PLoS ONE: Information Dynamics i levende systemer: prokaryoter, eukaryoter og kræft

Abstrakt

Baggrund

Living systemer bruger information og energi til at opretholde en stabil entropi, mens langt fra termodynamisk ligevægt. De underliggende første principper er ikke fastslået.

Resultater

Vi foreslår, at en stabil entropi i levende systemer, i mangel af termodynamisk ligevægt, kræver en informations ekstremum (maksimum eller minimum), der er invariant til første ordens forstyrrelser. Proliferation og død repræsenterer vigtige feedback-mekanismer, der fremmer stabilitet, selv i en ikke-ligevægtstilstand. Et system flytter til lav eller høj oplysninger afhængigt af sin energi status, som fordelen af ​​information i at fastholde og øge orden afvejes mod sin energi omkostninger. Prokaryoter, som mangler specialiserede energiproducerende organeller (mitokondrierne), er energi-begrænset og begrænset til et informationsmøde minimum. Erhvervelse af mitochondrier ses som et kritisk udviklingstrin, at ved at lade eukaryoter for at opnå en tilstrækkelig høj energitilstand, tillades en faseovergang til en maksimal information. Denne tilstand, i modsætning til den prokaryote minima, tillod udviklingen af ​​komplekse, flercellede organismer. Et særligt tilfælde er en ondartet celle, som er modelleret som en faseovergang fra et maksimum til minimum information tilstand. Mindstekravene fører til en forventet effekt praksis vedrørende

in situ

vækst, bekræftes af undersøgelser, der måler vækst af små brystkræft.

Konklusioner

Vi finder levende systemer opnår en stabil entropisk tilstand ved at opretholde en ekstrem grad af information. Den evolutionære divergens af prokaryoter og eukaryoter skyldtes erhvervelse af specialiserede energi organeller, der tillod overgang fra information minima til maksima hhv. Carcinogenese betegner en omvendt overgang: en mulig information til minimum. Den progressive information tab er tydeligt i akkumulerende mutationer, forstyrret morfologi og funktionelle tilbagegang karakteristika menneskelige kræftformer. Resultaterne tyder på energi begrænsning er et kritisk første skridt, der udløser de genetiske mutationer, der driver somatisk udvikling af den maligne fænotype

Henvisning:. Frieden BR, Gatenby RA (2011) Information Dynamics i levende systemer: prokaryoter, eukaryoter og kræft. PLoS ONE 6 (7): e22085. doi: 10,1371 /journal.pone.0022085

Redaktør: Matej Oresic, Governmental Technical Research Centre i Finland, Finland

Modtaget: Marts 25, 2011; Accepteret: 15 juni 2011; Publiceret: 19 jul 2011

Copyright: © 2011 Frieden og Gatenby. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde er støttet af National Cancer Institute tilskud 1U54CA143970-01. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Alle levende systemer (i) har en lokal domæne afgrænset af for eksempel en cellemembran og (ii) opretholde en stabil, lavt entropi eller lidelse. De 2

nd termodynamikkens kræver entropien til at stige med tiden, men det er af en særlig global karakter. Derfor ejendom (i) lokalitet tillader systemet at have den fordelagtige egenskab (ii) med lav entropi. I kompensation, de 2

nd loven kræver det lokalt lave entropi ledsages af eksport af en endnu større mængde entropi i systemet ydre miljø. Faktisk er dette hotel ikke enestående for levende systemer – krystaller, stjerner, og planeter ligeledes repræsenterer lokalt ordnede strukturer. Men levende systemer adskiller sig fra andre ordnede strukturer i naturen i de

har regelmæssig intern entropi gradienter med meget ordnede strukturer som cellemembranen og kromosomer, afbrudt af langt mindre ordnede komponenter såsom cytoplasmaet;

opretholde en stabil, lokal entropi brug af ekstern energi langt fra termodynamisk ligevægt;

er i stand til selv replikation;

opbevare og bruge oplysninger i form af genetiske koder og eventuelt andre bestilt intracellulære strukturer.

die

således i korte levende systemer er lav (men ikke mindst) entropi stater, der forbliver stabil trods langt fra termodynamisk ligevægt. Denne stabilitet kræver oplysninger for at opretholde indre mekanismer, der effektivt omdanner energi til ordre. Proliferation og død giver positiv og negativ feedback, så systemet for at opretholde stabiliteten, selvom langt fra termodynamisk ligevægt.

