[논문 리뷰] Liquids that form due to dynamics of the molecules that depend on the local density

Richard P. Sear|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 24.

RNA Research and Splicing인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 세포 내 mRNA와 같은 비평형 시스템에서도 국소 밀도에 반응하여 분자 동역학의 속도가 느려질 때 액체가 형성된다고 제안한다. 밀도에 따라 변화하는 점프 확률를 가진 격자 모델을 사용하여, 이러한 동역학이 액체-액체 상분리를 유도하고 증발을 줄여 물방울을 안정화함으로써 생물분자 응집의 일반적인 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

RNA molecules in living cells form what look like liquid droplets formed by liquid/liquid phase separation. But unlike the molecules in conventional phase separating mixtures, RNA molecules are transported by molecular motors that consume energy and so are out of equilibrium. Motivated by this we consider what sort of simple rules for the dynamics of model mRNA molecules lead to liquid/liquid phase separation. We find that dynamics that slow as the local density of molecules increases, drive the formation of liquids. We also look at the analogous separation of the two blocks of a block copolymer, in which the monomers of one block have dynamics that depend on the local density of monomers of that block. We find that this block condenses and separates from the monomers of the other block. This is a simple model of the out-of-equilibrium domain formation found in the chromatin in the nucleus of cells.

연구 동기 및 목표

• 모터 기반 운반과 같은 비평형 동역학이 mRNA 물방울과 같은 생물학적 시스템에서 액체-액체 상분리를 어떻게 유도할 수 있는지 이해하기 위해.
• 명시적인 정착 상호작용이 없이도 밀도에 따라 변화하는 동역학만으로도 액체성 물방울로의 응집을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 밀도 조절 동역학을 가진 블록 공중합체 프레임워크를 사용하여 세포핵 내 염색체 영역, 특히 리보솜 생성 영역의 분리를 모델링하기 위해.
• 비평형 기원의 이러한 동역학이 비록 비평형이지만 여전히 상세 균형 조건을 만족하고 평형 이징 모델로 매핑될 수 있음을 보여주기 위해.
• 명시적인 에너지 연계 결합이 필요하지 않은, 생물분자 응집을 설명하는 최소한의 일반 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• 분자들이 국소 이웃 수와 밀도에 따라 변화하는 비율로 격자 위치 간에 점프하는 2차원 격자 기반 기체 모델을 사용하며, 카와사키 동역학을 적용한다.
• 점프 확률을 $ p = \exp[-\alpha_D n_n] $ 로 정의한다. 여기서 $ n_n $ 은 출발 지점의 이웃 수이며, $ \alpha_D > 0 $ 는 고밀도에서의 속도 감소를 제어한다.
• 동일한 밀도 의존 동역학을 블록 공중합체에 적용한다: 한 블록(유형 D)은 고밀도 영역에서 점프 속도가 느리며, 다른 블록(유형 E)은 오직 배타적 부피 효과만을 경험한다.
• 랜덤한 격자 위치 선택과 이동 시도를 사용하여, $ L = 100 $, $ 15\% $ 점유율, $ r_M = 8 $ 의 조건에서 몬테카를로 사이클을 사용해 시뮬레이션을 수행한다.
• 전이 확률 비율 $ p_{ij}/p_{ji} = \exp[-\alpha_{DP}(n_{MN}(i) - n_{MN}(j))] $ 을 통해 상세 균형을 유지하여 열역학적 일관성을 확보한다.
• 단량체 모델에서는 주기적 경계 조건을 사용하지만, 블록 공중합체 모델에서는 사용하지 않아 자연스럽게 상분리 형태가 발달하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명시적인 정착 상호작용이 없이도 밀도 의존 분자 동역학만으로도 액체-액체 상분리를 유도할 수 있는가?
• RQ2 국소 밀도가 높아질수록 점프 속도가 느려지면 비평형 시스템에서 물방울의 안정성과 표면장력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 메커니즘이 mRNA 물방울이나 전사 활성 영역을 포함한 생물분자 응집체 형성에 어느 정도 설명력을 가질 수 있는가?
• RQ4 비평형 동역학을 갖지만 상세 균형을 만족하는 모델이 평형 시스템과 유사한 상 행동을 보일 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘이 핵 내 기능 영역 분리, 예를 들어 핵소체 형성 또는 전사 허브 형성과 같은 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 분자 점프 속도가 국소 밀도가 증가함에 따라 감소할 때, 명시적인 정착 상호작용이 없더라도 액체가 형성된다.
• 고밀도 영역에서 증발이 억제되어 안정적인 액체 물방울이 형성되며, 분자들이 고밀도 핵심에서 빠져나가기 어려워지기 때문이다.
• 블록 공중합체 시뮬레이션에서, 밀도 의존 동역학을 가진 유형 D 단량체는 응집된 구형을 형성하고, 유형 E 단량체는 편평하게 유지되어 미세상분리를 보여준다.
• 시스템은 평형 이징 모델로 매핑되며, 비록 비평형 과정에 의해 구동되지만 상세 균형 조건을 만족함으로써 이 메커니즘이 강건함을 시사한다.
• 효과적 표면장력은 $ kT $ 가 아니라 모터 일 $ w_M $ 과 비례할 것으로 예상되며, 이는 표면성질이 비평형 기원을 가짐을 시사한다.
• 이 메커니즘은 일반적이다: 속도 의존 동역학을 가진 모델에서도 유사한 응집 현상이 나타나며, 세포 내 응집체에 광범위한 적용 가능성을 가진다.