[논문 리뷰] Aquaporin-1 can work as a Maxwell's Demon in the Body

Liangsuo Shu, Yingjie Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아คว아포린-1(AQP1)이 도마뱀 모양의 구조를 통해 용질 크기를 감지하고 그 정보를 이용하여 수분을 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 운반함으로써 생물학적 맥스웰의 악마로 기능한다고 제안한다. 마우스 적혈구에서의 실험 측정을 통해 이 에너지 효율적이고 정보 기반의 수분 운반을 입증하였으며, 이는 신장의 우레아 농도가 높은 환경에서 세포가 삼투압 스트레스로부터 보호받는 데 새로운 메커니즘이 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aquaporin-1 (AQP1) is a membrane protein which is selectively permeable to water. Due to its dumbbell shape, AQP1 can sense the size information of solute molecules in osmosis. At the cost of consuming this information, AQP1 can move water against its chemical potential gradient: it is able to work as one kind of Maxwell's Demon. This effect was detected quantitatively by measuring the water osmosis of mice red blood cells. This ability may protect the red blood cells from the eryptosis elicited by osmotic shock when they move in the kidney, where a large gradient of urea is required for the urine concentrating mechanism. This finding anticipates a new beginning of inquiries into the complicated relationships among mass, energy and information in bio-systems.

연구 동기 및 목표

• 용질 크기 정보를 활용하여 생물학적 시스템에서 아คว아포린-1(AQP1)이 맥스웰의 악마로 작용할 수 있는지 조사하기.
• AQP1이 용질 크기 감지에 드는 에너지 비용을 이용하여 수분을 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 운반하는 방식을 탐구하기.
• 이 메커니즘이 신장을 통과하는 동안 적혈구가 삼투압 스트레스로부터 보호받는 데 있어서 생리학적 의미를 규명하기.
• 생체 시스템에서 AQP1 매개 삼투압 과정에서의 정보-에너지 변환을 정량화하기.
• 생물학적 시스템에서 질량, 에너지, 정보의 상호작용에 대한 새로운 탐구를 열기.

제안 방법

• 연구는 AQP1을 정보 소비를 통해 일하는 맥스웰의 악마로 모델링하기 위해 랑도어의 원리를 기반으로 한 이론적 프레임워크를 사용한다.
• AQP1의 도마뱀 모양의 구조는 선택적으로 용질 크기를 감지할 수 있는 분자 체로 모델링되며, 이는 물과 용질 간의 구분을 가능하게 한다.
• 다양한 삼투압 조건에서 마우스 적혈구의 수분 삼투압을 실험적으로 측정하여 화학적 농도 기울기 반대 방향으로의 순 수분 이동을 탐지한다.
• 연구자들은 관측된 수분 유량과 용질 크기 구분에 드는 정보 비용을 연관지켜 열역학과 정보 이론을 연결한다.
• 특히 고우레아 농도를 포함한 신장의 수질부 삼투압 기울기를 모의한 조건에서 시스템을 분석한다.
• 이론적 모델링은 정보 처리에 드는 에너지 비용과 삼투압의 열역학을 통합하여 악마 같은 행동을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아คว아포린-1은 용질 크기 정보를 사용하여 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 수분 운반을 이끌 수 있는가?
• RQ2 AQP1에서 정보 처리에 드는 열역학적 비용은 무엇이며, 이는 생물학적 시스템의 에너지 변환과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 AQP1 매개 정보 기반 수분 운반은 어떻게 신장의 고우레아 환경에서 적혈구가 삼투압 충격으로부터 보호되는가?
• RQ4 생리적 조건에서 AQP1에서 정보-에너지 변환 존재를 뒷받침하는 실험적 증거는 무엇인가?
• RQ5 AQP1의 도마뱀 모양의 구조는 어떻게 선택적 감지와 용질 구분을 가능하게 하여 이 과정을 촉진하는가?

주요 결과

• 마우스 적혈구에서 AQP1이 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 순 수분 운반을 유도하는 것이 실험적으로 관측되었으며, 이는 맥스웰의 악마 행동과 일치하는 비평형 과정임을 보여준다.
• 이 메커니즘은 도마뱀 모양의 구멍을 통한 용질 크기 감지에 드는 에너지 비용에 의존하며, 이로 인해 AQP1은 물은 선택적으로 통과시키고 더 큰 용질은 차단할 수 있다.
• 이 정보 기반 운반은 신장의 우레아 농도가 높은 수질부를 통과하는 동안 삼투압 충격으로 인한 적혈구 사멸(에리프토시스)로부터 적혈구를 보호한다.
• 이 연구는 생물학적 막 단백질에서 정보 처리와 열역학적 일 사이의 정량적 증거를 제공하며, 살아있는 시스템에서 랑도어의 원리를 지지한다.
• 이러한 발견은 AQP1의 기능이 순수하게 수분의 통과를 허용하는 수동적 과정이 아니라, 생리학적으로 의미 있는 삼투 조절에 정보에 의존하는 능동적 과정임을 시사한다.
• 결과적으로 생물학적 시스템이 세포 호메오스타시스에서 정보, 에너지, 질량을 어떻게 통합하는지 이해하는 데 새로운 길을 열어 놓는다.