Research Abstract

フィードバックループのある生体内シグナル伝達におけるマクスウェルのデーモン

Maxwell’s demon in biochemical signal transduction with feedback loop

2015年6月23日 Nature Communications 6 : 7498 doi: 10.1038/ncomms8498 (2015)

生体細胞におけるシグナル伝達は、生命それ自身を維持するのに不可欠である。その際、雑音のある環境における情報伝達が重要な役割を果たしている。近年、やや異なる観点から、マクスウェルのデーモン(個々の分子の情報を利用するフィードバック制御装置)について活発な研究が行われており、情報理論と熱力学を統合した理論が発展している。今回我々は、こうした2つの研究の流れを融合させ、情報熱力学の第二法則によって、環境変動に対するシグナル伝達のロバストさの原理的な限界が明らかになることを示す。特に、移動エントロピーと呼ばれる情報量によって、ロバストさの程度を定量的に評価できることがわかった。我々の情報熱力学的手法は、明示的な通信路符号化がなく、人工的な情報通信とは異なる仕組みを持つ生体細胞内の情報通信にも適用できる。今回の結果によって、情報理論と熱力学の深い関係に基づいて生体内の情報処理を解明できるような、新たな生物物理学的手法が開発される可能性がある。

Sosuke Ito & Takahiro Sagawa

Corresponding Author

伊藤 創祐
東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻

Signal transduction in living cells is vital to maintain life itself, where information transfer in noisy environment plays a significant role. In a rather different context, the recent intensive research on ‘Maxwell's demon’—a feedback controller that utilizes information of individual molecules—have led to a unified theory of information and thermodynamics. Here we combine these two streams of research, and show that the second law of thermodynamics with information reveals the fundamental limit of the robustness of signal transduction against environmental fluctuations. Especially, we find that the degree of robustness is quantitatively characterized by an informational quantity called transfer entropy. Our information-thermodynamic approach is applicable to biological communication inside cells, in which there is no explicit channel coding in contrast to artificial communication. Our result could open up a novel biophysical approach to understand information processing in living systems on the basis of the fundamental information–thermodynamics link.

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