[論文レビュー] Magic numbers in polymer phase separation -- the importance of being rigid

Bin Xu, Guanhua He+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

RNA Research and Splicing参考文献 35被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、1種のポリマーが剛性を持つことで、二成分系ポリマー相分離におけるマジックナンバー効果が著しく強化されることを示している。結合部位数が整数比にある場合、完全に結合したオリゴマーが相分離したコア状態の代わりに形成される。格子シミュレーションと解析的モデルを用いて、著者らは剛性が広範な化学计量比においてこれらのオリゴマーを安定化させることを示しており、その結果、藻類のピレノイドのような生物学的コア状態にとっても強固で生理的に関連性のあるものとなる。

ABSTRACT

Cells possess non-membrane-bound bodies, many of which are now understood as phase-separated condensates. One class of such condensates is composed of two polymer species, where each consists of repeated binding sites that interact in a one-to-one fashion with the binding sites of the other polymer. Previous biologically-motivated modeling of such a two-component system surprisingly revealed that phase separation is suppressed for certain combinations of numbers of binding sites. This phenomenon, dubbed the "magic-number effect", occurs if the two polymers can form fully-bonded small oligomers by virtue of the number of binding sites in one polymer being an integer multiple of the number of binding sites of the other. Here we use lattice-model simulations and analytical calculations to show that this magic-number effect can be greatly enhanced if one of the polymer species has a rigid shape that allows for multiple distinct bonding conformations. Moreover, if one species is rigid, the effect is robust over a much greater range of relative concentrations of the two species. Our findings advance our understanding of the fundamental physics of two-component polymer-based phase-separation and suggest implications for biological and synthetic systems.

研究の動機と目的

• ポリマーの剛性が二成分系相分離におけるマジックナンバー効果に与える影響を調査すること。
• 剛性を持つ成分が、特定の結合部位比において相分離の抑制を強化するかどうかを特定すること。
• 一方の成分が剛性を持つ場合、マジックナンバー効果がさまざまな化学计量比にわたってどの程度頑健であるかを調査すること。
• 多価相互作用における剛性と柔軟性を持つポリマーの熱力学的および構造的結果をモデル化・シミュレーションすること。
• 生物学的コア状態形成における形状および剛性の役割を理解するための理論的・計算的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 周期的境界条件を伴う50×50の正方形格子上での格子モデルシミュレーションを用いて、ポリマー構成をモデル化した。
• 平衡状態の構成をサンプリングするために、メトロポリス法を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いた。
• 特定結合（11 kBT）と弱い非特異的相互作用（0.1 kBT）を組み込み、相分離したドロットの安定化を図った。
• 剛性・柔軟性を持つクラスタに対して結合移動を組み込み、動的凍結を克服し、構成空間のサンプリングを改善した。
• ジッパー型の剛性ポリマー変異体（B8U）を設計し、ジマーの構成的 degeneracy を最小限に抑え、その相挙動に与える影響を検証した。
• 段階的結合強度上昇と熱的平衡化を確保するための二段階のシミュレーテッドアニーリングプロトコルを採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剛性を持つポリマー成分の存在が、二成分系相分離におけるマジックナンバー効果にどのように影響するか。
• RQ2 剛性が、マジックナンバー効果が観察される化学计量比の範囲を広げるか。
• RQ3 構成的 degeneracy が、完全に結合したオリゴマーと相分離したコア状態の安定性に果たす役割は何か。
• RQ4 特定的相互作用と非特異的相互作用が、剛性・柔軟性系においてドロット形成と安定性にどのように共同で影響を与えるか。
• RQ5 解析的モデルは、剛性および柔軟性ポリマーの格子シミュレーションで観察された相挙動を正確に予測できるか。

主な発見

• 1種のポリマーが剛性を持つ場合、マジックナンバー効果が著しく強化され、整数比の結合部位数において、相分離したコア状態の代わりに安定した完全に結合したオリゴマーが形成される。
• B8R が剛性を持つ場合、マジックナンバー効果は、正確な全体的化学计量比を要する柔軟系とは異なり、広範な化学计量比にわたり持続する。
• U字型の剛性変異体（B8U）は構成的 degeneracy を低減し、さらにマジックナンバー状態を安定化させ、幾何的制約がオリゴマー安定性を高める役割を確認した。
• 格子シミュレーションでは、A8:B8R システムが安定したジマーを形成し、相分離を抑制するのに対し、A7:B8R および A9:B8R では、大規模クラスタの形成にははるかに高い濃度を要する。
• 解析的モデルにより、剛性がマジックナンバー比におけるオリゴマー化に対する凝縮の自由エネルギー障壁を増加させることを確認し、相分離の抑制が説明された。
• 強い特定的結合（11 kBT）と弱い非特異的相互作用（0.1 kBT）の組み合わせにより、安定したドロット形成が可能となり、シミュレーションにおける明確な相図マッピングが可能になった。