[논문 리뷰] Can we make biochemistry an exact science?

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 31.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 생화학이 전하 보존과 전역 전기장 상호작용을 고려하지 않은 한 질량작용의 법칙을 재정의하지 않으면 정확한 과학이 될 수 없다고 주장하며, 복잡한 생물학적 유체에서 정확한 방정식을 위해 변분법과 이온 상호작용의 다스케일 모델링이 필수적이라고 제안한다.

ABSTRACT

Biochemists know that the law of mass action is not exact and not very useful because we cannot transfer it (with unchanged parameters) from one condition to another. I argue that exact equations require calibrated multiscale analysis to deal with ions. Exact theories in biochemistry must use mathematics of interactions because biological ionic solutions, derived from seawater, are complex (not simple) fluids. The activity of one ion depends on every other ion. Mathematics of conservative interactions is well understood but friction is another matter. Mathematicians now have now an energetic variational calculus dealing with friction. Complex fluids need variational methods because everything interacts with everything else. Mathematics designed to handle interactions is needed to produce exact equations. If interactions are not addressed with variational mathematics, they are bewildering. The mathematics must include the global properties of the electric field. Flow of charge in one place changes the flow everywhere by Kirchoff and Maxwell laws. Charge changes physical nature as it flows through a circuit. It is ions in salt water; it is electrons in a vacuum tube; it is quasi-particles in a semiconductor; and it is nothing much in a vacuum capacitor (i.e., displacement current). Charge is abstract. The physical nature of charge and current is strikingly diverse; yet, the flow of current is exactly the same in every element in a series circuit. The global nature of electric flow prevents the law of mass action from being exact. The law of mass action (with rate constants that are constant) does not know about charge. The law of mass action is about mass conservation. I believe the law of mass action must be modified to be consistent with the Kirchoff current law if biochemistry is to be an exact science.

연구 동기 및 목표

• 생화학에서 이온 조건이 변화할 경우 전하 역학을 간과하기 때문에 질량작용의 법칙이 실패하는 바탕이 되는 근본적 한계를 해결하기 위해.
• 정확한 생화학 이론이 전역 전기장 영향과 다스케일 이온 상호작용을 포함해야 한다는 것을 입증하기 위해.
• 이온 유체에서 마찰력과 비보존력이 존재하기 때문에 고전적 질량작용 법칙을 초월한 고급 수학적 프레임워크가 필요하다는 것을 보여주기 위해.
• 복잡한 유체 상호작용을 다루기 위해 생화학 모델링에 변분 원리—특히 에너지 변분 법칙—을 통합할 것을 주장하기 위해.
• 전하 보존이 생물학적 회로에서 일관성을 유지하도록 보장하기 위해, 기존의 질량작용 법칙을 키르히호프의 전류 법칙과 일치시키는 방식으로 재정의하기 위해.

제안 방법

• 이온 유체에서 마찰력과 비보존력을 모델링하기 위해 에너지 변분 법칙을 적용하기 위해.
• 미세한 이온 상호작용과 거시적 전기장 거동을 연결하기 위해 다스케일 분석을 사용하기 위해.
• 모든 물리적 형태(이온, 전자, 준입자 등)에 관계없이 직렬 요소에서 전류가 동일하다는 원리를 이용해 전하 이동을 재해석하기 위해.
• 전역 전하 보존을 보장하기 위해 맥스웰 법칙과 키르히호프 법칙을 생화학 동역학에 통합하기 위해.
• 다양한 매질에서 전하의 물리적 성질을 존중하는 프레임워크에 질량작용의 법칙을 통합함으로써 재정의하기 위해.
• 복잡하고 비이상적인 이온 용액에서 한 이온의 활동이 다른 모든 이온에 의해 영향을 받는 방식을 모델링하기 위해 변분 방법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 고전적 질량작용의 법칙이 생물학적 이온 체계에서 정확한 예측을 제공하지 못하는가?
• RQ2 전하 보존과 전역 전기장 영향을 생화학 방정식에 어떻게 수학적으로 통합할 수 있는가?
• RQ3 비보존력과 마찰력은 이온 유체 역학에서 어떤 역할을 하는가? 그리고 어떻게 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 전하의 물리적 성질(예: 염수에서의 이온 vs. 반도체에서의 전자)이 기존의 운동 법칙의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 변분법이 복잡한 유체에서 정확한 생화학 이론을 위한 일관된 수학적 기초를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 질량작용의 법칙은 전하 보존과 전역 전기장 영향을 간과하기 때문에 생화학에서 본질적으로 정확하지 않다.
• 정확한 생화학 방정식은 용액 내 모든 이온 간의 상호작용을 고려하는 다스케일 접근이 필요하다.
• 에너지 변분 방법을 포함한 변분법은 이온 유체에서 마찰력과 비보존력을 모델링하는 데 필수적이다.
• 모든 직렬 요소에서 전류는 물리적 형태에 관계없이 동일하다—이는 모든 모델에서 존중되어야 할 보편적인 보존 법칙을 시사한다.
• 전하의 물리적 성질은 매질에 따라 변화한다(예: 물 속의 이온 vs. 진공에서의 전자), 그러나 전류는 보존된다—이는 통합적이고 전역적인 기술이 필요하다는 것을 강조한다.
• 생화학 동역학에서 정확성을 달성하기 위해 질량작용의 법칙을 키르히호프의 전류 법칙과 일치시키는 것이 필수적이다.