[论文解读] Reply to Comment on "Enhanced diffusion of enzymes that catalyze exothermic reactions"

Ramin Golestanian|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Protein Structure and Dynamics被引用 4

一句话总结

本文挑战了 Riedel 等人提出的用于放热反应中酶扩散增强的声波机制，认为集体加热才是主导的物理机制——其强度比声波模型高出6–7个数量级。作者表明，实验对照无法排除集体加热的可能性，且瞬态效应并不否定其稳态估算的有效性，从而进一步支持加热是观察到的扩散增强现象最合理的解释。

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.

研究动机与目标

• 挑战 Riedel 等人提出的用于放热反应中酶扩散增强的声波机制。
• 基于其预测的扩散增强幅度，评估并排序四种潜在机制——集体加热、随机游动、声波和能量分配——的相对重要性。
• 论证集体加热是主导机制，其强度远超声波模型，高出现象级数量。
• 回应 Tsekouras 等人引用的实验对照，表明这些对照并未排除集体加热作为贡献机制的可能性，并且对照数据中的趋势与加热预测一致。
• 澄清诸如酶分离等未解释现象并不否定加热机制，因为它们可能源于不同的物理过程。

提出的方法

• 对四种酶扩散增强机制（集体加热、随机游动、声波和能量分配）进行比较性理论分析。
• 基于物理参数（如反应热、扩散系数、反应速率）的简化估算，量化每种机制的贡献。
• 应用具有传播波前解的非线性热扩散方程，类比 Fisher-PKPP 方程，以模拟瞬态行为。
• 估算波前传播速度约为 1 μm/s，表明在典型观测窗口内，稳态近似仍然有效。
• 重新评估实验对照数据（例如，无活性脲酶与有活性过氧化氢酶的组合），以检验其与集体加热预测的一致性。
• 通过突出对照数据中被忽视的趋势，这些趋势与基于加热的预期一致，从而调和实验叙述中的矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑实际能量分配后，Riedel 等人提出的声波机制在预测扩散增强幅度方面是否具有物理可行性？
• RQ2 在解释酶扩散增强方面，集体加热与声波机制相比在量级上如何？
• RQ3 Tsekouras 等人报告的实验对照是否真正排除了集体加热作为贡献机制的可能性？
• RQ4 在非稳态反应条件下，瞬态行为是否足以否定在酶系统中使用热扩散的稳态近似？
• RQ5 为何显示无活性酶的扩散系数仅增加百分之几的对照实验，并不与集体加热假说矛盾？

主要发现

• 当考虑实际能量分配时，Riedel 等人提出的声波机制所预测的扩散增强幅度，比实际值小6–7个数量级。
• 集体加热成为最强有力的候选机制，其强度远超声波模型，高出现象级数量。
• 瞬态热扩散波前以约 1 μm/s 的速度传播，验证了在典型观测期内使用稳态估算的合理性。
• 使用无活性脲酶与有活性过氧化氢酶的对照实验显示有效扩散系数增加约百分之几，与集体加热预测一致，且未被数据排除。
• 酶分离现象无法由声波机制解释，但也不与集体加热机制矛盾，因其可能涉及不同的物理过程。
• 即使在保守或更现实的估算下，机制按量级排序的结论依然稳健，集体加热明显占主导地位。