[논문 리뷰] Free-Energy Transduction in Chemical Reaction Networks: from Enzymes to Metabolism

Artur Wachtel, Riccardo Rao외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 02.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 32인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 자유 에너지 변환을 위한 일반적인 열역학적 프레임워크를 제안하며, 임의의 개방 화학 반응망(CRNs)에서 스토이키오메트릭 행렬과 화학정체 상태(species)를 사용하여 기본적인 열역학적 힘과 유량을 규명한다. 이는 에너지 대사 경로인 당해리화와 TCA 회로가 자유 에너지의 고위너던터에서 ATP 및 다른 일 변환 과정으로의 에너지 변환을 통해 작동하는 열역학적 기계로 기능함을 보여주며, 효율성을 정량화한다.

ABSTRACT

We provide a rigorous definition of free-energy transduction and its efficiency in arbitrary -- linear or nonlinear -- open chemical reaction networks (CRNs) operating at steady state. Our method is based on the knowledge of the stoichiometric matrix and of the chemostatted species (i.e. the species maintained at constant concentration by the environment) to identify the fundamental currents and forces contributing to the entropy production. Transduction occurs when the current of a stoichiometrically balanced process is driven against its spontaneous direction (set by its force) thanks to other processes flowing along their spontaneous direction. In these regimes, open CRNs operate as thermodynamic machines. After exemplifying these general ideas using toy models, we analyze central energy metabolism. We relate the fundamental currents to metabolic pathways and discuss the efficiency with which they are able to transduce free energy.

연구 동기 및 목표

• 기본 반응을 초월한 개방 화학 반응망에서 자유 에너지 변환을 체계적이고 엄밀하게 다룰 수 있는 일반적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 기존의 열역학 이론과 기존 모델이 선형 동역학 또는 기본 단계를 가정하는 데서 비롯하는 한계를 극복하기 위해.
• 네트워크 구조를 활용하여 비선형이고 비기본적인 CRNs 내에서 기본적인 열역학적 힘과 유량을 규명하기 위해.
• 주요 대사 경로에 프레임워크를 적용하고 에너지 변환 효율을 정량화하기 위해.
• 글리리시스, TCA 회로, 전자 전달계와 같은 복잡한 생물학적 시스템에서 에너지 변환을 분석하는 체계적인 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 반응별로 물질의 순생산을 정의하기 위해 스토이키오메트릭 행렬을 사용한다.
• 일정 농도를 유지하는 화학정체 상태(species)를 식별하여 환경적 저류를 정의한다.
• 반응 간 화학적 포텐셜의 차이에서 기본 열역학적 힘을 유도한다.
• 스토이키오메트릭적으로 균형 잡힌 과정의 순유량으로 기본 유량을 정의한다.
• 네트워크 이론적 방법(예: 스패닝 트리, 사이클 기저)을 적용하여 유량을 독립적인 열역학적 사이클로 분해한다.
• 힘과 유량의 곱을 통해 엔트로피 생성을 계산함으로써 효율성 정량화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 비선형적이고 개방된 임의의 CRNs에서 자유 에너지 변환을 엄밀하게 정의할 수 있는가?
• RQ2 이러한 네트워크에서 에너지 소산과 변환을 지배하는 기본 열역학적 힘과 유량은 무엇인가?
• RQ3 당해리화와 TCA 회로와 같은 대사 경로는 어떻게 열역학적 기계로 작동하는가?
• RQ4 중심 대사에서 자유 에너지 변환의 효율성은 얼마이며, 이는 기저 네트워크 구조와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 이 프레임워크는 복잡한 대사 네트워크를 포함한 모든 CRN에 대해 체계적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 프레임워크는 스토이키오메트릭 행렬과 화학정체 상태만을 사용하여 비선형적이고 비기본적인 CRNs 내에서 기본 열역학적 힘과 유량을 성공적으로 규명한다.
• 당해리화, TCA 회로, 전자 전달계와 같은 대사 경로가 고위너던터에서 오는 자유 에너지 변환에 의해 구동되는 열역학적 기계로 작동함을 입증한다.
• 이론은 NADH와 피루브산과 같은 고위너던터에서 오는 구동력과 ATP 합성 간의 관계를 통해 변환 효율을 정량화한다.
• 에탄올 발효에서는 유도된 사이클이 피루브산에서 에탄올과 NAD+로의 자유 에너지를 변환하며, 열역학적 제약 조건과 일치하는 순수 균형을 유지한다.
• 세포 호흡의 경우, 전체 네트워크 사이클(당해리화 + TCA + ETC)이 포도당에서 ATP와 CO2로의 명확한 에너지 흐름을 유지하는 일관된 변환 경로를 형성함을 보여준다.
• 이 방법은 복잡한 대사 네트워크를 열역학적으로 독립적인 사이클로 그래프 이론적으로 체계적으로 분해할 수 있으며, 정밀한 효율성 분석이 가능하다.