[논문 리뷰] Chemical Reactions regulated by Phase-Separated Condensates

Sudarshana Laha, Jonathan Bauermann외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 08.

Zeolite Catalysis and Synthesis인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스캐폴드의 상분리와 희석된 클라이언트를 분리하여 응집체가 화학 반응 수율과 초기 조립 속도에 미치는 영향을 연구하는 이론적 프레임워크를 제시하며, 최대 효과를 위한 최적의 응집체 부피를 보여준다.

ABSTRACT

Phase-separated liquid condensates can spatially organize and thereby regulate chemical processes. However, the physicochemical mechanisms underlying such regulation remain elusive as the intramolecular interactions responsible for phase separation give rise to a coupling between diffusion and chemical reactions at non-dilute conditions. Here, we derive a theoretical framework that decouples the phase separation of scaffold molecules from the reaction kinetics of diluted clients. As a result, phase volume and client partitioning coefficients become control parameters, which enables us to dissect the impact of phase-separated condensates on chemical reactions. We apply this framework to two chemical processes and show how condensates affect the yield of reversible chemical reactions and the initial rate of a simple assembly process. In both cases, we find an optimal condensate volume at which the respective chemical reaction property is maximal. Our work can be applied to experimentally quantify how condensed phases alter chemical processes in systems biology and unravel the mechanisms of how biomolecular condensates regulate biochemistry in living cells.

연구 동기 및 목표

• 상분리된 생분자 응집체가 세포 내 반응 구성 요소를 공간적으로 어떻게 조직하는지 동기를 부여한다.
• 스캐폴드 구동 상분리를 희석된 반응 클라이언트와 분리하여 다루는 프레임워크를 개발한다.
• 단순 반응에 대한 응집체 특성이 반응 수율과 시작 속도를 어떻게 제어하는지 정량화한다.

제안 방법

• 비희석 스캐폴드와 희석된 클라이언트를 갖는 비압축 혼합물에 대한 연속체 이론을 도출한다.
• 구성요소 간 확산과 교차결합을 설명하기 위해 Onsager 상호대칭성을 갖는 이동도 행렬을 이용한다.
• 스캐폴드–클라이언트 상호작용을 포착하기 위해 교환 화학포텐셜과 위상 의존 활성계수를 도입한다.
• 공존하는 응집체와 주변 위상에서 희석된 클라이언트에 대한 반응-확산 방정식을 형식화한다.
• 분배 계수를 통해 반응 속도를 프로그래밍 가능한 매개변수로 단순화하기 위한 얇은 경계면 근사와 위상 평형 근사를 제공한다.
• 응집체가 존재하는 상태에서 가역 반응과 초기 속도 제약 조립 과정에 프레임워크를 적용한다.

Figure 1: Schematic representation of a system with dilute reacting clients in the presence of a single spherical condensate. (a) The non-dilute scaffold component can form a spherical condensate (phase I). The dilute clients (reactant and product) partition between the condensed, scaffold-rich phas

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상분리된 응집체가 희석된 클라이언트를 포함하는 가역 반응의 정상상 수율에 어떤 변화를 가져오는가?
• RQ2 응집체가 비가역적 조립 과정의 초기 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응집체 부피, 분배 계수, 위상별 반응 속도가 클라이언트 동역학을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이 프레임워크가 반응 관련 특성을 최대화하는 최적의 응집체 크기를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 응집체는 응집체 부피를 조정하여 가역 반응의 정상상 수율을 최대화할 수 있다.
• 위상별 확산 및 반응 속도에 따라 조립 과정의 초기 속도나 수율 역시 최대화할 수 있다.
• 프레임워크는 목표 반응 특성이 최대가 되는 최적의 응집체 부피 (V^I,*)가 존재함을 확인한다.
• 위상 의존 교환 활성계수와 분배가 희석된 클라이언트를 공존하는 위상들 간에 분포를 제어하여 동역학을 조절한다.
• 연료 에너지에 의해 비평형으로 이끈 경우 비균일한 공간 프로파일이 나타나 균형 조건과 비교하여 반응 수율을 향상시키거나 형성한다.

Figure 2: Schematic representation of the system to study how phase coexistence affects chemical reactions of dilute clients. (a) We consider a spherical, condensate of radius $R$ , which is rich in scaffold components (phase I ) coexisting with a scaffold-poor phase (phase II ). The system is also