Ikke-steady state massehandlingsdynamik genovervejet

Masseaktionsloven blev først beskrevet for 150 år siden. I dag, det er stadig et fast begreb i hver første års kemitekst. Loven siger, at hastigheden af ​​en kemisk reaktion er proportional med koncentrationen af ​​reaktanterne. For løsninger i dynamisk ligevægt, loven forudsiger, hvordan disse løsninger vil opføre sig.

Men det er en udfordring at anvende massehandlingens lov på komplekse systemer, såsom biologisk stofskifte. For en, de fleste hastighedskonstanter er ikke tilgængelige, og måling af de manglende er meget arbejdskrævende.

I biologisk forskning, måling af hastighedskonstanter kræver isolering og rensning af individuelle enzymer, derefter bestemme hastighedskonstanterne med spektrofotometri - dvs. hvor meget lys et kemikalie absorberer. Dette sænker gennemløbshastighederne, gør det svært at karakterisere hvert nyt genom. Trods alt, at gøre dette kræver tusindvis af hastighedsparametre.

På grund af disse problemer, et stort antal enzymhastighedsparametre er blevet bestemt for blot nogle få velbeskrevne systemer, såsom Escherichia coli. For de fleste biologiske systemer, videnskabsmænd har endnu ikke opnået hastighedskonstanter.

I mellemtiden den valgte metode til modellering af biologiske processer i stor skala (såsom metabolisme) involverer begrænsningsbaserede fluxmodeller. Men disse modeller lider af mangel på fysik vedrørende massehandlingens lov, begrænser muligheden for begrænsningsbaserede tilgange, selv når de udvides til at omfatte termodynamik og andre faktorer.

Som svar, nogle forskere har foreslået at studere elementære reaktioner ved hjælp af loven om massereaktion gennem reaktionsaffiniteter i stedet for hastighedskonstanter.

Et nyt papir i journalen Fysisk biologi af William R. Cannon og Scott E. Baker ved Pacific Northwest National Laboratory gennemgår forholdet mellem reaktionsaffinitet og fri energi for isolerede reaktioner ved at bruge begreber fra statistisk termodynamisk integration. Cannon og Baker satte sig for eksplicit at demonstrere forholdet mellem kinetiske formuleringer af hastigheder, der bruger hastighedskonstanter, og en statistisk termodynamisk formulering, der bruger kemiske potentialer.

Efterfølgende præsenterer de et teorem for koblede reaktioner baseret på kemiske potentialer, som kan give relative hastigheder for alle sekventielt koblede reaktioner under alle forhold, steady state eller ej. Dette undgår behovet for hastighedskonstanter i mange applikationer.

Brug af kemiske potentialer i stedet for hastighedskonstanter repræsenterer et metodologisk spring, som forfatterne siger, kunne signalere et stort fremskridt for prædiktiv modellering i systembiologi.

Den nye metode vil muliggøre komplekse, store biologiske systemer såsom stofskifte, der skal modelleres med kinetik og termodynamik. Dette vil resultere i mere præcise forudsigelser for design af mikroorganismer til at opføre sig på ønskede måder, som dem, der kunne udnyttes til at producere biobrændstoffer.

I øvrigt, forfatterne siger, den nye metode vil kaste grundlæggende indsigt i den termodynamiske kobling mellem levende organismer og deres miljø.