Вчені оцінили приховану енергетичну ціну життя клітин

Нове дослідження в журналі «Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment» пропонує термодинамічний підхід до оцінки прихованих енергетичних витрат клітинного метаболізму.

Автори показують, що існують «витрати на життя», які класична механіка не враховує. Йдеться про енергію, потрібну для підтримки одних біохімічних процесів і пригнічення інших. У механічній фізиці відсутність руху означає відсутність роботи. Проте стохастична термодинаміка, тобто «розділ фізики, що описує флуктуації енергії у малих системах», демонструє реальність цих витрат.

Життя, за логікою авторів, починається з меж і вибору. Формування клітинної мембрани створило розділення між внутрішнім і зовнішнім середовищем. Це розділення потребувало постійних витрат енергії. Саме так виникла необхідність обмежувати хімічні реакції до кількох метаболічних шляхів.

Метаболічні шляхи мають не лише очевидну енергетичну потребу. Вони несуть і «додаткові витрати», пов’язані з підтримкою бажаного напрямку реакцій. Класична механіка трактує такі обмеження як фіксовані умови. Тому вони вважаються безкоштовними з погляду енергії.

Команда під керівництвом Прафула Гаграні з Токійського університету запропонувала новий метод оцінки цих витрат. Він дозволяє ранжувати метаболічні шляхи за їхньою термодинамічною «вартістю». Метод спирається на ймовірність того, що певний шлях підтримується, а альтернативні реакції блокуються.

«Натхненням стала робота Еріка Сміта з переліку всіх можливих шляхів, які можуть відтворити цикл Кальвіна», — зазначає Гаграні. Сміт показав, що природний цикл фотосинтезу є одним із найменш дисипативних. «Неймовірно, чи не так?» — додає він.

Новий підхід вимірює не енергію напряму, а малоймовірність процесу. Вона складається з вартості підтримки та вартості обмеження. Разом вони відображають реальну ціну метаболічного вибору.

«Ми побачили речі, яких не очікували», — пояснює Гаграні. Наприклад, паралельні шляхи можуть бути менш витратними. Втім, у живих системах каталіз і токсичність змінюють цей баланс. Метод відкриває нові можливості для дослідження походження та еволюції життя, хоча остаточні відповіді потребують міждисциплінарних зусиль.