[논문 리뷰] Life's Solutions are Not Ideal

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 01.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 98인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 강한 이온 상호작용으로 인해 생물학적 이온 용액은 본질적으로 비이상적임을 주장하며, 이상기체 근사와 질량작용 법칙과 같은 고전적 이론들이 부적절하다고 한다. 이에 따라 복잡한 유체의 변분 이론을 제안하여, 처음부터 이온 상호작용을 고려하는 자기일관된 수학적 프레임워크를 제공함으로써, 세포 내외의 생물학적으로 관련된 이온 혼합물을 계산 가능한 방식으로 모델링할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Life occurs in ionic solutions, not pure water. The ionic mixtures of these solutions are very different from water and have dramatic effects on the cells and molecules of biological systems, yet theories and simulations cannot calculate their properties. I suggest the reason is that existing theories stem from the classical theory of ideal or simple gases in which (to a first approximation) atoms do not interact. Even the law of mass action describes reactants as if they were ideal. I propose that theories of ionic solutions should start with the theory of complex fluids because that theory is designed to deal with interactions from the beginning. The variational theory of complex fluids is particularly well suited to describe mixtures like the solutions in and outside biological cells. When a component or force is added to a solution, the theory derives - by mathematics alone - a set of partial differential equations that captures the resulting interactions self-consistently. Such a theory has been implemented and shown to be computable in biologically relevant systems but it has not yet been thoroughly tested in equilibrium or flow.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 시스템 내 이온 용액을 기술하는 데 있어 이상기체 근사에 기반한 고전적 이론의 근본적인 부적합성을 다루기 위해.
• 기존 이론들이 처음부터 이온-이온 상호작용과 이온-용매 상호작용을 무시하기 때문에 실패함을 규명하기 위해.
• 상호작용을 본질적으로 고려하는 복잡 유체 이론에 뿌리를 두고, 새로운 이론적 기반을 제안하기 위해.
• 성분이나 힘이 추가될 경우에도 처음부터 유도할 수 있는 자기일관된 수학적 프레임워크를 개발하여 편미분 방정식을 유도할 수 있도록 하기 위해.
• 이 새로운 접근을 통해 세포 내외의 생물학적으로 관련된 이온 혼합물을 계산 가능한 시뮬레이션으로 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 복잡 유체의 변분 공식을 기초 이론으로 채택하여, 구성 요소 간의 상호작용을 자연스럽게 포함시키기 위해.
• 수학적 유도를 통해 추가된 성분이나 힘에 대한 이온 용액의 자기일관된 반응을 기술하는 편미분 방정식을 도출하기 위해.
• 세포 내외의 체액과 유사한 이온 혼합물을 대상으로, 생물학적으로 관련된 시스템에 초점을 맞추어 이론을 적용하기 위해.
• 이론을 계산적으로 구현하여, 복잡한 이온 환경을 모델링하는 데의 가능성을 입증하기 위해.
• 기존의 질량작용 법칙이나 이상기체 법칙과 달리, 이론이 이상성을 가정하지 않도록 보장하기 위해.
• 열역학적 일관성을 기반으로 하여, 평형 상태뿐 아니라 유동과 같은 비평형 상태(예: 유동) 조건도 기술할 수 있도록 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 고전적 화학 평형 이론과 질량작용 법칙은 생물학적 시스템 내 이온 용액을 설명하지 못하는가?
• RQ2 어떤 이론적 프레임워크가 복잡한 생물학적 유체 내 이온-이온 상호작용과 이온-용매 상호작용을 일관되게 고려할 수 있는가?
• RQ3 복잡 유체에 대한 변분 접근법이 세포 내 이온 혼합물에 대해 계산 가능하고 자기일관된 방정식을 유도할 수 있는가?
• RQ4 제안된 이론은 생물학적 이온 용액의 거동을 예측하는 데 있어 이상화된 모델과 어떻게 다를까?
• RQ5 이 이론은 생물학적 시스템에서 평형 상태뿐 아니라 유동 조건까지 어느 정도 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 복잡 유체의 변분 이론은 이상성을 가정하지 않고도 이온 상호작용을 기술하는 자기일관된 수학적 유도를 통해 편미분 방정식을 도출한다.
• 이론은 생물학적으로 관련된 시스템에서 계산 가능하며, 세포 내 이온 환경을 모델링하는 데의 가능성성을 입증한다.
• 기존의 이상기체 근사를 기반으로 한 이론들은 생물학적 분자와 세포에 대한 이온 혼합물의 급격한 영향을 포착하지 못한다.
• 기존의 고전적 접근과 달리, 이 프레임워크는 처음부터 상호작용을 내재적으로 포함한다.
• 성분이나 힘이 추가될 경우에도 물리 법칙을 처음부터 유도할 수 있어 일관성을 확보한다.
• 이론은 평형 상태뿐 아니라 비평형 상태(예: 유체 유동)에도 적용 가능하며, 비록 이러한 영역에서의 완전한 검증은 남아 있지만.