[논문 리뷰] Scale-dependent irreversibility in living matter

Tzer Han Tan, Garrett A. Watson외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실험 데이터에서 시간 역행 비대칭성을 분석하여 생물 시스템 내 에너지 소산을 정량화하는 모델에 의존하지 않는 다중 척도 비가역성 지표를 제안한다. 성게 난세의 액틴미오신 코ating에 적용된 결과, 비가역성과 생물학적 비평형 활동 사이에 단조적 관계가 존재함을 밝혀내었으며, 열 노이즈가 존재하는 상황에서도 높은 민감도로 소산 시간스케일과 신호 전달 다이내믹스의 변화를 감지할 수 있었다.

ABSTRACT

A defining feature of living matter is the ability to harness energy to self-organize multiscale structures whose functions are facilitated by irreversible nonequilibrium dynamics. While progress has been made in elucidating the underlying principles, what remains unclear is the role that thermodynamics plays in shaping these structures and their ensuing functions. Here, we unravel how a fundamental thermodynamic connection between the physical energy dissipation sustaining a nonequilibrium system and a measure of statistical irreversibility (arrow of time), can provide quantitative insight into the mechanisms of nonequilibrium activity across scales. Specifically, we introduce a multiscale irreversibility metric and demonstrate how it can be used to extract model-independent estimates of dissipative timescales. Using this metric, we measure the dissipation timescale of a multiscale cellular structure - the actomyosin cortex - and further observe that the irreversibility metric maintains a monotonic relationship with the underlying biological nonequilibrium activity. Additionally, the irreversibility metric can detect shifts in the dissipative timescales when we induce spatiotemporal patterns of biochemical signaling proteins upstream of actomyosin activation. Our experimental measurements are complemented by a theoretical analysis of a generic class of nonequilibrium dynamics, elucidating how dissipative timescales manifest in multiscale irreversibility.

연구 동기 및 목표

• 통계적 비가역성을 사용하여 생물 시스템의 비평형 활동을 모델에 의존하지 않고 정량화하는 방법을 개발하는 것.
• 실험적 시계열 데이터로부터 세포 구조물(예: 액틴미오신 코팅)의 특징적인 소산 시간스케일을 식별하는 것.
• 다양한 공간-시간 척도에서 열역학적 소산과 통계적 비가역성 간의 정량적 연결을 수립하는 것.
• 기계적 가정 없이 상游 생화학적 신호 패tern이 유도하는 비평형 다이내믹스의 변화를 감지하는 것.
• 실제 세포 실험 데이터와 활성 브라운 운동의 분석 모델을 사용하여 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 통계적 비가역성을 정량화하기 위해 정방향 및 역방향 시계열 궤적 간의 쿨백-라이블러 발산(KLD)을 사용하며, 이는 σ = limₙ→∞ (k_B / nτ) D[P(x₁,…,xₙ) || P(xₙ,…,x₁])로 정의된다.
• 비가역성 지표 σ(ϑ)는 다양한 군집 시간 ϑ에서 계산되어 비평형 활동의 특징적인 소산 시간스케일을 탐지한다.
• 노이즈가 많은 생물학적 시스템에서도 안정적인 추정이 가능하도록, 시뮬레이션 및 실험적 궤적에서 비가역성을 추정하기 위해 k-최근접 이웃 추정기법을 사용한다.
• 이론적 모델링은 비대칭 힘 행렬 K를 갖는 활성 옹스트롬-우렌베르크 노이즈에 의해 구동되는 2차원 브라운 입자를 사용하여 비평형 다이내믹스를 시뮬레이션하고 지표의 타당성을 검증한다.
• 모델은 열 노이즈(T)와 활성 노이즈 온도(T_A)를 포함하며, 활성 노이즈는 회복률 α와 결합 강도 κ로 특징지어진다.
• 이 방법은 살아있는 성게 난세의 코팅 데이터에 적용되었으며, 비가역성이 소산 시간스케일 ϑ ≈ κ/α에서 최대가 되는 것으로 나타나 비평형 활동의 최적 탐지 가능성을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시계열 데이터의 통계적 비가역성이 생물학적 물질 내 비평형 활동의 특징적인 소산 시간스케일을 드러내는가?
• RQ2 액틴미오신 활동를 조절하는 상游 생화학적 신호 패턴의 변화에 비가역성 지표는 어떻게 반응하는가?
• RQ3 열 노이즈는 비평형 다이내믹스 탐지에 얼마나 심각한 영향을 미치며, 지표는 여전히 소산 시간스케일을 식별할 수 있는가?
• RQ4 실제 생물학적 시스템(예: 액틴미오신 코팅)에 적용했을 때 비가역성 지표는 강건하고 모델에 의존하지 않는가?
• RQ5 비가역성의 크기를 엔트로피 생성률과 정량적으로 연결할 수 있는가, 즉 물리적 에너지 소산과의 관계를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 분석 및 시뮬레이션 모델 모두에서 비가역성 지표 σ(ϑ)는 소산 시간스케일 ϑ ≈ κ/α에서 뚜렷한 피크를 보이며, 이는 특징적인 비평형 시간스케일을 탐지할 수 있음을 확인한다.
• 액틴미오신 코팅의 실험 데이터에서 비가역성은 생물학적 비평형 활동 증가와 함께 단조적으로 증가함을 보여, 기능적 다이내믹스와 직접적인 정량적 연관성을 시사한다.
• 상위 신호 패턴이 변화할 경우 비가역성 지표는 소산 시간스케일의 이동을 감지하며, 조절 변화에 대한 민감성을 입증한다.
• 짧은 지연 시간(ϑ ≪ κ/α)에서는 열 노이즈로 인해 비가역성이 억제되지만, 특징적인 시간스케일에서 복귀하여 최대가 되며, 노이즈에 대한 강건성을 확인한다.
• 비가역성의 최대값은 엔트로피 생성률 Σ에 비례함을 확인하여, 열역학적 소산과의 정량적 연결을 검증한다.
• 이 방법은 기계적 메커니즘에 대한 사전 지식 없이도 비평형 활동을 성공적으로 탐지할 수 있어, 복잡한 활성 물질 시스템을 탐색하는 데 적합하다.