Diffusion Phenomena in Cells: Superstatistical Diffusion Theory and Formal Analogy between Diffusivity and Thermodynamics

细胞内的扩散现象：超统计扩散理论以及扩散率与热力学之间的形式类比

• 批准号: 21K03394
• 负责人: 一刀 祐一
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: Aichi Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03394/
• 关键词: 異常拡散; 揺らぐ拡散性; 熱力学; 非平衡複雑系; 弱い揺らぎ相関; 条件付きエントロピー; 超統計; 複雑系; 揺らぎ; 弱い相関

２年目の令和４年度は、主に以下のふたつの実績が得られた。ひとつは、細胞内のRNA分子の異常拡散における揺らぐ拡散性と熱力学との間の形式的類似性の基礎についてである。初めに、前段的研究に基づき、揺らぐ拡散係数の平均値を内部エネルギーの類似物とみなし、揺らぎが互いに無限小に異なる状態間でこの平均値の微小変化を調べた。拡散係数とその揺らぎ分布の微小変化をそれぞれ仕事と熱量の類似物と同定し、熱力学第１法則の類似物を評価した。また、関連する実験に基づき、拡散係数の温度への比例係数（Einstein関係式）が外部パラメーターに類似する役割を吟味した。次に、熱力学第２法則の類似物を研究すべく、拡散係数揺らぎに関連するKullback-Leibler相対エントロピーを導入し、Clausius不等式の観点から拡散係数揺らぎのエントロピーと熱量（類似物としての）との間に成立する関係を調べた。もうひとつは、弱い揺らぎ相関を伴う非平衡複雑系に対する条件付きエントロピーのアプローチについてである。これは本研究課題に間接的に関連する。長時間スケール上で時空的に揺らぐふたつの量の間の「弱い相関」を伴う非平衡複雑系において、条件付き揺らぎに対する最大エントロピー原理から揺らぎ分布が弱い相関によって決定されるという結果を得た。与えられた逆温度での拡散指数揺らぎに注目し、この結果をDNA結合タンパク質の細胞内拡散において例証した。同様に、さらなる可能な例証を共通の揺らぐ拡散性を呈する膜を欠く細胞小器官及びビーズの細胞内拡散に対して提示した。これらの成果を学術論文としてOpen Accessの学術雑誌に出版した。なお、初年度に研究した超統計的拡散理論について、ベルリン自由大学（ベルリン、ドイツ）のセミナーで招待講演し、ドイツ物理学会（レーゲンスブルク、ドイツ）でも講演した。

2 years of orders and 4 years of orders, the main and the following achievements have been achieved The abnormal dispersion of RNA molecules in cells is based on thermodynamic similarities. The average value of the dispersion coefficient of the first and last parts of the study is adjusted to the minimum value of the average value of the internal generation coefficient of the analog and the infinite difference between the two states. The dispersion coefficient of heat and heat distribution of the first law of thermodynamics are discussed. The coefficient of proportionality (Einstein relation) of the coefficient of dispersion and the temperature of the coefficient of dispersion is similar to that of the coefficient of dispersion. Second, the second law of thermodynamics is to study the relationship between the dispersion coefficient and the Kullback-Leibler relation. The relationship between the dispersion coefficient and the heat quantity is to be adjusted. The condition of non-equilibrium complex system is that the correlation between the two factors is weak. This is an indirect relationship between the research topic and the results. The principle of weak correlation between the quantities of long time and space is accompanied by the principle of nonequilibrium complex system, conditional payoff and maximum payoff distribution. This is an example of how DNA binding and intracellular dispersion can be achieved by measuring the temperature and dispersion index. In the same way, there are many possible examples that suggest that the membrane's diffusivity is present in cells, small organs, and the intracellular diffusion of tissues. The results of this research are published in Open Access Academic Journal. In the early years of research, the theory of hyper-statistical dispersion was studied and presented at the Free University of Science and Technology.

项目成果

ロンドン大学クイーン・メアリー校(英国)

伦敦大学玛丽女王学院（英国）

Superstatistics of protein diffusion dynamics in bacteria

细菌中蛋白质扩散动力学的超统计

• 发表时间: 2022
• 作者: Tamura Kensuke;Shirai Tatsuhiko;Katsura Hosho;Tanaka Shu;Togawa Nozomu;Yuichi Itto
• 通讯作者: Yuichi Itto