[논문 리뷰] Reply to Comment on "Enhanced diffusion of enzymes that catalyze exothermic reactions"

Ramin Golestanian|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 26.

Protein Structure and Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 발열 반응에서 효소 확산 향상에 대해 제안된 음향파 메커니즘을 도전하며, 대신 집단적 가열이 더 강력한 물리적 메커니즘임을 주장한다—음향파 모델보다 6–7개 항목 더 크다. 저자는 실험적 통제 조건이 집단적 가열을 배제하지 않으며, 일시적 효과가 정적인 상태 추정을 무효화하지 않는다는 점을 입증함으로써, 관측된 확산 향상에 대해 가열이 가장 타당한 설명임을 강화한다.

ABSTRACT

Catalytically active enzymes have recently been observed to exhibit enhanced diffusion. In a recent work [C. Riedel et al., Nature 517, 227 (2015)], it has been suggested that this phenomenon is correlated with the degree of exothermicity of the reaction, and a mechanism was proposed to explain the phenomenon based on channeling the released heat into the center of mass kinetic energy of the enzyme. I addressed this question by comparing four different mechanisms, and concluded that collective heating is the strongest candidate out of those four to explain the phenomenon, and in particular, several orders of magnitude stronger than the mechanism proposed by Riedel et al. In a recent preprint (arXiv:1608.05433), K. Tsekouras, C. Riedel, R. Gabizon, S. Marqusee, S. Presse, and C. Bustamante present a comment on my paper [R. Golestanian, Phys. Rev. Lett. 115, 108102 (2015); arXiv:1508.03219], which I address here in this reply.

연구 동기 및 목표

• Riedel 등이 제안한 발열 반응에서 효소 확산 향상에 대한 음향파 메커니즘을 도전하기 위해.
• 집단적 가열, 확률적 수영, 음향파, 에너지 분배의 네 가지 잠재적 메커니즘을 예측된 확산 향상 정도에 따라 평가하고 순위를 매기기 위해.
• 집단적 가열이 주요 메커니즘이며, 음향파 모델보다 수개 항목 더 뛰어나다는 점을 주장하기 위해.
• Tsekouras 등이 제시한 실험적 통제 조건에 대응하여, 이들이 집단적 가열을 배제하지 않으며, 통제 데이터의 추세가 가열 예측과 일치한다는 점을 보여주기 위해.
• 효소 분리와 같은 설명되지 않은 현상이 가열 메커니즘을 무효화하지는 않으며, 이는 별개의 물리적 과정에 기인할 수 있음을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 집단적 가열, 확률적 수영, 음향파, 에너지 분배의 네 가지 효소 확산 향상 메커니즘에 대한 비교 이론 분석을 수행한다.
• 반응열, 확산 계수, 반응 속도 등의 물리적 파라미터를 기반으로 단순화된 추정치를 사용해 각 메커니즘이 기여하는 정도를 정량화한다.
• 전파하는 프론트 솔루션을 가진 비선형 열확산 방정식을 사용하여 일시적 거동을 모델링한다—Fisher-PKPP 방정식과 유사하다.
• ~1 μm/s의 프론트 전파 속도를 추정하여, 일반적인 관측 윈도우 동안 정적 상태 근사가 유효하다는 것을 보여준다.
• 비활성 우레아제와 활성 촉매효소를 사용한 통제 실험 데이터를 재평가하여 집단적 가열 예측과의 일치성을 평가한다.
• 통제 데이터에서 간과된 추세를 강조함으로써 실험 서사 간의 괴리를 해소하고, 가열 기반 기대와 일치하는 경향을 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Riedel 등이 제안한 음향파 메커니즘이 현실적인 에너지 분배를 고려할 때 예측된 확산 향상 정도를 고려해 물리적으로 타당한가?
• RQ2 집단적 가열은 음향파 메커니즘과 비교해 얼마나 더 크며, 효소 확산 향상 설명에 있어 어떤가?
• RQ3 Tsekouras 등이 보고한 실험적 통제 조건이 집단적 가열이 기여하는 메커니즘을 진짜로 배제하는가?
• RQ4 비정적 상태 반응 조건에서의 일시적 거동이 효소 시스템에서 열확산의 정적 상태 근사를 사용하는 것을 무효화하는가?
• RQ5 비활성 효소에서 확산 계수에 몇 퍼센트 증가가 관찰된 통제 실험 결과가 집단적 가열 가설과 모순되지 않는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Riedel 등이 제안한 음향파 메커니즘은 현실적인 에너지 분배를 고려할 경우 예측된 확산 향상 정도가 6–7개 항목 더 작다.
• 집단적 가열은 음향파 모델보다 수개 항목 더 뛰어나며, 가장 강력한 후보 메커니즘이다.
• 일시적 열확산 프론트의 전파 속도는 약 1 μm/s이며, 이는 일반적인 관측 기간 동안 정적 상태 추정이 유효함을 입증한다.
• 비활성 우레아제와 활성 촉매효소를 사용한 통제 실험에서 효과적 확산 계수가 몇 퍼센트 증가한 결과는 집단적 가열과 일치하며, 데이터로 인해 배제되지 않는다.
• 효소 분리 현상은 음향파 메커니즘으로는 설명되지 않으며, 별개의 물리적 과정에 기인할 수 있으므로 집단적 가열 메커니즘과 모순되지 않는다.
• 보수적 또는 더 현실적인 추정치 하에서도 메커니즘의 크기 순서는 여전히 견고하며, 집단적 가열이 명확히 지배적이다.