Vi har tidligere demonstreret [1], at oplysninger i en biologisk sammenhæng kan ses som evnen til at lette arbejdet . Specifikt dirigerer og katalyserer omdannelsen af ​​energi og substrat fra omgivelserne ind specifikke makromolekyler, der på sin side opretholder en velordnet struktur af cellen. For eksempel information i DNA specificerer strukturen af ​​proteiner. Nogle proteiner kan fungere som enzymer i stofskiftet energi eller lipid syntese. Andre makromolekyler spontant selv samle ind højere orden, lavenergi, strukturelle komponenter i cellen såsom proteiner danner ribosom eller lipider danner membraner.

Denne centrale rolle oplysninger i at bevare et levende system er enestående i naturen og kan selv repræsenterer den mest koncise mulige definition af livet. En kvantitativ metriske system ‘orden’ eller ‘kompleksitet’ er “Fisher oplysninger” [1] – [9] (de er alle proportionale, som nedenfor). Konceptet er blevet anvendt i udstrakt grad til at leve og ikke levende systemer. Her er vores mål at undersøge oplysninger dynamik, der,

i mangel af termodynamisk ligevægt

, tillader dannelsen og vedvarende lokale lommer, hvor lidelse er betydeligt mindre end i det omgivende miljø. Disse lokale lommer ses som levende systemer.

Metoder

To Postulater af levende systemer

Lokale stigninger i orden kan forekomme i ikke-levende systemer såsom krystaller. Men disse fysiske systemer uvægerligt bevæge sig mod en stabil termodynamisk ligevægt tilstand af lav entropi og energi. I modsætning til krystaller, levende systemer opretholde en stabil tilstand af lav entropi, der er langt fra termodynamisk ligevægt. Vigtige systemparametre, der tillader stabilitet levende system er information og energi. Sidstnævnte skal strømme ind i cellen og derefter omdannes til orden gennem interaktioner med førstnævnte. foreslår dog, at levende systemer fundamentalt skal balancere fordelene ved øget information og kompleksitet med omkostningerne ved at erhverve og vedligeholde disse oplysninger. Således levende systemer opnår ikke den lavest mulige entropi tilstand, men snarere en entropi niveau, at spredning inden for begrænsninger tilgængelige oplysninger og energi [se ligning. (2a, b)].

foregående foreslår anvendelsen af ​​Fisher information, som er et mål for entropi og orden (se nedenfor) og en indikator for energiomkostningerne, kan anvendes til at udtrykke første principper termodynamik levende systemer som følger:

Living systemer er ikke-ligevægt åben, men lokalt afgrænsede, termodynamiske systemer, der bruger oplysninger til at konvertere miljø energi på bestilling. Overlevelse af en levende struktur kræver en stabil tilstand af orden på trods af vedvarende termiske og mekaniske forstyrrelser. Den hurtige (i geologisk tid) fremkomsten af ​​liv på jorden og dens holdbarhed, da først optræder i de fossile record viser, at levende systemer repræsenterer en yderst gunstig tilstand, som kan udvikle sig spontant og forblive stabil og robust trods en bred vifte af forstyrrelser over milliarder af år .

stabiliteten af ​​et levende system kræver sine oplysninger indhold, der skal holdes på et ekstremum. Siden deres første afledede er 0, yderpunkter i systemet oplysninger dynamik tendens til at være stabil for første ordens systemet forstyrrelser. Vi foreslår robustheden af ​​levende systemer er formodning, at dets oplysninger tilstand er enten et minimum eller maksimum værdi [Se navnlig, materiale efter Eq. (1)]. Dette vil ses at kræve en balance mellem tilgængelighed og pris af energien i den miljømæssige substrat af systemet. De ekstreme værdier manifestere biologisk som følger:

Prokaryoter. Energien tilgængeligheden af ​​prokaryoter er begrænset af deres miljømæssige substrat og manglen på special energiproducerende organeller. Begrænset energi tilgængelighed begrænser systemets dynamik, så skal bevares de oplysninger, som vi så, på et ekstremum, kan kun opretholdes på sit

minimum Drømmeholdet værdi. Dette minimum niveau opfylder kravet I.

eukaryoter. Eukaryoter udnytter specialiserede organeller til energiproduktion, herunder kloroplaster og mitokondrier. Disse frigive energi begrænsninger, der havde begrænsede prokaryoter til et informationsmøde minimum. I denne tilstand, er oplysninger holdes på et

maksimal

. Det vil sige, når energien er rigeligt, fordelen ved øget information og bestilling overstiger den ekstra omkostning. Denne information faseændringer afspejles i den øgede størrelse af cellen og antallet af gener i forhold til prokaryoter, samt efterfølgende evolution til komplekse, flercellede organismer [10]. Vejviser

postulerer i og II er grundlaget for vores tese, at Fisher oplysninger giver en plan for vækst og udvikling af livet. Intuitive og motiverende årsager bag brugen af ​​disse ekstreme effekter er givet senere. Men først, hvad er Fisher oplysninger?

