[논문 리뷰] Do biological molecular machines act as Maxwell's demons?

Michał Kurzyński, Przemysław Chełminiak|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 12.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 효소와 같은 생물학적 분자 기계가 정보와 엔트로피 감소를 활용하여 자유 에너지를 변환함으로써 맥클로우의 악마로 기능할 수 있는지 조사한다. 임계 복잡 네트워크에서 단백질 동역학의 확률 모델을 사용하여, 일시적인 상태에서의 엔트로피 감소가 정보 창출과 조직화를 가능하게 함을 보여주며, 생물학적 기계가 일하는 것보다 정보를 처리하고 에너지 손실을 줄임으로써 맥클로우의 악마로 기능할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The nanoscopic isothermal machines are not only energy but also information transducers. We show that the generalized fluctuation theorem with information creation and entropy reduction can be fulfilled for the enzymatic molecular machines with the stochastic dynamics, which offers a choice of the work performance in a variety of ways. A model of such dynamics, specified by a critical complex network, is investigated. The main conclusion of the study is that the processing of free energy has to be distinguished from the processing of organization, which we identify with an adequately defined thermodynamic variable. Maxwell's demon utilizes entropy reduction for creation of information, which, from the former point of view, may be used for a reduction of energy losses, hence ultimately, for the performance of work. From the latter point of view, however, it can be used for other purposes, for example molecular recognition. This can be the case of biological molecular machines. From the biological perspective, the ascertainment is important, that the information creation and storage take place in the long lasting transient stages before completing the free energy transduction cycles. From a broader physical perspective, a supposition could be of special importance, that information is a change of organization, the thermodynamic function of state of the system.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 분자 기계가 엔트로피 감소와 정보 처리를 통해 맥클로우의 악마로 기능할 수 있는지 규명하는 것.
• 등온 비평형 시스템에서 자유 에너지 변환과 조직화 변환을 구분하는 것.
• 에너지 변환 사이클 중 정보 및 조직화 창출에 있어 일시적이고 장수명 상태의 역할을 조사하는 것.
• 임계 복잡 네트워크를 사용하여 단백질 기계의 확률적 동역학을 모델링하고 엔트로피 감소 및 정보 증가가 발생하는 조건을 평가하는 것.
• 에너지와 엔트로피와 별개로 조직화를 자유 에너지와 별도의 열역학적 변수로 간주할 수 있는 열역학적 의미를 탐색하는 것.

제안 방법

• 등온 미세계에서 정보 창출과 엔트로피 감소를 고려한 일반화된 변동 정리 수식화.
• 임계 복잡 네트워크 구조상의 마르코프 동역학을 갖는 확률적 네트워크로 단백질 분자 기계 모델링.
• 분지형 트리 네트워크의 컴퓨터 모델을 사용하여 시스템을 시뮬레이션하고 일시적 상태 및 엔트로피-정보 역학 분석.
• 자유 에너지와 유한 에너지와 별개로 엔트로피 감소와 정보 창출과 연결된 조직화를 열역학적 변수로 정의.
• 에너지 손실 최소화 조건 평가를 위해 결합도(ε)와 전송 비율(n) 간의 관계 분석.
• 메모리 지우기 동안의 엔트로피 생성을 설명하기 위해 랜더의 원리 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학적 분자 기계가 정보 처리를 통해 엔트로피 감소를 통해 맥클로우의 악마로 기능할 수 있는가?
• RQ2 자유 에너지 변환 과정에서 일시적이고 장수명 상태는 정보 및 조직화 창출에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 확률적 단백질 동역학에서 결합도(ε)와 전송 비율(n) 간의 관계는 무엇이며, 이는 에너지 효율성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 등온 시스템에서 조직화는 자유 에너지와 엔트로피와 어떻게 다른 열역학적 변수로 간주될 수 있는가?
• RQ5 정보 창출이 순수한 일의 수행 없이 에너지 손실 감소를 이끌 수 있는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 정보 창출과 엔트로피 감소를 고려한 일반화된 변동 정리는 효소 분자 기계의 확률적 모델에서 성립한다.
• 자유 에너지 변환 사이클 완료 이전의 장수명 일시적 단계에서 엔트로피 감소와 정보 창출이 발생한다.
• 연구는 자유 에너지와 엔트로피와 별개로 조직화를 열역학적 변수로 식별하며, 정보는 조직화의 변화와 동일시된다.
• 에너지 손실 최소화 조건을 시사하는 바, 결합도(ε)와 전송 비율(n) 사이에 ε < n 관계가 발견된다.
• 모델은 정보 처리가 반드시 일하지 않더라도 에너지 손실을 줄일 수 있음을 보여주며, 생물학적 기계가 정보 처리 측면에서 맥클로우의 악마로 기능할 수 있음을 뒷받침한다.
• 결과는 다량체 또는 고차원 단백질 구조가 엔트로피 생성을 정보 창출로 완전히 상쇄시켜 비용 없이 작동할 수 있도록 진화적으로 유리할 수 있음을 시사한다.