[논문 리뷰] Thermodynamic Mechanism of Life and Aging

Marko Popovic|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 09.

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 생물의 노화가 엔트로피 증가에 의해 이끄는 본질적인 열역학적 과정이며, 수정 시점에서 생명은 새로운 열역학적 시스템으로 시작된다고 제안한다. 노화의 모든 형태(연령, 생물학적, 열역학적)를 정량적으로 뒷받침하는 엔트로피 축적—초기에는 성장에서 비롯되고, 나중에는 분자 손상(예: 자유 라디칼, 리포퓨신)에서 비롯됨—이 생물학적 노화와 물리적 노화를 하나의 열역학적 프레임워크로 통합함으로써, 생명과 노화의 통합된 열역학적 메커니즘을 제시한다.

ABSTRACT

Life is a complex biological phenomenon represented by numerous chemical, physical and biological processes performed by a biothermodynamic system/cell/organism. Both living organisms and inanimate objects are subject to aging, a biological and physicochemical process characterized by changes in biological and thermodynamic state. Thus, the same physical laws govern processes in both animate and inanimate matter. All life processes lead to change of an organism's state. The change of biological and thermodynamic state of an organism in time underlies all of three kinds of aging (chronological, biological and thermodynamic). Life and aging of an organism both start at the moment of fertilization and continue through entire lifespan. Fertilization represents formation of a new organism. The new organism represents a new thermodynamic system. From the very beginning, it changes its state by changing thermodynamic parameters. The change of thermodynamic parameters is observed as aging and can be related to change in entropy. Entropy is thus the parameter that is related to all others and describes aging in the best manner. In the beginning, entropy change appears as a consequence of accumulation of matter (growth). Later, decomposition and configurational changes dominate, as a consequence of various chemical reactions (free radical, decomposition, fragmentation, accumulation of lipofuscin-like substances...).

연구 동기 및 목표

• 생물학적 및 비생물적 시스템 전반에 걸쳐 생명과 노화를 이해하는 통합된 열역학적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 노화를 기술하는 데 중심적인 매개변수로 엔트로피를 규명하기 위해.
• 같은 물리 법칙이 동물성 및 비생물성 물질의 노화를 어떻게 규정하는지 설명하기 위해.
• 수명 주기 동안 성장 기반 엔트로피 증가에서 손상 기반 엔트로피 축적으로의 전이를 분석하기 위해.
• 수정이 새로운 열역학적 시스템을 시작하며, 그 시스템의 진화가 생명과 노화를 정의함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 수정 시점부터 생물을 닫힌 열역학적 시스템으로 모델링한다.
• 노화의 핵심 척도로 시간에 따른 열역학적 매개변수—특히 엔트로피의 변화를 추적한다.
• 엔트로피 증가의 두 단계를 구분한다: 초기 성장(물질 축적)과 후기 퇜력(분자 손상).
• 자유 라디칼 반응, 분해, 리포퓨신 축적과 같은 주요 생물학적 과정이 노후기 엔트로피 증가의 주요 기여 요소임을 식별한다.
• 통계역학과 비평형 열역학 원리를 생물학적 시스템에 적용한다.
• 연령, 생물학적, 열역학적 노화를 연결하는 유일한 매개변수로 엔트로피를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물의 노화는 어떻게 열역학 원리로 기술할 수 있는가?
• RQ2 엔트로피는 연령, 생물학적, 열역학적 노화를 통합하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 동물성 및 비생물성 시스템 모두 같은 물리 법칙에 따라 노화를 겪는가?
• RQ4 수명 주기의 다양한 단계에서 엔트로피 증가를 주도하는 주요 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ5 수정 시점에서 새로운 생물체가 시작될 때, 그로 인해 새로운 열역학적 시스템이 형성되고, 이는 어떻게 별개의 노화 궤적을 정의하는가?

주요 결과

• 생물의 노화는 본질적으로 엔트로피 증가에 의해 지배되는 열역학적 과정이다.
• 엔트로피 증가는 성장 기간 동안의 물질 축적에서 시작되며, 후기에는 자유 라디칼 반응 및 리포퓨신 축적과 같은 분자 손상 과정으로 이행된다.
• 비생물성 물질의 노화를 규정하는 동일한 물리 법칙이 생물의 노화에도 적용되며, 생물학적 노화와 물리적 노화를 통합한다.
• 수정은 새로운 열역학적 시스템을 형성하며, 이 시스템의 진화가 생명과 노화를 정의하는 고유한 노화 궤적을 시작한다.
• 엔트로피는 연령, 생물학적, 열역학적 노화의 세 가지 형태를 모두 기술하는 데 가장 종합적인 매개변수이다.
• 노화의 성장 단계에서 퇄화 단계로의 전이가, 생합성에 의한 양의 엔트로피 생성에서 분해 및 분해에 의한 엔트로피 생성으로의 전환을 특징으로 한다.