[論文レビュー] Reply to Comment on "Enhanced diffusion of enzymes that catalyze exothermic reactions"

Ramin Golestanian|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Protein Structure and Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、発熱反応における酵素拡散の増強に関するRiedelらが提唱した音響波メカニズムに反論し、代わりに集団的加熱が支配的物理的メカニズムであると主張する。音響波モデルに比べて、集団的加熱は6–7桁も強力である。著者は、実験的コントロールが集団的加熱を除外しないこと、一時的効果が定常状態推定を無効にしないことの両方を示し、観察された拡散増強の最も妥当な説明として加熱を強化する。

ABSTRACT

Catalytically active enzymes have recently been observed to exhibit enhanced diffusion. In a recent work [C. Riedel et al., Nature 517, 227 (2015)], it has been suggested that this phenomenon is correlated with the degree of exothermicity of the reaction, and a mechanism was proposed to explain the phenomenon based on channeling the released heat into the center of mass kinetic energy of the enzyme. I addressed this question by comparing four different mechanisms, and concluded that collective heating is the strongest candidate out of those four to explain the phenomenon, and in particular, several orders of magnitude stronger than the mechanism proposed by Riedel et al. In a recent preprint (arXiv:1608.05433), K. Tsekouras, C. Riedel, R. Gabizon, S. Marqusee, S. Presse, and C. Bustamante present a comment on my paper [R. Golestanian, Phys. Rev. Lett. 115, 108102 (2015); arXiv:1508.03219], which I address here in this reply.

研究の動機と目的

• Riedel らが提唱した発熱反応における酵素拡散増強のための音響波メカニズムを、物理的に検証する。
• 集団的加熱、確率的遊泳、音響波、エネルギー分配の4つの潜在的メカニズムを、拡散増強の予測された大きさに基づき評価・順位付けする。
• 集団的加熱が支配的メカニズムであり、音響波モデルに比べて桁違いに優れていると主張する。
• Tsekouras らが提示した実験的コントロールに対して反論し、それらが集団的加熱を除外しないこと、およびコントロールデータのトレンドが加熱予測と一致することを示す。
• 酵素の分離といった未解明の現象が加熱メカニズムを無効にしないことを明確にする。これは別個の物理的過程に起因する可能性があるためである。

提案手法

• 酵素拡散増強の4つのメカニズム（集団的加熱、確率的遊泳、音響波、エネルギー分配）を比較する理論的分析を実施する。
• 反応熱、拡散係数、反応速度などの物理的パラメータに基づく簡略化された推定値を用い、各メカニズムの寄与を定量化する。
• 非線形熱拡散方程式に、Fisher-PKPP方程式に類似した前波伝播解を適用し、一時的挙動をモデル化する。
• 前波の伝播速度を約1 μm/sと推定し、通常の観察期間中は定常状態近似が有効であることを示す。
• 非活性なウレアーゼと活性なカタラーゼを用いた実験的コントロールデータを再評価し、集団的加熱予測との整合性を検証する。
• コントロールデータに見過ごされたトレンドを強調することで、実験的物語の不一致を解消する。これらは加熱に基づく期待と一致している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Riedel らが提唱した音響波メカニズムが、現実的なエネルギー分配を考慮した場合に、その予測される拡散増強の定量的推定に基づいて物理的に成立するか？
• RQ2 集団的加熱は、酵素拡散増強を説明する観点で音響波メカニズムと比較してどの程度大きいか？
• RQ3 Tsekouras らが報告した実験的コントロールは、集団的加熱が寄与するメカニズムを本当に除外するのか？
• RQ4 非定常反応条件下における一時的挙動は、酵素系における熱拡散の定常状態近似の使用を無効にできるか？
• RQ5 非活性酵素で数パーセントの拡散係数の増加が観察されたコントロール実験が、なぜ集団的加熱仮説と矛盾しないのか？

主な発見

• Riedel らが提唱した音響波メカニズムは、現実的なエネルギー分配を考慮すると、予測される拡散増強が6–7桁も小さすぎる。
• 集団的加熱が最も強力な候補メカニズムとして浮上し、音響波モデルに比べて桁違いに優れている。
• 一時的熱拡散波の前波伝播速度は約1 μm/sであり、通常の観察期間中は定常状態推定が有効であると確認された。
• 非活性ウレアーゼと活性カタラーゼを用いたコントロール実験では、有効拡散係数に数パーセントの増加が観察され、これは集団的加熱と整合的であり、データでは除外されない。
• 酵素の分離が観察されたが、これは音響波メカニズムでは説明できないが、別個の物理的過程に起因する可能性があるため、集団的加熱仮説を否定するものではない。
• 保守的またはより現実的な推定値を用いても、メカニズムの大きさ順の順序は安定しており、集団的加熱が明確に支配的である。