[논문 리뷰] Comment on "Enhanced Diffusion of Enzymes that Catalyze Exothermic Reactions" by R.Golestanian

Kostas Tsekouras, Clement Riedel외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 18.

Protein Structure and Dynamics인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 R. Golestanian이 가열 반응에서의 집단적 가열이 효소 확산을 향상시킨다고 제안한 가설을 도전한다. 정밀한 열용량과 점도 계산을 통해 저자들은 실험에서 관측된 온도 상승이 매우 미미하며, 0.1 K 미만임을 보여주며, 집단적 가열을 기반으로 한 메커니즘을 배제할 수 있는 실험적 제어와 통계적 증거를 제시한다.

ABSTRACT

We (Riedel et al. Nature 2015), as well as others, have showed that some enzymes exhibit enhanced diffusion when active. In a recent PRL, (Golestanian, PRL 2015, arXiv:1508.03219) R.Golestanian theoretically examines a number of possible explanations for this phenomenon and concludes that "collective heating" is the best candidate to account for the observed diffusion coefficient increase. Here we present evidence showing that collective heating cannot possibly apply to our experiments.

연구 동기 및 목표

• R. Golestanian의 가설에 도전하여, 발열 반응에서 기인하는 집단적 가열이 효소 확산 향상에 기여한다고 보는 것.
• 실험적 제어와 열역학적 계산을 통해 용매 가열이 활성 효소에서 관측된 확산 증가의 원인일 수 없음을 규명.
• 자신들의 시스템에서 온도 상승이 촉매제에서 관측된 25% 확산 향상에 기여할 만큼 충분하지 않음을 입증.
• 동일한 반응기 내에서 활성과 비활성 요소산화효소 간의 차별적 확산 행동을 집단적 가열이 설명할 수 없음을 보여줌.
• 열 효과를 초월하는 다른 메커니즘을 설명하기 위해 통계적 및 물리적 증거를 제공함.

제안 방법

• 기질 농도, 엔탈피 변화, 열용량을 사용하여 최대 가능한 온도 상승 계산: 전체 기질 소모 시 ΔT ≈ 0.6 K.
• 온도 및 점도에 따라 수정된 Stokes-Einstein 식을 적용하여 확산 계수 향상 추정: ΔT = 0.6 K일 때 D′/D ≈ 1.015.
• 촉매제 전환에서의 시간에 따라 변화하는 열 발생량을 사용하여 실제 ΔT ≈ 0.072 K 계산 (k = 2.5×10⁴ s⁻¹, [C_cat] = 1 nM, t = 30 s).
• 실제 시간에 따른 가열을 고려하여 재계산한 확산 향상: D′/D ≈ 1.00112, Arrhenius 보정으로 D′/D ≈ 1.00118.
• 제어 데이터에 대해 가우시안 우도 비율 검정 수행: 고정된 확산(31.5 μm²/s)이 25% 증가보다 22배 더 가능성 높음.
• Golestanian의 정적인 기질 재충전을 전제로 한 가정과 대비하여, 기질 재충전이 없는 자신의 시스템을 고려함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발열 효소 반응에서 기인하는 집단적 가열이 실험에서 관측된 촉매제의 25% 확산 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 열이 손실되지 않고 전체 기질이 소모된 폐쇄계에서 예상되는 최대 온도 상승은 얼마인가?
• RQ3 30초 동안의 실험 조건에서 실제 시간에 따라 변화하는 열 발생량은 이론적 최대 온도 상승과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 활성 촉매제와 함께 동일한 용기 내에 존재하는 비활성 요소산화효소가 활성 요소산화효소와 다른 확산 행동을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 관측된 확산 향상은 열 메커니즘에 기인한 것인지, 아니면 비열적 설명이 필요한가?

주요 결과

• 완전한 열격리와 전체 기질 소모 조건을 가정할 경우 시스템에서의 최대 온도 상승은 단지 ΔT ≈ 0.6 K에 불과하다.
• 이 온도 상승으로 인한 확산 계수 향상은 D′/D ≈ 1.015로 추정되며, 실험적으로 관측된 25% 증가에 훨씬 못 미친다.
• 실제 실험 조건(1 nM 촉매제, 30초 지속, 기질 재충전 없음)을 고려할 경우 온도 상승은 ΔT ≈ 0.072 K이며, 이에 따른 D′/D ≈ 1.00112이다.
• Arrhenius 온도 의존성을 포함하면 예측된 향상은 D′/D ≈ 1.00118로 증가하지만, 여전히 관측된 25% 증가에 비해 무시할 만하다.
• 제어 데이터의 통계적 분석 결과, 고정된 확산 계수(31.5 μm²/s)가 25% 증가보다 22배 더 가능성 높으며, 이는 집단적 가열 가설을 반박한다.
• 동일한 용기 내에서 활성과 비활성 요소산화효소 간의 확산 행동 차이를 집단적 가열이 설명하지 못함으로써 열 메커니즘의 무력화가 더욱 명확해진다.