情報熱力学による生体内ゆらぎの制御限界の解明

利用信息热力学阐明体内波动的控制极限

• 批准号: 17J05540
• 负责人: 松本 拓巳
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J05540/
• 关键词: 情報熱力学; シグナル伝達; フィードバック制御

細胞は、細胞内外の分子の少数性、環境の不均一性などに起因する激しくゆらいだ環境の中で、外部環境の変化や他の細胞からのシグナルを観測し、細胞内にその情報を伝達することによって生命活動に重要な分子などの個数を正確に制御している。そのような化学反応のリレーを行うには、熱的な散逸が伴うはずであるが、生物は非常に限られたエネルギー(資源)でそれを実行しており、そのエネルギー論、つまり熱力学的な理解は不十分なままである。本研究ではこの問題に取り組み、(フィードバックを理論体系に取り入れた熱力学である)情報熱力学を用いることによって、「情報」と「制御」の間の一般的な関係を明確にすることに成功し、さらには「最適制御」や「十分統計量」といった制御理論における概念が非平衡統計力学の枠組みでどのように理解されるのかを明らかにした。より具体的には、情報量にある種の方向性をもたせた各種情報流がどのような場合に最適化されるかを調べ、同時に発生する熱的散逸の間のトレードオフを導いた。この結果を大腸菌の走化性シグナル伝達に応用し、その情報論的効率と熱力学的効率を定量的に調べ、生物学における本研究の有用性を示すことに成功した。また、従来の研究では定量的にシグナル伝達を解析する際に定常系を考えていたが、本研究では情報流を用いることによって、非定常系における結果も与えることができた。このことは、本質的に非定常で駆動している生物システムを理解する上で重要な結果であると考えられる。

The number of molecules important for life activities is controlled correctly by the number of molecules that are important for cell interaction, the number of molecules that are important for cell interaction, and the number of molecules that are important for cell interaction. The chemical reaction and heat dissipation are not fully understood. The biological reaction and heat dissipation are not fully understood. This study focuses on the problems of thermodynamics, information thermodynamics, information thermodynamics, control thermodynamics, and general relations between them. For specific information flows, the directionality of information flows is optimized, and heat dissipation is generated simultaneously. These results demonstrate the usefulness of this study in the field of biological and quantitative regulation of the efficiency of information theory and thermodynamics. The results of this study are as follows: (1) the quantitative analysis of the steady state system;(2) the application of the information flow; and (3) the analysis of the unsteady state system. This is an important result in understanding the nature of non-stationary motion.

项目成果

Role of sufficient statistics in stochastic thermodynamics and its implication to sensory adaptation

充分统计在随机热力学中的作用及其对感觉适应的影响

• DOI: 10.1103/physreve.97.042103
• 发表时间: 2018
• 期刊: Phys. Rev. E
• 作者: Takumi Matsumoto and Takahiro Sagawa

Trade-off relation between sensory capacity and information-thermodynamic efficiency in a model of E. coli chemotaxis

大肠杆菌趋化性模型中感觉能力和信息热力学效率之间的权衡关系

• 发表时间: 2017
• 作者: Manago Masahiro;Ishida Kenji;Aoki Dai;真砂全宏;真砂全宏;Masahiro Manago;真砂全宏;真砂全宏;Masahiro Manago;Masahiro Manago;Takumi Matsumoto and Takahiro Sagawa;Takumi Matsumoto
• 通讯作者: Takumi Matsumoto