[論文レビュー] Interconversion-controlled liquid-liquid phase separation in a molecular chiral model

Betül Uralcan, Thomas J. Longo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Protein Structure and Dynamics参考文献 67被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、調整可能な相互変換動力学とキラルバイアスを有する3次元非格子格子キラルテトラマー模型を用いて、相互変換制御型液体-液体相分離を調査する。平衡（エネルギー保存型）および非平衡（散逸的）な力の定式化をシミュレーションすることで、キラル相互変換ダイナミクスが相挙動を支配することを示している。平衡状態では相増幅が生じ、一方非平衡状態では力の不均衡が微相分離を安定した微小領域に凍結させる。主な貢献は、相互作用と運動論の相互作用が、相互変換性を示す流体における相構造をどのように形作るかのメカニズム的理解である。

ABSTRACT

Liquid-liquid phase separation of liquids exhibiting interconversion between alternative states has been proposed as an underlying mechanism for fluid polyamorphism, and may be of relevance to protein function and intracellular organization. However, molecular-level insight into the interplay between competing forces that can drive or restrict phase separation in interconverting fluids remains elusive. Here, we utilize an off-lattice model of enantiomers with tunable chiral interconversion and interaction properties to elucidate the physics underlying the stabilization and tunability of phase separation in fluids with interconverting states. We show that introducing an imbalance in the intermolecular forces between two enantiomers results in nonequilibrium, arrested phase separation into microdomains. We also find that in the equilibrium case, when all interaction forces are conservative, the growth of the phase domain is restricted only by system size. In this case, we observe phase amplification, in which one of the two alternative phases grows at the expense of the other. These findings provide novel insights on how the interplay between dynamics and thermodynamics defines the equilibrium and steady-state morphologies of phase transitions in fluids with interconverting molecular or supramolecular states.

研究の動機と目的

• 相互変換分子状態を示す流体における分子間力、キラル相互変換動力学、および相分離の相乗的相互作用を理解すること。
• 熱力学的力（保存的）と非平衡的力（散逸的）が相挙動およびドメイン形状に与える影響を調査すること。
• キラル流体において相増幅または凍結微相分離が生じる条件を特定すること。
• キラルバイアスおよび相互変換率が相分離ダイナミクスの安定化または制限に果たす役割を定量化すること。
• 動的分子キラリティを示す系における相転移を解釈する理論的・計算的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 可変なキラル相互変換を可能にする、非格子的で柔軟なテトラマー模型の開発（二面角力定数kdを用いる）。
• 2種類の力の定式化の実装：(1) エネルギー保存型（保存的力）、(2) 散逸的型（勾配でないポテンシャル項による分子間力の不均衡）。
• キラル状態の追跡とキラル相互作用の定義に、スカラーのキラリティ指標ζの導入。
• スピンodal分解とドメイン成長をモデル化するため、時間依存構造因子S(q,t)を用いた一般化されたカーン＝ヒリャード理論の適用。
• 非平衡化学ポテンシャルおよび相互変換ダイナミクスを組み込んだ修正カーン＝ヒリャード方程式の数値解法。
• 時間依存構造因子に対するフーリエ解析を用いて、ドメインサイズの時間発展および成長率の抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル相互変換動力学は、キラル流体における液体-液体相分離の始発および進化にどのように影響するか？
• RQ2 相分離が相増幅（一方の相が優勢になる）か、または凍結微小領域形成（安定状態のドメイン）に至るかを決定するのは何か？
• RQ3 分子間力の不均衡（散逸的定式化）は、相分離微小領域の安定性およびサイズにどのように影響するか？
• RQ4 キラルバイアスパラメータは、ラセミックまたはヘテロキラル相互作用をどのように促進し、その後の相挙動に寄与するか？
• RQ5 特徴的な時間スケール（LLPS、相互変換、拡散）は、スピンオード分離と粗大化領域の間の遷移をどのように支配するか？

主な発見

• 平衡状態（保存的力）の定式化では、相増幅が発生する。一方のキラル相が他方を犠牲にして成長し、ドメイン成長は系サイズに制限されるのみである。
• 非平衡状態（散逸的）の定式化では、ラセミゼーション力が拡散および相互変換と競合し、安定した微小領域に凍結された微相分離を引き起こす。
• 構造因子S(q,t)の時間発展は、最大波数qmが時間とともに左方へシフトするが、ゼロに達しないことから、散逸的状態で安定した状態の微小領域が形成されることを確認している。
• 有効拡散係数Deff = (M∆T + L)/T は、相互変換によって増大し、ドメイン成長の力学的挙動を変化させるとともに、微小領域の安定化をもたらす。
• シミュレーションデータへのフィットを用いて、特徴的な時間スケール（τLLPS, τINC, τD）を定量的に特定した。τINCは1/τINC ∝ T²/kd²とスケーリングし、kdが大きいほど相互変換が速くなることが示された。
• 系は初期段階のスピンオード分離から、後期段階の粗大化へのクロスオーバーを示し、スピンオード点において逆感受性∂²f₀/∂c²ₐ → 0が観察され、カーン＝ヒリャード理論と整合的である。