[論文レビュー] Catalysis-Induced Phase Separation and Autoregulation of Enzymatic Activity

Matthew W. Cotton, Ramin Golestanian+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Protein Structure and Dynamics参考文献 48被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、平衡状態の相互作用が不要な条件下で、酵素-基質-生成物系において酵素の活性のみが相分離を引き起こす、新規なメカニズム「触媒誘導相分離（CIPS）」を提案する。酵素の活性が化学勾配を生成し、拡散移動度の差異によるフォレージー移動性の差異によって有効な酵素-酵素引力を誘発することで、CIPSは自発的な凝縮を引き起こし、フィードバック機構によって酵素活性を自己調節する。これは生物学的組織化の非平衡的基盤を提供する。

ABSTRACT

We present a thermodynamically consistent model describing the dynamics of a multi-component mixture where one enzyme component catalyzes a reaction between other components. We find that the catalytic activity alone can induce phase separation for sufficiently active systems and large enzymes, without any equilibrium interactions between components. In the limit of fast reaction rates, binodal lines can be calculated using a mapping to an effective free energy. We also explain how this catalysis-induced phase separation (CIPS) can act to autoregulate the enzymatic activity, which points at the biological relevance of this phenomenon.

研究の動機と目的

• 酵素の活性が、成分間の平衡状態の相互作用が存在しない条件下でも相分離を誘発できるかどうかを調査すること。
• 触媒的活性が化学勾配とフォレージー効果を通じて有効な相互作用を生成するメカニズムを説明すること。
• 非平衡状態の触媒反応と相挙動を結びつける熱力学的に整合性のある枠組みを確立すること。
• CIPSが自発的に酵素活性の自己調節をもたらすことを示すこと。
• 本モデルが既存の相分離理論および非平衡熱力学理論とどのように関連するかを明らかにすること。

提案手法

• 保存量である成分体積分率を含む多成分系流体を、非平衡熱力学およびフラリー＝フランキン理論を用いてモデル化する。
• 燃料貯留源が常にµFおよびµWを一定に保つ反応 E + S + F ⇌ E + P + W を導入する。
• オンサージェーの相反関係と移動度行列 Mij = −βDijφiφj を用いて輸送をモデル化し、Dij は相互拡散係数を表す。
• フォレージー移動度の差異（Dpe > Dse）を通じて有効な相互作用を導出し、基質消費領域や生成物濃度上昇領域に酵素が蓄積されることを示す。
• 非平衡系を有効な自由エネルギーに写像し、スピンodal線およびビノード線の計算を可能にする。これにより、平衡状態に類似した相図解析が可能になる。
• マクスウェル＝スティーファン形式を用いて、多成分拡散を記述する同等の枠組みを提供し、測定可能な輸送係数と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酵素の活性が、成分間の平衡状態の相互作用が存在しない条件下でも相分離を誘発できるか？
• RQ2 触媒によって生成される化学勾配が、どのように有効な酵素-酵素引力を生じるか？
• RQ3 異なるフォレージー移動度（Dpe と Dse）が相分離を駆動する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ4 非平衡系を有効な自由エネルギーに写像することで、ビノード線およびスピンodal線を予測できるか？
• RQ5 CIPSがフィードバック機構を通じて酵素活性の自己調節をどのように実現するか？

主な発見

• 触媒誘導相分離（CIPS）は、Dpe > Dse の条件下で発生し、平衡状態の相互作用が不要な有効な酵素-酵素引力と自発的な相分離を引き起こす。
• 相分離は非平衡状態の化学勾配によって駆動され、酵素は基質濃度が低い領域や生成物濃度が高い領域に蓄積される。
• 系は有効な自由エネルギーに写像可能であり、ビノード線およびスピンodal線の計算が可能で、両者が交差する臨界点が存在する。
• CIPSは全体の触媒活性を低下させることで、酵素機能の内在的自己調節を示している。
• モデルは、基質および生成物勾配に対する酵素拡散（フォレージー移動度）が不安定性を決定づけると予測しており、CIPS発生には µes − µep > 0 が必要である。
• 水中における酵素拡散およびフォレージー移動度の実験的測定値から、Dse および Dpe を抽出可能であり、モデルの予測力の妥当性が裏付けられる。