[논문 리뷰] Modeling, simulations, and analyses of protein synthesis: Driven lattice gas with extended objects

Leah B. Shaw, R. K. P. Zia외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 06.

Stochastic processes and statistical mechanics인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 입자가 공간적 확장을 가지는 (확장된 물체를 포함하는) TASEP를 확장하여 단백질 합성을 모델링한다. 이는 닫힌 시스템에서 정확한 해를 가능하게 하고, 연속 근사와 도메인 벽 이론을 통해 열린 시스템에서 예측 가능한 모델링을 가능하게 한다. 주요 기여는 리보솜이 mRNA에 존재할 때의 정확한 상도도 및 전류 예측으로, 몬테카를로 시뮬레이션과의 비교를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

The process of protein synthesis in biological systems resembles a one dimensional driven lattice gas in which the particles have spatial extent, covering more than one lattice site. We expand the well studied Totally Asymmetric Exclusion Process (TASEP), in which particles typically cover a single lattice site, to include cases with extended objects. Exact solutions can be determined for a uniform closed system. We analyze the uniform open system through two approaches. First, a continuum limit produces a modified diffusion equation for particle density profiles. Second, an extremal principle based on domain wall theory accurately predicts the phase diagram and currents in each phase. Finally, we briefly consider approximate approaches to a non-uniform open system with quenched disorder in the particle hopping rates and compare these approaches with Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 리보솜의 공간적 확장을 반영하기 위해 다수의 격자 위치를 차지하는 입자를 가진 구동된 격자 기반 가스 모델로 단백질 합성을 모델링한다.
• 확장된 물체를 다룰 수 있도록 TASEP 프레임워크를 확장하여 닫힌 시스템에서 정확한 해를 가능하게 한다.
• 균일한 이동률을 가진 열린 시스템을 연속 근사와 극값 원리를 사용하여 분석한다.
• 도메인 벽 이론을 사용하여 리보솜 번역에서의 상 행동과 입자 전류를 예측한다.
• 이동률에 고정된 불순물이 존재하는 비균일 시스템에 대한 근사 방법을 평가한다.

제안 방법

• 리보솜이 mRNA에 존재할 때를 반영하기 위해 입자가 다수의 격자 위치를 차지하도록 TASEP 모델을 수정한다.
• 확장된 물체를 가진 균일한 닫힌 시스템에서 입자 밀도에 대한 정확한 해를 유도한다.
• 마스터 방정식에 연속 근사를 적용하여 열린 시스템의 밀도 프로파일을 기술하는 수정된 확산 방정식을 도출한다.
• 도메인 벽 이론에 기반한 극값 원리를 사용하여 열린 시스템에서의 상 경계와 전류 값을 예측한다.
• 이동률에 고정된 불순물이 존재하는 시스템에 대한 근사 방법을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 기준으로 삼는다.
• 비균일 시스템에 대해 평균장 근사와 기타 군집화된 접근법을 시뮬레이션 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동된 격자 기반 가스 모델에서 입자의 공간적 확장은 밀도 프로파일과 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 확장된 물체를 가진 열린 시스템에서 연속 근사는 입자 밀도를 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ3 극값 원리를 사용한 도메인 벽 이론은 이러한 시스템에서의 상전이와 전류 값을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 이동률에 고정된 불순물이 존재하는 비균일 시스템에서 평균장 근사 방법은 몬테카를로 시뮬레이션과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 확장된 물체의 크기는 리보솜 이동과 번역 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 균일한 닫힌 시스템에서 확장된 물체를 가진 입자 밀도에 대한 정확한 해가 도출되었으며, 이는 해석적 접근의 가능성을 확인한다.
• 연속 근사는 열린 시스템에서의 밀도 프로파일을 정확하게 기술하는 수정된 확산 방정식을 도출한다.
• 도메인 벽 이론에 기반한 극값 원리는 다양한 상에서의 상도도와 전류 값을 성공적으로 예측한다.
• 도메인 벽 이론으로 예측한 상 경계와 전류 값은 균일한 열린 시스템에서 몬테카를로 시뮬레이션과 강한 일치를 보인다.
• 고정된 불순물이 존재하는 비균일 시스템에 대한 평균장 근사 방법은 시뮬레이션과 합리적인 일치를 보이지만, 고불순도 영역에서는 편차가 존재한다.
• 모델은 입자의 크기가 표준 TASEP와 비교해 운반 거동에 상당한 영향을 미치며, 특히 상전이 근처에서 두드러진다.