を持つバイオ分子における非線形励起状態を記述する。
• タンパク質様系において、ダヴィドフおよびブーシネスクソリトンの間の結合状態の形成および安定性を調査する。
• 解析的および数値的手法を用いて、提案されたモデルにおけるエネルギー局在および輸送を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAにおける長距離相互作用は、同じエネルギー状態において異なる空間的スケールを持つ安定状態が共存するか？
• RQ2 外部からの調整によって、DNAにおける局在（ピン留め）状態と拡散（移動）状態の間での制御されたスイッチングが可能か？
• RQ3 タンパク質のような高い非調和性を持つバイオ分子において、ダヴィドフおよびブーシネスクソリトンの結合状態が存在するか？
• RQ4 非調和性は、バイオ分子系における安定的かつ局在的なエネルギー励起を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 これらの非線形モデルは、生物学的高分子における効率的なエネルギー貯蔵および輸送を説明できるか？

主な発見

• DNAにおける長距離相互作用は、固定された全エネルギー状態において、狭いピン留め状態と広い移動状態の両方が共存する二重安定領域を生じる。
• 数値的シミュレーションにより、ピン留め状態と移動状態の間での制御されたスイッチングが示され、DNAにおけるエネルギー貯蔵および輸送の制御メカニズムが示唆される。
• 高い非調和性を持つ系では、ダヴィドフおよびブーシネスクソリトンの安定な結合状態が形成され、新しいタイプの局在励起を示す。
• この結合状態の存在は、タンパク質および類似するバイオ分子における頑健なエネルギー局在のメカニズムを示唆する。
• これらのモデルは、生物学的系が非線形ダイナミクスを活用してエネルギー管理を実現する仕組みを理論的に裏付ける基盤を提供する。
• 結果は数値的シミュレーションおよび解析的安定性解析によって裏付けられ、提案されたメカニズムの実現可能性が確認される。