Thermodynamic uncertainty relation to assess biological processes.
Thermodynamic uncertainty relation to assess biological processes.
复制标题
用于评估生物过程的热力学不确定性关系。
DOI：
--
复制
发表时间：
2021
影响因子：
4.4
通讯作者：
Changbong Hyeon
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yonghyun Song;Changbong Hyeon
我们回顾了非平衡态生物过程涉及的速度、涨落和热力学成本之间的权衡，并根据热力学不确定关系(TUR)设定的普适界限讨论了这些过程是如何最优的。当底物浓度为米氏常数时，TUR的不确定度乘积Q值是次优的，可以用来衡量在给定热力学成本下实现的酶过程的精确度，并且发现一些关键的生物过程可以绕过这一条件。我们说明了Q在评估分子马达和生物质生产机械离TUR界限有多近时的作用，并且对于生物质生产(或生物复制过程)的情况，我们讨论了如何平衡以Q来量化的它们的最佳性和信息传递过程中的错误率。我们还谈到了生物学中其他最小化错误过程中的权衡，例如基因调控和伴侣辅助的蛋白质折叠。一系列的Q重述了这里调查的生物过程，让我们得以一窥生物系统是如何进化的，以优化和平衡相互冲突的功能需求。
We review the trade-offs between speed, fluctuations, and thermodynamic cost involved with biological processes in nonequilibrium states and discuss how optimal these processes are in light of the universal bound set by the thermodynamic uncertainty relation (TUR). The values of the uncertainty product Q of TUR, which can be used as a measure of the precision of enzymatic processes realized for a given thermodynamic cost, are suboptimal when the substrate concentration is at the Michaelis constant, and some of the key biological processes are found to work around this condition. We illustrate the utility of Q in assessing how close the molecular motors and biomass producing machineries are to the TUR bound, and for the cases of biomass production (or biological copying processes), we discuss how their optimality quantified in terms of Q is balanced with the error rate in the information transfer process. We also touch upon the trade-offs in other error-minimizing processes in biology, such as gene regulation and chaperone-assisted protein folding. A spectrum of Q recapitulating the biological processes surveyed here provides glimpses into how biological systems are evolved to optimize and balance the conflicting functional requirements.
登录
查看更多内容
影响因子：
4.3
作者：
Rudorf S;Thommen M;Rodnina MV;Lipowsky R
通讯作者：
Lipowsky R
影响因子：
3.8
作者：
Schaaper, Roel M.;Mathews, Christopher K.
通讯作者：
Mathews, Christopher K.
DOI：
10.1073/pnas.1215283110
发表时间：
2013-06-11
影响因子：
11.1
作者：
Flamholz, Avi;Noor, Elad;Milo, Ron
通讯作者：
Milo, Ron
影响因子：
16
作者：
Zhang, Yongli;Smith, Corey L.;Bustamantel, Carlos
通讯作者：
Bustamantel, Carlos
影响因子：
12.4
作者：
通讯作者：
--