Fisher Information

Betragt et system med en karakteristisk parameter hvis værdi søges ved analyse af sine data. Dataene anvendes til dannelse af en matematisk estimat af parameteren. Oplysningerne blev oprindeligt defineret af R.A. Fisher [11] som et mål for kvaliteten af ​​data om parameter. Egenskaber af Fisher oplysninger er udviklet i støttemateriale. Blandt disse er dens ‘lokal’ natur og skift-invariant form med sandsynligheden tæthed lov definerer systemet med et koordinatsystem. Generelt art afhænger af anvendelsen, men i vores er en position. Senest [9], har vist sig at være en egenskab ved systemet så godt, at måle niveauet af ‘orden’ og ‘kompleksitet. «

Resultater

Erhvervelse Stable entropi

en ekstrem tilstand i et dynamisk system, fordi det repræsenterer en maksimal punkt på kurven, har en første afledede af 0 og er per definition stabil til første ordens perturbationer, f.eks på grund af ydre faktorer, såsom tilfældig temperaturskift. Derfor et levende system, der er i en tilstand af ekstrem Fisher oplysninger, uanset om et maksimum eller et minimum,

opnår en fordel af stabilitet

. Denne tendens til at holde det i den stabile entropiske stat, der, som vi foreslog, giver liv at vare ved.

En ekstrem værdi på

jeg

stabiliserer

H

.

Denne stabilitet ejendom er let vises, fx til den brede vifte af sandsynlighed love, der er medlemmer af den eksponentielle familie [12] (se supplerende oplysninger). Der entropi og Fisher information adlyde [13], henholdsvis, og. Eliminering mængde mellem dem giver (1) efter at have taget et differentiale. Da ved ekstreme løsninger derefter ligeså. Det vil sige,

et minimum eller maksimum Fisher information tilstand stabiliserer entropi

(selv om dens interne stigningstakten stadig kan være begrænset, ved (2a) nedenfor). Dette resultat tydeliggør behovet for hver stabil, levende system til at opnå en ekstrem grad af Fisher oplysninger, uanset om et maksimum eller et minimum.

Fisher I Limits Entropiske Change

Overvej en celle af masse

m

og temperatur

T

forsendelse entropi udenfor sit miljø med en hastighed

dH /dt

. Vi har tidligere demonstreret [2], at der er en øvre grænse for entropiændring

dH

, og dette afhænger af niveauet af Fisher oplysninger inden for systemet. Forholdet er, med defineret i ligning 2a. Det er lærerigt at kombinere dette med den grundlæggende entropi-energi relation, der giver Disse uligheder har to forgreninger, afhængigt af om de energirelaterede entropi satser eller oplysningerne er fast:

For en fast rente på entropi tab

energi forandring ved entropien-energi relation, den mindst mulige værdi af oplysningerne adlyder (2a), hvor

k

er Boltzmanns konstant. Disse viser, at en celle med en lav-begrænset energitilførsel sats, og resultingly lav entropi tabsprocent, kun kan opretholde et minimum af information eller orden

jeg

. Vi foreslår, at denne tilstand er manifesteret ved prokaryoter, en form for liv med relativt lav orden eller kompleksitet.

Eller overveje

et fast niveau af information

. Ovenstående uligheder kan omarbejdes som (2b) Vi har allerede behandlede sager vedrørende minimal

jeg

. Disse beskrevne prokaryoter. Betragt nu, det modsatte tilfælde, nemlig høj, dvs. høj orden, kompleksitet og funktion. EQS. (2b) viser det, så selv de mindst mulige satser for entropi tab og krævede energitilførsel er høje. Den pris, der betales for at opretholde en tilstand af høj orden og resultingly stabil entropi er meget større påkrævet energiudnyttelse. Denne tilstand, vi foreslår, er opretholdt i eukaryoter, og manifesterer sig ved store genomer og udviklingen i multicellularity.

