[论文解读] Maxwell's demon in biochemical signal transduction

Sosuke Ito, Takahiro Sagawa|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 3

一句话总结

本文将信息论与热力学统一，表明转移熵可定量决定生化信号转导对环境噪声的鲁棒性。通过将细胞信号转导建模为类似于麦克斯韦妖的反馈控制系 统，研究揭示了信息处理极限受热力学约束的规律，为理解无显式编码的胞内通讯提供了新的物理生物学框架。

ABSTRACT

Signal transduction in living cells is vital to maintain life itself, where information transfer in noisy environment plays a significant role. In a rather different context, the recent intensive researches of Maxwell's demon - a feedback controller that utilizes information of individual molecules - has led to a unified theory of information and thermodynamics. Here we combine these two streams of researches, and show that the second law of thermodynamics with information reveals the fundamental limit of the robustness of signal transduction against environmental fluctuations. Especially, we found that the degree of robustness is quantitatively characterized by an informational quantity called transfer entropy. Our information-thermodynamic approach is applicable to biological communication inside cells, in which there is no explicit channel coding in contrast to artificial communication. Our result would open up a novel biophysical approach to understand information processing in living systems on the basis of the fundamental information-thermodynamics link.

研究动机与目标

• 将细胞信号转导与信息热力学原理相连接。
• 研究环境波动如何影响胞内信号转导的可靠性。
• 利用信息论度量方法识别生化信号转导的根本鲁棒性极限。
• 证明转移熵可量化在噪声环境中信号转导的鲁棒程度。

提出的方法

• 将信号转导建模为受麦克斯韦妖启发的反馈控制系 统。
• 应用信息热力学框架，量化信息在减少熵产生中的作用。
• 使用转移熵作为信号组分间信息流的度量。
• 基于信息获取与处理推导信号保真度的热力学边界。
• 将含信息的热力学第二定律公式化，以分析细胞信号网络。
• 分析无显式信道编码的系统，聚焦于活细胞内固有的信息处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 生化信号转导系统中的信息处理如何与热力学约束相关？
• RQ2 在环境波动下，信号转导的根本鲁棒性极限是什么？
• RQ3 转移熵如何作为胞内通讯鲁棒性的定量度量？
• RQ4 在无信道编码的情况下，信息如何用于维持信号保真度？
• RQ5 基于分子水平信息的反馈控制在最小化热力学成本方面发挥什么作用？

主要发现

• 当在反馈控制中使用信息时，信号转导对环境噪声的鲁棒性从根本上受热力学原理的限制。
• 转移熵可定量表征生化信号转导通路的鲁棒程度。
• 信号转导中的信息获取与利用可减少熵产生，从而实现在噪声环境中的可靠信号传递。
• 含信息的热力学第二定律为分析细胞信息处理提供了统一框架。
• 当采用基于信息的反馈时，生物系统虽无显式信道编码，仍可实现高保真度信息传递。
• 本研究通过信息-热力学对偶的视角，为理解胞内通讯建立了生物物理基础。