[논문 리뷰] Biomolecular System Energetics

P.J. Gawthrop, Edmund J. Crampin|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 25.

Mitochondrial Function and Pathology참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 생물분자 시스템의 에너지역학을 분석하기 위해 바인드 그래프 기반의 모델링 프레임워크를 제안하며, 사례 연구로 당해리과정을 중심으로 다룬다. 펄라드-에퀴벌런트 잠재력과 반응 구동력을 적용하여 에너지 변환 효율을 정량화하며, 표준 조건에서 명목상 펌프 효율이 69.1%임을 밝혀내며, 포도당 농도와 유량에 민감함을 확인한다.

ABSTRACT

Efficient energy transduction is one driver of evolution; and thus understanding biomolecular energy transduction is crucial to understanding living organisms. As an energy-orientated modelling methodology, bond graphs provide a useful approach to describing and modelling the efficiency of living systems. This paper gives some new results on the efficiency of metabolism based on bond graph models of the key metabolic processes: glycolysis.

연구 동기 및 목표

• 바인드 그래프를 사용하여 열역학적으로 타당한 에너지 기반의 모델링 프레임워크를 생물분자 시스템에 개발하기 위해.
• 핵심 대사 경로인 당해리과정에서의 에너지 변환 효율을 정량화하기 위해.
• 바인드 그래프 방법론을 생화학적 시스템에 적용하기 위해 펄라드-에퀴벌런트 잠재력과 몰 유량을 포함하도록 확장하기 위해.
• 기질 농도와 반응 유량에 따라 대사 효율이 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 미토콘드리아 대사, 특히 TCA 회로와 전자 전달계를 분석할 수 있는 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 화학 반응을 바인드 그래프 구성 요소로 모델링: 화학 종은 C(용량)로, 화학적 잠재력 차이에 의해 구동되는 반응은 R(저항)로 표현한다.
• 몰 농도 잠재력(μ)을 볼트 단위의 펄라드-에퀴벌런트 잠재력(φ = Fμ)으로 변환하고, 몰 유량(v)을 암페어 단위의 펄라드-에퀴벌런트 유량(f = v/F)으로 변환한다.
• 반응 구동 잠재력(Φ)을 반응물과 생성물 간의 펄라드-에퀴벌런트 잠재력 차이로 정의한다.
• 구동력(Φ₀f)과 펌프력(Φ_pumpf)을 계산하여 펌프 효율(η = P_pump / P₀)을 유도한다.
• mass-action 동역학과 수치 시뮬레이션을 사용하여 효율의 유량 의존성을 계산하며, 비이상적 거동에 대한 보정을 가한다.
• Park 등 [22]의 실험적 열역학 데이터를 사용하여 당해리과정 매개변수의 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바인드 그래프 기반 프레임워크를 사용할 때, 당해리과정에서의 에너지 변환의 열역학적 효율은 얼마인가?
• RQ2 포도당 농도와 반응 유량이 변화함에 따라 당해리과정의 펌프 효율은 어떻게 변하는가?
• RQ3 펄라드-에퀴벌런트 잠재력과 유량은 생화학적 시스템에 대해 일관된 에너지 기반 모델링 접근법을 제공할 수 있는가?
• RQ4 표준 조건에서 당해리과정의 구동 잠재력과 펌프 잠재력은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 당해리과정의 효율은 반응의 구동력과 에너지를 소비하는 과정 간의 균형에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• 표준 조건에서 당해리과정의 명목상 펌프 효율은 69.1%이며, 이는 펌프력과 구동력의 비율로 계산된다.
• 전체 반응 잠재력(Φ_all)이 0에 가까워질수록 효율이 100%에 수렴하며, 이는 구동 잠재력이 펌프 잠재력과 동일할 때 발생한다.
• 저농도의 포도당에서는 구동 잠재력(Φ₀)이 펌프 잠재력(Φ_pump) 대비 감소함에 따라 효율이 크게 떨어진다.
• 시뮬레이션 결과, 효율은 유량 범위가 넓은 영역에서 약 70% 수준을 유지하지만, 매우 낮은 유량에서는 급격히 감소함을 보였다.
• 모델은 효율이 포도당의 정규화된 잠재력(φ_GL C)에 매우 민감하며, 비선형 관계 η = Φ_pump / (Φ₀ + φ̃_GLC)로 기술됨을 예측한다.
• 이 프레임워크는 실험적 열역학 데이터를 성공적으로 통합하며, TCA 회로와 전자 전달계를 포함한 미토콘드리아 대사 분석을 위한 확장 가능한 방법을 제공한다.