Således indbyrdes afhængighed af energi og entropi giver indblik i overgangen fra lav kompleksitet livsformer til høj kompleksitet former. Det er også i overensstemmelse med forslag, erhvervelse af mitokondrier, ved at give en ny energikilde, var den kritiske faktor i evolutionær overgang fra prokaryoter til eukaryoter. Det kan også give indsigt i den omvendte overgang som typisk manifesteret under carcinogenese.

Er Information og “Order” Synonym?

Vi bruger ordene »ordre« og »information« i flæng. Som for nylig fundet [9]:

Betragt et system defineret ved en sandsynlighed lov. Dens niveau af orden varierer lineært med sin niveau af Fisher oplysninger

jeg

, dvs. ordre (3) Her er antallet af systemets dimensioner og er dens maksimale endimensionale forlængelse. Den første lighed er sandt i almindelighed. Den anden holder i det konkrete tilfælde med en sandsynlighed lov

s Hoteller, som er en kvadratisk sinusoid indeholder wiggles i hver dimension. Den kvadratiske (stærk) afhængighed viser, at foranstaltninger niveauet af systemet

kompleksitet

så godt.

Både ordre og oplysningerne er entropier, i den forstand, foranstaltninger af systemets organisation, der sænker med tid. Dette definerer dermed en pil af tid, måske kvantificere den meget omtalte biologiske pil af tid.

Strukturen af ​​celler og dets komponenter optimere information og orden

Order påkrævet af Different Polymer stater .

Eq. (3) indikerer, at et tilfælde af en lineær informationsstruktur (såsom det der kodes i sekvensen af ​​aminosyrer af DNA, RNA og proteiner) kræver uløseligt mindre ordre (og ved den foregående, mindre energi) for at opretholde sin form gør end en cellemembran, med. Og dette kræver mindre orden eller energi end en sammensat celle, for dimension. Således vedligeholde systemer til høj orden og kompleksitet kræver ganske celletilstande med både høj dimensionalitet og ved Eq. (2b), energikilde sats

Krav uensartet cellestruktur

I modsætning til krystaller -.., Som har relativt ensartet rækkefølge hele – levende systemer er heterogene og dynamiske. Således vil selv en simpel prokaryot har en højt ordnet kant (dvs. cellemembranen og cellevæggen), men en relativt uordnet central struktur (væsken cytoplasma), der også indeholder mange stærkt ordnede store molekyler, såsom proteiner, DNA og RNA. Med andre ord, dynamiske egenskaber af celler synes at kræve rumlige variationer i rækkefølge, for eksempel i overgangen fra den bestilte cellemembranen til det relativt uordnede cytoplasma, for at opretholde en stabil tilstand langt fra ligevægt. Argumentet er som følger:

Et informationsmøde grundlag for Mitose

En unik egenskab ved levende systemer er deres evne til selv-kopiere og dermed termodynamik livets skal indeholde denne proces.. Faktisk mitose og død repræsenterer vigtige feedback-mekanismer, der optimerer systemparametre tillader systemets stabilitet selv mens langt fra termodynamisk ligevægt. Overvej en ‘mor’ celle udvikle sig i et miljø med begrænset energi. Et stabilt levende system kræver

dH /dt = 0

, og hvis

dH /dt

0 det vil sprede og dø. Men, hvad hvis

dH /dt

0? Som tiden skrider frem, vil kompleksiteten og rækkefølgen af ​​dette system stige. Men ligning. (2b) viser, at jo højere orden

jeg

er den højeste er satserne for entropi tab og krævede energigevinst

dE /dt

fra omgivelserne. På den anden side, kan omgivelserne kun give en begrænset energi sats, kalder det (

dE /dt

)

0. I hvilket omfang kan bestille vokse i cellen? Den første Eq. (3) giver et svar.

Som en fungerende celle vokser, så gør dens kompleksitet

jeg

og ved ligning. (3), sin kendelse niveau

R

Så det gør dens krævede minimum energitilførsel sats (

dE /dt

). Imidlertid er denne sats uundgåeligt begrænset af cellen miljø til nogle maksimale værdi (

dE /dt

)

0. Lad cellen orden

R

vokse, indtil den når et niveau

R

0

, hvor dens krævede niveau (

dE /dt

)

min

lig (

dE /dt

)

