[논문 리뷰] Magic numbers in polymer phase separation -- the importance of being rigid

Bin Xu, Guanhua He외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 27.

RNA Research and Splicing참고 문헌 35인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 한 종류의 고분자에서의 강성( rigidity )이 이성분 고분자 상분리에서 마법의 수 효과(magic-number effect)를 크게 향상시킴을 보여준다. 여기서는 결합 부위 수가 정수 비율일 때 상분리된 고체 응집체 대신 완전히 결합된 올리고머가 형성된다. 격자 시뮬레이션과 분석 모델링을 통해 저자들은 강성이 다양한 스토이히오메트리 조건에서 이러한 올리고머를 안정화함으로써 이 효과가 강건하고 생물학적으로 관련성이 있음을 보여준다. 이는 해조류의 피렌로이드(pyrenoid)와 같은 생물학적 응집체에 중요한 의미를 가진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고분자 강성이 이성분 상분리에서 마법의 수 효과에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 강성 성분이 특정 결합 부위 비율에서 상분리 억제를 향상시키는지 확인하는 것.
• 한 성분이 강성일 경우 다양한 스토이히오메트리 비율에서 마법의 수 효과의 강건성(robustness)을 탐구하는 것.
• 다가액 결합 상호작용에서 강성과 유연성 고분자의 열역학적 및 구조적 결과를 모델링하고 시뮬레이션하는 것.
• 생물학적 응집체 형성에서 형태와 강성의 역할을 이해하기 위한 이론적 및 계산적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 기하학적 경계 조건이 주어진 50×50 격자에서 고분자 구성을 모델링하기 위해 격자 모델 시뮬레이션을 실시.
• 평형 상태의 구성을 샘플링하기 위해 메트로폴리스 알고리즘을 사용한 마르코프 체인 몬테카를로(Markov Chain Monte Carlo) 방법을 적용.
• 상분리된 방울을 안정화하기 위해 특정 결합(11 kBT)과 약한 비특이적 상호작용(0.1 kBT)을 통합.
• 강성-유연성 클러스터에 대한 동시 이동(joint moves)을 도입하여 동적 고결(dynamical freezing)을 완화하고 구성 샘플링의 효율성을 향상.
• 다이머 구조의 형상 불확실성(conformational degeneracy)을 최소화하고자 U자형 강성 고분자 변형(B8U)을 설계하여 상행태에 미치는 영향을 시험.
• 점진적으로 결합 강도를 증가시키고 열적 평형을 확보하기 위해 이중 단계의 시뮬레이션 냉각 프로토콜을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강성 고분자 성분이 이성분 상분리에서 마법의 수 효과에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 강성이 마법의 수 효과가 관찰되는 스토이히오메트리 범위를 넓히는가?
• RQ3 형상 불확실성(conformational degeneracy)은 완전히 결합된 올리고머와 상분리된 응집체의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 특이적 상호작용과 비특이적 상호작용이 강성-유연성 시스템에서 방울 형성과 안정성에 공동으로 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 분석 모델이 강성 및 유연성 고분자에 대한 격자 시뮬레이션에서 관찰된 상행태를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 한 고분자 종이 강성일 경우 마법의 수 효과가 크게 향상되어 정수 비율의 결합 부위에서 상분리된 응집체 대신 안정적인 완전히 결합된 올리고머가 형성된다.
• B8R 성분이 강성일 경우 마법의 수 효과는 정밀한 전반적 스토이히오메트리가 필요로 하는 것과 달리 넓은 스토이히오메트리 범위에서 지속되며, 이는 타고 유연한 시스템과 대비된다.
• U자형 강성 변형(B8U)은 형상 불확실성을 감소시키고 마법의 수 상태를 더욱 안정화시키며, 기하학적 제약 조건이 올리고머 안정성 향상에 기여함을 확인한다.
• 격자 시뮬레이션 결과 A8:B8R 시스템은 안정적인 디머를 형성하고 상분리를 억제하는 반면, A7:B8R 및 A9:B8R 시스템은 큰 클러스터 형성을 위해 훨씬 높은 농도가 필요하다.
• 분석 모델링 결과 강성이 마법의 수 비율에서 응집화보다 올리고머화의 자유 에너지 장벽을 증가시켜 상분리 억제를 설명한다.
• 강한 특정 결합(11 kBT)과 약한 비특이적 상호작용(0.1 kBT)의 조합은 안정적인 방울 형성과 함께 시뮬레이션에서 명확한 상도 맵핑을 가능하게 한다.