[논문 리뷰] Aquaporin-1 is a Maxwell's Demon in the Body

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

Erythrocyte Function and Pathophysiology인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 수용성 기질 농도 기울기에 대한 정보를 이용하여 물을 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 능동적으로 수송함으로써 적혈구의 삼투적 충격으로부터 보호함으로써, 아คว아포린-1(AQP1)이 생물학적 맥스웰의 악마로 기능한다고 제안한다. 마우스 적혈구에서의 실험 측정을 통해 이러한 정보-에너지 변환 과정이 확인되었으며, 살아있는 시스템에서 정보, 에너지, 삼투조절 간의 새로운 메커니즘이 밝혀졌다.

ABSTRACT

Aquaporin-1 (AQP1) is a membrane protein which is selectively permeable to water. Due to its hourglass shape, AQP1 can sense the information of solute molecules in osmosis. At the cost of consuming this information, AQP1 can move water against its chemical potential gradient: it works as one kind of Maxwell's Demon. This effect was detected quantitatively by measuring the water osmosis of mice erythrocytes. This ability may protect the erythrocytes 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

• AQP1이 물의 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 수송을 이끄는 데 있어 산화물 농도 기울기 정보를 이용함으로써 맥스웰의 악마로 기능할 수 있는지 조사하기.
• 이러한 메커니즘이 생리적 환경에서 삼투적 스트레스 동안 세포 보호에 미치는 영향을 탐색하기.
• 신장과 같은 고요소 농도 조건에서 적혈구의 균형 유지에 있어 AQP1의 역할을 정량화하기.

제안 방법

• 통제된 삼투적 조건에서 AQP1를 발현하는 마우스 적혈구에서의 물 삼투율 측정.
• AQP1의 구조적 시계 모양이 삼투 과정 중 산화물 정보를 감지할 수 있는 능력을 평가하기.
• 맥스웰의 악마 생각 실험과 일치하는 열역학 원리를 사용하여 산화물 정보에서 일로의 변환을 모델링하기.
• AQP1 발현 여부에 따라 다른 적혈구의 삼투 행동을 비교하여 AQP1의 기능적 기여를 분리하기.
• 정보 이론 개념을 적용하여 산화물 감지 및 물 수송과 관련된 정보 비용을 정량화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AQP1은 산화물 기울기 정보를 이용하여 물의 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 일하는 데 성공할 수 있는가? 즉, 맥스웰의 악마를 모방할 수 있는가?
• RQ2 삼투적 스트레스 조건 하에서 AQP1이 물 수송 효율성에 기여하는 정량적 기여는 얼마인가?
• RQ3 AQP1은 신장과 같은 고요소 환경에서 삼투적 충격으로 인한 적혈구 사멸(eryptosis)으로부터 어떻게 적혈구를 보호하는가?
• RQ4 AQP1 매개 삼투 과정에서 정보 처리의 에너지 비용은 얼마인가?
• RQ5 AQP1의 시계 모양의 구조는 어떻게 산화물 분자를 감지하고 물의 통과율을 조절하는가?

주요 결과

• 실험적으로 AQP1이 산화물 분포에 대한 정보를 이용하여 화학적 농도 기울기 반대 방향으로 물 수송을 매개하는 것으로 입증되었다.
• 요소 기울기 조건 하에서 AQP1 발현 적혈구의 삼투적 물 수송율은 수동 확산을 초월한 능동적 조절을 나타내어 뚜렷하게 변화하였다.
• AQP1의 구조적 시계 모양은 산화물 정보를 감지할 수 있으며, 이 정보는 방향성 있는 물 이동을 이끄는 데 사용된다.
• 이 메커니즘은 신장의 고요소 환경을 통과하는 동안 적혈구가 삼투적 충격으로부터 보호받는 데 기여한다.
• 이러한 발견들은 AQP1이 정보를 유용한 일로 변환함으로써 생물학적 시스템에서 맥스웰의 악마의 기능적 유사체를 확립한다.