0. Så vækst ud over niveau

R

0

kan ikke opretholdes af tilgængelig energi. På dette tidspunkt cellen deler i halve, med hver ‘datter “, der indeholder samme sæt gener som moderen. Derfor hver datter har de samme oplysninger niveau

jeg

ligesom moderen. På den anden side, hver har længden

L /2

, således at ved Eq. (3) hvert niveau af orden er reduceret, til værdi

R = (1/4) R

0

. Dette niveau kan igen blive mødt af den miljømæssige sats (

dE /dt

)

0. Derfor nu to døtre kan begynde yderligere vækst i kompleksitet; etc. Mitosis løser problemet.

Værdien af ​​døden.

I modsætning til andre stabile strukturer i naturen, levende systemer dø. Klart krystaller og andre ordnede strukturer nedbrydes til komponentdelene men da de er ved ligevægt, denne proces er langsom. Levende systemer, er imidlertid stabilt langt fra ligevægt så systemfejl vil resultere i en hurtig faseovergang til ligevægt. Død, det vil sige, repræsenterer en faseændring fra ikke-ligevægt til ligevægt.

Det er tidligere blevet bemærket, at ethvert system langt fra ligevægt er iboende ustabilitet. Vi foreslår levende systemer ville være lige så uden to kritiske feedbackmekanismer – mitose og død. Belønningen for succes ved proliferation og straf for manglende med døden giver stærke lokale valg til optimering af de underliggende termodynamik. Evolution således ikke komme ud biologi. Tværtimod, det er en nødvendig betingelse for eksistensen af ​​levende systemer.

Maximum Fisher Information

Et aspekt af oplysninger, der ikke ofte bemærket, er dens omkostninger. Det vil sige, oplysninger i dets oplagring, dobbeltarbejde, og udnyttelsen kræver forbrug af energi. Som angivet i ligning. (2a), de lokale oplysninger niveau begrænser en eventuel gevinst i Shannon entropi med tiden.

Forebyggelse

af en sådan gevinst, dvs. opretholde en stabil tilstand af orden, kræver forbrug af energi i overensstemmelse med Eq. (2b). Således vil højere niveauer af information kræver en øget forbrug af energi til at opretholde en stabil tilstand af orden. Som nyligt bemærket [10], eukaryoter opretholde en tilstand af høj energi tilgængelighed (sammenlignet med prokaryoter) primært som følge af udviklingen af ​​mitokondrier. Disse celler opnår en optimal arter fitness [6] ved at opnå en høj, faktisk

maksimal

,

niveau af orden og information

(se også Eq. (3)).

således energiske status eukaryoter giver dem mulighed for at opretholde maksimal information. Det svarer til maksimering kompleksitet samt [9], og er åbenbart af en betydelig stigning i størrelse og gen-nummer i eukaryoter vs. prokaryoter. Desuden har tidligere undersøgelser ved hjælp af EPI-princippet (bilag S1) undersøgte de forventede konsekvenser af et system, der er ved en maksimal information.

Minimum Fisher Information

Derimod prokaryoter har ingen specialiseret metaboliske organeller således at erhvervelsen energi er begrænset til substratet tilgængelige i det nære miljø. I sådanne energi begrænsede systemer, er information minima opnås som stabil løsning. Disse faktisk forekomme i kontrasterende scenarier af enten høj eller lav, nærende ressource som diskuteret næste. Hvad masse vækst love i tid beskrive sådanne systemer stater? Bemærk, at

s (t)

er generelt

relativ

forekomst af en given type celle i et organ. Hvis for eksempel, på tidspunkt

t

en tumor besatte ¼ af et organ derefter på

s (t)

for cancerceller er 0,25. Ved store tals lov [13], er dette også dens

sandsynlighed

for forekomst på en enkelt observation. , I en kræft orgel

s (t)

er således den relative masse af det organ, der er kræft på det tidspunkt

t

, således at der ved store tals lov er det også er sandsynligheden lov til lokalisering en kræftcelle i organet på et tidspunkt

t

.

løsningen for afhænger af tilgængeligheden af ​​nærende ressource. For

in vitro

tilfælde af kræft, eller prokaryoter, nyder næsten ubegrænset ressource minimering er ubegrænset, bortset fra normalisering. Dette giver anledning [2] for tidsmæssigt eksponentiel love vækst konst.

