[논문 리뷰] Life's Solutions are Complex Fluids. A Mathematical Challenge

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 19.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 367인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 시스템 내 이온 용액을 복잡한 유체로 간주하여 고전적 열역학과 통계역학이 전기 상호작용, 경계 조건, 유동성과 같은 생명에 필수적인 요소를 모델링하는 데 한계를 보이는 문제를 해결하고자 한다. 복잡한 유체 이론를 통해 양자역학적 전자 동역학을 연속체 수준의 전기적 및 입체적 장과 통합함으로써, 저자에 따르면 생화학 반응—특히 효소 활성 부위에서의 반응—는 모든 것이 서로 영향을 주고받는 일시적이고 비균질한 상호작용 시스템으로 이해되어야 한다.

ABSTRACT

Classical thermodynamics and statistical mechanics describe systems in which nothing interacts with nothing. Even the highly refined theory of simple fluids does not deal very well with electrical interactions, boundary conditions, or flows, if at all. Electrical interactions, boundary conditions, and flows are essential features of living systems. Life without flow is death and so a different approach is needed to study biology alive. The theory of complex fluids deals with interactions, boundary conditions, and flows quite well as can be seen in its successful treatment of liquid crystals. I advocate treating ionic solutions in general as complex fluids, with microelements that are the solutes and components of the solution. Enzyme active sites are a special case where some solutes are reactants. Solutes are crowded into active sites of enzyme by the high density of protein charges. The electric field links chemical reactions to charges in the protein and surrounding solutions. Interactions potentiate catalysis and control biological function. I suspect that most chemical reactions that occur in liquids also need to be treated by the theory of complex fluids. The electron movements of these reactions occur in a temporary highly concentrated fluctuation, a transient spatial inhomogeneity in the bulk solution. The electron movements of these reactions (described by quantum mechanics) are coupled to the electric (and sometimes steric) fields of the bulk solution. I suspect the electron movements, inhomogeneities, and chemical reaction (in the condensed phase) need to be treated by the theory of complex fluids because everything interacts with everything else, in this system, as in so many others.

연구 동기 및 목표

• 생명체를 구성하는 전기적 상호작용, 경계 조건, 유동성과 같은 요소를 모델링하는 데 있어 고전적 열역학과 통계역학의 부적합성을 해결한다.
• 생명체는 흐름에 의존하므로 정적인 모델은 생물학적 기능을 제대로 반영하지 못한다.
• 복잡한 유체 이론을 상호작용, 경계 효과, 동적 유동성을 다룰 수 있는 통합 프레임워크로 도입한다.
• 응집상 상태의 효소 활성 부위와 화학 반응을 전기적 및 입체적 장이 결합된 임시적이며 고농도의 비균질한 변동으로 재해석한다.
• 반응 중 전자의 이동은 둘러싸인 거대한 용액의 전기장 내에서 다루어져야 하며, 이는 통합적이고 다체계적인 접근이 필요하다고 주장한다.

제안 방법

• 이온 용액을 복잡한 유체로 모델링하여 미세 척도의 용질 상호작용, 전기장, 경계 조건을 포함한다.
• 이미 액정에서 성공한 복잡한 유체 이론을 효소 활성 부위와 같은 생물학적 시스템에 적용한다.
• 용질(반응물 포함)을 전하가 많고 혼잡한 환경의 구성 요소로 간주하여 전기적 위치 에너지와 입체적 제약이 반응성에 영향을 미친다.
• 다스케일 접근을 통해 양자역학적 전자 동역학을 용액의 연속체 수준 전기적 및 입체적 장과 결합한다.
• 일시적인 공간적 비균질성을 통해 화학 반응 중 국소적으로 높은 농도의 변동하는 영역을 기술한다.
• 용질, 전하, 용매가 함께 반응 경로와 속도를 결정하는 완전히 상호작용하는 네트워크로 시스템을 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 열역학과 통계역학은 어떻게 생명체에 필수적인 전기적 상호작용과 유동성을 모델링할 수 있는가?
• RQ2 생물학적 환경에서의 경계 조건과 전기장이 효소 촉매 작용과 반응 속도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 복잡한 유체 이론은 전통적 접근 방식보다 응집상에서의 화학 반응을 더 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 이온 용액 내의 일시적이고 국소적인 비균질성이 생화학 반응 중 전자 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 용액의 거대한 전기장이 생물학적 시스템에서 양자 수준의 전자 동역학과 매크로스코픽 반응 속도를 어떻게 연결하는가?

주요 결과

• 고전 이론들은 생물학적 시스템 내 전기적 상호작용, 경계 효과, 유동성을 충분히 모델링하지 못하며, 이는 생명 유지에 필수적이다.
• 복잡한 유체 이론은 상호작용, 경계 조건, 유동성과 같은 핵심 요소를 효과적으로 처리하며, 전통적 통계역학에서는 부족하거나 잘못 모델링된 요소들을 보완한다.
• 효소 활성 부위는 고밀도 전하로 인해 일시적이고 국소적인 비균질성을 만들어내며 촉매 작용을 촉진하는 미세 환경으로 기능한다.
• 화학 반응 중 전자의 이동은 변동성이 크고 고농도의 국소 영역에서 발생하며, 이는 동적인 상호작용 시스템의 일부로 다뤄져야 한다.
• 용액의 전기장은 양자 수준의 전자 동역학을 매크로스코픽 반응 속도와 연결하며, 이는 복잡한 유체 이론을 통한 통합적 접근이 필수적임을 시사한다.
• 논문은 대부분의 액체 내 화학 반응이 시스템 내 모든 성분 간의 광범위한 결합으로 인해 복잡한 유체 프레임워크 내에서 다뤄져야 한다고 결론 내린다.