能量接力校对的权衡与热力学

能够区分不同分子的生物过程会消耗能量并耗散热能。它们在不同的保真度和速度下运行，因此这些量与熵产生率之间存在基本的权衡。通常，在高保真度状态下运行所需的能量来自外部高能分子的消耗，例如蛋白质翻译中的GTP水解。在本工作中，我们研究了Hopfield能量接力机制的几个动力学和热力学可观测量之间的权衡，该机制不消耗外部分子，并能在耗尽区域中运行，代价是更高的错误率。这些权衡通过Pareto最优前沿在解析和数值上获得。我们发现该方案能够在三种不同的状态下运行：能量接力状态、接力-Michaelis-Menten混合状态以及Michaelis-Menten状态，具体取决于调节状态间转换的动力学和能量参数。混合状态在错误率-熵产生的Pareto权衡中表现出动力学相变，而纯能量接力状态包含一个区域，在此区域内这种校对在能量表现上优于标准动力学校对。