Kræft som information overgang fra et maksimum på et minimum

Vores centrale hypotese er, at stabiliteten af ​​den termodynamiske tilstand af et levende system kræver oplysninger staten til at være på et ekstremum. Overgangen fra prokaryote til eurkaryote livsformer udgør en faseovergang fra minimum til et maksimum tilladt af øget energi tilgængelighed på grund af køb af mitokondrier. Vi foreslår, at den trinvise ændring fra normale celler til kræft (carcinogenese) repræsenterer en omvendt faseændring, hvor oplysningerne tilstandsovergange fra et maksimum til et minimum. Denne “information katastrofe” er manifesteret som følgende:

Genomisk instabilitet

Ophobning af multiple genetiske mutationer er universelt observeret i kræft.. Det anslås, at typiske cancerceller indeholder tusinder af genetiske ændringer i forhold til cellerne i oprindelse. Faktisk er det almindeligt foreslået, at mutatorfænotype (dvs. celler, som ikke er i stand til at reparere DNA eller kromosomalt reproduktion fejl, og derfor har en meget høj mutationshastighed) er påkrævet til dannelse af en cancer [14].

Cellulær og væv uorden.

En kræftcelle karakteristisk udstillinger mindsket funktion og uordentlig morfologi i forhold til de normale celler af oprindelse. Ligeledes væv består af kræftceller mister strukturel orden (dedifferentiation og dysplasi) og normale vækst begrænsninger.

Manglende evne til at måle tid.

Et kendetegn [15] af kræftceller er udødelighed, så deres proliferation er uhensigtsmæssigt, inden for såvel som led i dannelsen af ​​væv og deres alder. Telomerer er små sektioner af DNA ved udgangen af ​​hvert kromosom, der forkorter hver gang en normal celle undergår mitose. På denne måde kan cellen “kender” sin alder og efter at have nået senescens undergår programmeret død. Men kræft typisk mangler denne foranstaltning af aldring.

Information tab og klinisk cancer vækst

Vi har tidligere vist, at den hypotese, at kræftceller asymptotisk nærme en information minimum muliggør forudsigelse af vækst dynamik. Konkret fandt vi, at

in situ

væksten lov en befolkninger til information minimum (dvs. enten en prokaryot eller en kræftcelle) er en simpel magt lov, hvor er en konstant, der er passende til den celletype [2], [7], [8]. Modellen forudsiger, at for kræft vækst, α≈1.62. Denne forudsigelse blev sammenlignet med væksten af ​​små brystkræft fundet under screening mammografi, når tumoren kunne observeres i bakspejlet på to eller flere tidligere undersøgelser. Syv uafhængige undersøgelser vist, at cancere udviste styrkelov vækst med en middelværdi på α = 1,72 (0,23), som svarer til observeret in vivo vækst af bakterier med α≈2 [16] – [22].

Hvorfor kræft udvikle sig? – Warburg revisited

Hvis carcinogenese repræsenterer en information fase skift fra et maksimum på et minimum, må vi også tage fat systemet dynamik, der driver en sådan overgang. Vi har argumenteret for, at udviklingen i eukaryoter var tilladt af købet af forbedrede energiteknologier dynamik, der tillod en fase ændring af en information maksimal tilstand. Vi må konkludere, at eftersom en celles energi status dikterer som ekstrem – maksimum eller minimum – er begunstiget, er det et tab af energi i en stamcelle, der initierer carcinogenese. Specifikt skal tabet resultere i energi begrænsning, således at cellen ikke længere kan opretholde, med stabilitet, en tilstand af maksimal information. I stedet kan den kun opretholde med stabilitet tilstanden af ​​

minimum

oplysninger, der er karakteristisk for kræft. Dette er ikke uenig med den standardmodel carcinogenese, der forudsætter kræft er initieret af mutationer. Men vores model antyder, at sådanne mutationer er en manifestation af nedbrydningen af ​​oplysninger, der resulterer fra den energi-drevne faseovergangen fra et maksimum til et minimum. Medens genom mutationer kan resultere i fænotypiske egenskaber, der tillader ubegrænset vækst,

vores model tyder på, at indledningen af ​​mutationel sekvens, der giver anledning til carcinogenese er resultatet af en erhvervet energi restriktion

.

