[논문 리뷰] Interconversion-controlled liquid-liquid phase separation in a molecular chiral model

Betül Uralcan, Thomas J. Longo외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 14.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 67인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 상호변환 동역학과 비대칭성 편향을 가진 3차원 이산격자 없는 편미러 테트라머 모델에서 상호변환에 의해 제어되는 액체-액체 상분리 현상을 조사한다. 평형(에너지 보존) 및 비평형(소산성) 힘 형식을 모두 시뮬레이션함으로써, 저자들은 비대칭성 상호변환 동역학이 상 행동을 지배함을 보여준다: 평형 상태에서는 상 증폭이 일어나 한 상이 지배하게 되며, 비평형 상태에서는 힘 불균형이 미세상분리를 안정적인 미세도메인으로 정지시킨다. 주요 기여는 상호변환 유체에서 열역학과 동역학의 상호작용이 상 구조를 어떻게 형성하는지에 대한 기계적 이해이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상호분자 힘, 비대칭성 상호변환 동역학, 상분리 사이의 상호작용을 이해하기 위해.
• 열역학적 힘(보존력)과 비평형 힘(소산성)이 상 행동 및 도메인 형태에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비대칭성 유체에서 상 증폭 또는 정지된 미세상분리가 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 비대칭성 편향 및 상호변환 속도가 상분리 동역학을 안정화하거나 제한하는 데 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 동적 분자 비대칭성 존재 시 상전이를 해석하기 위한 이론적 및 수치적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 비대칭성 상호변환을 위한 이황성 힘 상수(kd)를 갖는 이산격자 없는 탱크형 탄성 테트라머 모델 개발.
• 두 가지 힘 형식 구현: (1) 에너지 보존형(보존력), (2) 소산성형(비기울기 잠재력 항으로 인한 상호분자 힘 불균형).
• 스칼라 비대칭성 측정치(ζ)를 사용해 대칭체 상태를 추적하고 비대칭성 상호작용을 정의.
• 시간에 따라 변화하는 구조 인자 S(q,t)를 포함한 일반화된 Cahn-Hilliard 이론을 사용해 스핀오달 분리 및 도메인 성장 모델링.
• 비평형 화학적 포텐셜과 상호변환 동역학을 통합한 수정된 Cahn-Hilliard 방정식의 수치적 해법.
• 시간에 따라 변화하는 구조 인자에 대한 푸리에 분석을 통해 도메인 크기 변화 및 성장률 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭성 상호변환 동역학은 비대칭성 유체에서 액체-액체 상분리의 시작과 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 상분리가 상 증폭(한 상이 지배)으로 이어지는지, 또는 정지된 미세도메인 형성(정적 상태 도메인)으로 이어지는지 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ3 상호분자 힘의 불균형(소산성 형식)은 상분리된 미세도메인의 안정성과 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비대칭성 편향 매개변수는 란세믹 또는 이종비대칭 상호작용을 어떻게 유도하고 이후 상 행동에 영향을 미치는가?
• RQ5 특성 시간 스케일(상분리, 상호변환, 확산)은 스핀오달 분리와 응집 영역으로의 전이를 어떻게 지배하는가?

주요 결과

• 평형(보존력) 형식에서는 상 증폭이 발생한다: 한 비대칭성 상이 다른 상을 압도하며, 도메인 성장은 시스템 크기 외에 제한되지 않는다.
• 비평형(소산성) 형식에서는 란세믹화 힘이 확산 및 상호변환과 경쟁하여 안정적인 미세도메인으로 정지된 미세상분리를 초래한다.
• 구조 인자 S(q,t)의 시간 진화에서 최대 파수 qm이 점차 왼쪽으로 이동하지만 영구적으로 0에 도달하지 않아, 소산성 경우에 정적 상태의 미세도메인 형성이 확인된다.
• 효과적 확산 계수 Deff = (M∆T + L)/T 가 상호변환에 의해 향상되어 도메인 성장 동역학이 변화하고 도메인이 안정화된다.
• 특성 시간 스케일(τLLPS, τINC, τD)은 시뮬레이션 데이터에 대한 피팅을 통해 정량적으로 도출되었으며, τINC는 1/τINC ∝ T²/kd² 로 스케일링되어 더 높은 kd에서 상호변환이 더 빠르다는 것을 나타낸다.
• 시스템은 초기 단계의 스핀오달 분리에서 후기 단계의 응집 영역으로의 전이를 보이며, 스핀오달 점에서 역성장도 ∂²f₀/∂c²ₐ → 0 이 되어 Cahn-Hilliard 이론과 일치한다.