[논문 리뷰] Maxwell's demon in biochemical signal transduction

Sosuke Ito, Takahiro Sagawa|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 23.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 정보 이론과 열역학을 통합하여 전이 엔트로피가 환경적 노이즈에 대한 생화학적 신호 전달의 강건성에 정량적으로 기여함을 보여준다. 세포 신호 전달을 마크스웰의 악마에 유사한 피드백 제어 시스템으로 모델링함으로써, 정보 처리의 한계가 열역학적 제약에 의해 결정됨을 밝혀내며, 명시적 코딩 없이도 세포 내 통신을 이해하기 위한 새로운 생물물리학적 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

Signal transduction in living cells is vital to maintain life itself, where information transfer in noisy environment plays a significant role. In a rather different context, the recent intensive researches of Maxwell's demon - a feedback controller that utilizes information of individual molecules - has led to a unified theory of information and thermodynamics. Here we combine these two streams of researches, and show that the second law of thermodynamics with information reveals the fundamental limit of the robustness of signal transduction against environmental fluctuations. Especially, we found that the degree of robustness is quantitatively characterized by an informational quantity called transfer entropy. Our information-thermodynamic approach is applicable to biological communication inside cells, in which there is no explicit channel coding in contrast to artificial communication. Our result would open up a novel biophysical approach to understand information processing in living systems on the basis of the fundamental information-thermodynamics link.

연구 동기 및 목표

• 세포 내 신호 전달을 정보 열역학의 원리와 연결짓는 것.
• 환경의 변동이 세포 내 신호 전달의 신뢰성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 정보 이론적 측정을 통해 생화학적 신호 전달의 기본 한계를 규명하는 것.
• 전이 엔트로피가 노이즈가 있는 세포 환경에서 강건성의 정도를 정량적으로 측정할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 마크스웰의 악마에 영감을 받은 피드백 제어 시스템으로 신호 전달을 모델링하는 것.
• 정보의 역할이 엔트로피 생산을 줄이는 데 기여하는지를 정량화하기 위해 정보 열역학의 프레임워크를 적용하는 것.
• 신호 전달 성분 간의 정보 흐름을 측정하기 위해 전이 엔트로피를 사용하는 것.
• 정보 획득 및 처리 기반으로 신호 정밀도에 대한 열역학적 한계를 유도하는 것.
• 세포 신호 전달 네트워크를 분석하기 위해 정보를 포함한 열역학 제2법칙을 설정하는 것.
• 명시적 채널 코딩이 없는 시스템을 분석하며, 생물학적 세포 내 본질적 정보 처리에 초점을 맞추는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생화학적 신호 전달 시스템에서의 정보 처리는 열역학적 제약과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 환경의 변동 하에서 신호 전달의 기본적인 강건성 한계는 무엇인가?
• RQ3 전이 엔트로피는 세포 내 소통에서 강건성의 정량적 측정으로서 어떻게 기능할 수 있는가?
• RQ4 채널 코딩이 없는 상황에서 정보는 어떻게 신호 정밀도를 유지하는 데 사용되는가?
• RQ5 분자 수준의 정보에 기반한 피드백 제어는 열역학적 비용을 최소화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 정보를 피드백 제어에 활용할 경우, 환경적 노이즈에 대한 신호 전달의 강건성은 열역학 원리에 의해 본질적으로 제한된다.
• 전이 엔트로피는 생화학적 신호 전달 경로에서 강건성의 정도를 정량적으로 특징짓는다.
• 신호 전달 과정에서 정보 획득 및 활용은 엔트로피 생산을 줄이며, 노이즈가 있는 환경에서도 신뢰할 수 있는 신호 전달을 가능하게 한다.
• 정보를 포함한 열역학 제2법칙은 세포 내 정보 처리를 분석하기 위한 통합된 프레임워크를 제공한다.
• 생물학적 시스템에서 명시적 채널 코딩이 없더라도, 정보에 기반한 피드백 제어가 적용될 경우 고정밀도 정보 전달이 가능하다.
• 이 연구는 정보-열역학 이중성의 관점에서 세포 내 통신을 이해하기 위한 생물물리학적 기반을 구축한다.