Mens dette synspunkt er klart i modstrid med den konventionelle model for carcinogenese, er det ikke uden fortilfælde. Den “Warburg hypotese” foreslog, at den initierende begivenhed i kræft var et tab af mitokondrie-funktion [23]. Vores tidligere arbejde har [24], [25] bemærkede, at energiproduktionen i præmaligne tumorer kan begrænses ved miljø hypoxi (som følge af for eksempel kronisk inflammation), og at dette kan være et afgørende skridt i overgangen til invasiv cancer. Endelig er det interessant, at den rolle, mitokondriel dysfunktion i både aldring og kræft er i øjeblikket et emne af stor forskningsmæssig interesse. [26], [27].

Diskussion

Den hurtige udvikling af levende systemer i den geologiske record og deres fortsatte tilstedeværelse over 3,5 milliarder år indikerer livet repræsenterer en meget positiv termodynamisk tilstand. Levende systemer er både bemærkelsesværdig stabil og alligevel i stand til at udvikle gradvist mere kompleks (eller bestilles) hedder med tiden. Vi foreslår en model, der udtrykkeligt omfatter information dynamik i systemet termodynamik kan forklare disse egenskaber [2] – [5], [7]

tanken om at søge et tværfagligt variational princip, der kunne forudsige både fysisk. og biologiske effekter blev foreslået omkring 40 år siden af ​​befolkningen biologerne Crow og Kimura [28], og selv før dem, som Delbruck [29]. For nylig, fysikeren E.T. Jaynes [30] foreslået et princip om maksimal entropi til udledning af alle statistiske naturlove.

Vores model synspunkter levende systemer som en stabil, lav entropi stat, der er ikke desto mindre langt fra termodynamisk ligevægt. Den entropi levende systemer ikke (i modsætning til for eksempel krystaller) repræsenterer den lavest mulige værdi, for dette system. Snarere livet opretholder en “Guldlok” state of entropi (ikke for meget og ikke for lidt), som producerer en optimal termodynamisk tilstand tillader stabilitet og selv-reproduktion. Død og spredning er kritiske feedback-mekanismer, der optimerer systemparametre at tillade stabilitet, selv mens ikke ved ligevægt.

Denne stabilitet kræver brug af oplysninger til at konvertere miljø energi til intracellulær orden. Vi foreslår det første princip i levende systemer er en afvejning mellem (i) den interne nødvendige oplysninger til at omdanne miljø energi og substrat i orden, og (ii) udgifter til opbevaring og anvendelse af dette niveau af orden. Det vil sige, selv inden for “Guldlok” vifte af entropi, der er kompatibel med livet, højere niveauer af ordre vil også kræve, at systemet for at opnå større mængder af ressource fra miljøet.

Stabiliteten af ​​levende systemer viser, at deres termodynamiske stater er ved ekstreme værdier, som er stabile til mindst første orden perturbationer [31]. Med hensyn til om den ekstreme værdi er et minimum eller et maksimum afhænger i høj grad af niveauet af tilgængelig energi. På dette grundlag er de tidligste levende systemer vedligeholdes

information minimum

grund af energi restriktioner. Denne tilstand er stadig observeres i prokaryoter.

Til sammenligning en senere fase overgang til maksimal information opstod efter erhvervelse af specialiserede energi organeller såsom mitochondrier. Dette førte til en cellulær fase ændring (set i de fossile record som evolution) fra prokaryoter til eukaryot. maksimum oplysningerne i sidstnævnte afspejles i øget antal gener og større cellestørrelse og kompleksitet. maksimum De oplysninger, vi foreslår, også tilladt fremkomsten af ​​multicellularity.

Omvendt foreslår vi udviklingen af ​​en normal pattedyrscelle til en kræftcelle repræsenterer en information faseovergangen fra et maksimum til en minimumsværdi, sandsynligvis gennem en række ustabile mellemprodukter. Vores model indikerer denne overgang kunne initieres af tab af energi gennem intra- eller ekstra-cellulære faktorer. Især Bemærk vi muligheden for mitokondriedysfunktion som en metabolisk igangsætter af carcinogenese. Dette er bemærkelsesværdigt lig det Warburg Hypotesen, der blev foreslået over 50 år siden, og er støttet af nyere forskning [32], herunder undersøgelser, der viser mitokondriedysfunktion er tæt knyttet til aldring og ældning [26], [27].

Støtte oplysninger

Appendiks S1.

Nærmere redegørelse for Fisher Information og dets egenskaber

doi:. 10,1371 /journal.pone.0022085.s001

(DOC)