[논문 리뷰] Catalysis-Induced Phase Separation and Autoregulation of Enzymatic Activity

Matthew W. Cotton, Ramin Golestanian외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 24.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 48인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 평형 상호작용 없이도 효소-기질-생산물 혼합물에서 효소 활성만으로도 상분리를 유도하는 새로운 메커니즘인 촉매 유도 상분리(CIPS)를 제안한다. 효소-효소 간 효과적 인력은 반응에 의해 생성된 화학 기울기와 프로페시 이동성의 차이를 통해 유도되며, 이는 자발적인 응집과 피드백을 통한 효소 활성의 자가조절을 가능하게 하여 생물학적 조직의 비평형 기반을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 효소 활성이 평형 상호작용 없이도 상분리를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 촉매 활성이 화학 기울기와 프로페시를 통해 효과적 상호작용을 어떻게 생성하는지 설명하기 위해.
• 비평형 촉매 작용과 상 행동을 연결하는 열역학적으로 일관된 프레임워크를 수립하기 위해.
• CIPS가 자발적으로 효소 활성의 자가조절을 이끌어내는지 보여주기 위해.
• 기존의 상분리 이론과 비평형 열역학 이론과의 연결을 위해.

제안 방법

• 보존되는 성분 부피 분율을 가진 다성분 유체를 모델링하기 위해 비평형 열역학과 플로리-후긴스 이론을 사용한다.
• 연료 저축지가 일정한 µF와 µW를 유지하는 촉매 반응 E + S + F ⇌ E + P + W 를 도입한다.
• 온세거 상호작용 관계와 이동성 행렬 Mij = −βDijφiφj 를 통해 운반을 모델링하며, Dij 는 교차확산 계수를 나타낸다.
• 프로페시 이동성의 차이(Dpe > Dse)를 통해 효과적 상호작용을 유도하고, 기질 농도 감소 또는 생성물 농도 증가 지역에서 효소가 축적됨을 보여준다.
• 비평형 시스템을 효과적 자유에너지로 매핑하여 이분점선과 스피노달선을 계산할 수 있도록 하며, 평형 유사 상도 분석이 가능하게 한다.
• 맥스웰-스테판 형식을 사용하여 다성분 확산을 기술하고 측정 가능한 운반 계수와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효소 활성이 성분 간 평형 상호작용 없이도 상분리를 유도할 수 있는가?
• RQ2 촉매 작용에 의해 생성된 화학 기울기가 어떻게 효과적 효소-효소 인력을 유도하는가?
• RQ3 다른 프로페시 이동성(Dpe 대비 Dse)의 역할은 상분리를 유도하는 데 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 비평형 시스템이 효과적 자유에너지로 매핑되어 이분점선과 스피노달선을 예측할 수 있는가?
• RQ5 CIPS는 피드백을 통해 어떻게 효소 활성의 자가조절을 이끌어내는가?

주요 결과

• 촉매 유도 상분리(CIPS)는 Dpe > Dse 일 때 발생하며, 이는 효과적 효소-효소 인력과 평형 상호작용 없이도 자발적인 상분리를 유도한다.
• 상분리는 비평형 화학 기울기에 의해 driving되며, 효소는 기질 농도가 낮거나 생성물 농도가 높은 지역으로 축적된다.
• 시스템은 효과적 자유에너지로 매핑될 수 있으며, 이로 인해 이분점선과 스피노달선을 계산할 수 있고, 이 둘이 만날 임계점이 존재한다.
• CIPS는 전체 촉매 활성을 감소시켜 효소 기능의 내재적 자가조절을 보여준다.
• 모델은 효소가 기질 및 생성물 기울기에 반응하여 이동하는 방식(프로페시 이동성)이 불안정성을 결정하며, CIPS 발생을 위해 µes − µep > 0 가 필요하다고 예측한다.
• 물에서 효소 이동성과 프로페시 이동성을 실험적으로 측정하면 Dse 와 Dpe 를 추출할 수 있으며, 이는 모델의 예측 능력을 검증하는 데 사용된다.