[논문 리뷰] Robust nonequilibrium pathways to microcompartment assembly

Grant M. Rotskoff, Phillip L. Geissler|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 25.

Bacteriophages and microbial interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시아노박테리아에서 미세세포소체 조립을 위한 강건한 비평형 경로를 제안하며, 이 경로는 평형 열역학이 아닌 동적 메커니즘을 통해 화물 농축이 껍질 형성에 기여함을 보여준다. 시뮬레이션 결과, 껍질 핵형성이 임계 화물 반경에서 발생하며, 탄성 껍질 역학과 위상 결함이 날카러운 면을 가진, 카복시소몸 유사 구조를 형성하고 크기 분포가 좁아지게 한다. 이는 나노스케일 봉입을 위한 핵심 제어 변수를 드러낸다.

ABSTRACT

Cyanobacteria sequester photosynthetic enzymes into microcompartments which facilitate the conversion of carbon dioxide into sugars. Geometric similarities between these structures and self-assembling viral capsids have inspired models that posit microcompartments as stable equilibrium arrangements of the constituent proteins. Here we describe a different mechanism for microcompartment assembly, one that is fundamentally nonequilibrium and yet highly reliable. This pathway is revealed by simulations of a molecular model resolving the size and shape of a cargo droplet, and the extent and topography of an elastic shell. The resulting metastable microcompartment structures closely resemble those of carboxysomes, with a narrow size distribution and faceted shells. The essence of their assembly dynamics can be understood from a simpler mathematical model that combines elements of classical nucleation theory with continuum elasticity. These results highlight important control variables for achieving nanoscale encapsulation in general, and for modulating the size and shape of carboxysomes in particular.

연구 동기 및 목표

• 박테리아 미세세포소체 조립의 동적 경로, 특히 바이러스 캡시드와 구조적으로 유사하지만 功能적으로는 다름을 가진 카복시소몸의 조립을 이해하기 위해.
• 기존의 미세세포소체 조립이 바이러스 캡시드 모델에서처럼 평형 열역학을 따르는 것으로 여겨지는 가정을 도전하기 위해.
• 대사 효소의 신뢰할 수 있고 크기 제어된 봉입을 가능하게 하는 물리적 및 운동적 원인을 규명하기 위해.
• 최종 구조와 크기 분포를 결정짓는 껍질 탄성, 곡률 및 위상 결함의 역할을 정량화하기 위해.

제안 방법

• FCC 격자상의 화물 단량체와 연속 탄성 해밀토니안에 의해 지배되는 삼각형 타일 껍질을 가진 미세세포소체 조립의 분자 모델을 시뮬레이션한다.
• 고전적 핵형성 이론에서 유도된 핵형성 장벽을 바탕으로 운동적 몬테카를로 방법을 사용해 껍질 형성 모델링을 수행한다.
• 핵형성의 활성화 자유 에너지가 열에너지($ k_B T $)와 동일해지는 임계 반경 $ R^{lat} $ 를 도입하여 안정적 성장의 시작을 나타낸다.
• 결합 정렬 순서 매개변수($ Q_6 $, $ \hat{W}_{10} $)와 결함 기반의 면형 매개변수를 사용해 이코사헤드론 대칭성과 구조 형태를 정량화한다.
• 시뮬레이션과 실험 크기 분포를 비교하기 위해 효과적 반경 $ R_{\text{eff}} = \left(\frac{3N_c}{4\pi}\right)^{1/3} $ 를 정의한다.
• 다섯 개의 결합이 만나는 점(5중 대칭 결함)과 같은 위상 결함이 껍질의 봉쇄와 격자 경계의 복구에 어떻게 기여하는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세세포소체 조립이 평형 열역학이 아닌 비평형 운동적 경로로 설명될 수 있는가?
• RQ2 어떤 조건에서 껍질 핵형성이 유리해지고 운동적으로 접근 가능해지는가?
• RQ3 탄성 껍질 성질과 위상 결함이 조립된 미세세포소체의 크기, 형태, 안정성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 왜 껍질 단백질에 곡률 선호도가 없음에도 불구하고 미세세포소체는 좁은 크기 분포를 보이는가?
• RQ5 면형과 이코사헤드론 대칭성 같은 구조적 특징이 국소 단백질 선호도가 아닌 운동적 및 탄성 제약에서 어떻게 유도되는가?

주요 결과

• 껍질 핵형성은 활성화 자유 에너지가 열에너지($ k_B T $)와 동일해지는 임계 화물 반경 $ R^{lat} $ 에서 발생하며, 이는 안정적 성장의 전환점을 나타낸다.
• 결과적으로 생성된 미세세포소체는 좁은 크기 분포를 보이며, Iancu 등(2010)의 실험 데이터와 밀도적으로 일치한다. 효과적 반경은 시뮬레이션과 관측 결과 모두 일관되게 유지된다.
• 껍질 단백질에 내재된 곡률 선호도가 없음에도 불구하고 최종 구조는 뚜렷한 면형과 이코사헤드론 대칭성을 보이며, 이는 탄성 에너지 최소화와 결함 역학에 의해 유도된다.
• $ Q_6 $ 와 $ \hat{W}_{10} $ 의 분포는 이상적인 이코사헤드론이 드물지만, 구조적 형태는 톰로그램에서 관측된 카복시소몸과 일치함을 시사한다.
• 면형 매개변수 $ \langle \theta_{\text{defect}} \rangle $ 는 5중 결함에서의 고곡률이 평평한 면 형성에 기여하고 효율적인 봉입을 가능하게 함을 확인한다.
• 단백질-화물 상호작용과 껍질 탄성의 변동성에도 경로가 강건함을 보이며, 이는 안정적인 나노스케일 봉입을 위한 일반적인 메커니즘이라고 추론된다.