基于观测者-被观测者交换对称性的 DNA-RNA 聚合酶复合物界面耗散信息热力学分析

RNA 聚合酶 (RNAP) 通过沿 DNA 模板行走并选择性掺入核苷三磷酸 (rNTP) 来延伸 RNA。RNAP 并非机械地复制碱基序列，而是以当前读取的模板核苷酸为条件调节结合与化学反应，将序列依赖性转化为其随机运动中的偏置。热涨落产生前向/后向移位尝试；同源 rNTP 的结合与掺入稳定了前向位置并抑制后向返回，从而通过布朗棘轮机制实现净推进。我们将 DNA-RNAP 复合物表述为一个二部随机系统，将模板侧自由度 $X$ 与 RNAP 侧响应自由度 $Y$ 分离。不可逆性通过前向路径测度与时间反转路径测度之间的 Kullback-Leibler 散度进行量化，从而得出联合耗散与边缘耗散。由此我们定义了一个交换不变的界面耗散 $\Sigma_{\mathrm{int}}$，用于分离专门由 DNA-RNAP 界面耦合产生的时间反转不对称性。我们证明了交换对称的第二定律，$\Sigma_{\mathrm{int}}\ge 0$，并表明该界面测度在不引入局部细致平衡的情况下依然定义明确。为了将该框架与数据分析相联系，我们提出了一个实现布朗棘轮逻辑的最小连续时间马尔可夫跳跃模型，以及一个从离散采样轨迹估计耗散率的似然比协议。通过马尔可夫阶数诊断评估了有限样本收敛性，澄清了粗粒化下的偏差-方差权衡。以界面为中心的测度为比较不同机制（序列依赖动力学、错误掺入、回溯、校对）下的能量成本提供了一致的基础，并且在内部状态被部分观测时可以与隐状态推断相结合。