[论文解读] Catalysis-Induced Phase Separation and Autoregulation of Enzymatic Activity

Matthew W. Cotton, Ramin Golestanian+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Protein Structure and Dynamics参考文献 48被引用 23

一句话总结

本文提出了一种新机制——催化诱导相分离（CIPS），仅通过酶活性即可在酶-底物-产物混合物中驱动相分离，而无需平衡相互作用。通过生成化学梯度，利用渗透迁移率差异诱导酶-酶之间的有效吸引，CIPS 导致自发凝聚，并通过反馈机制自调控酶活性，为生物组织提供非平衡基础。

ABSTRACT

We present a thermodynamically consistent model describing the dynamics of a multi-component mixture where one enzyme component catalyzes a reaction between other components. We find that the catalytic activity alone can induce phase separation for sufficiently active systems and large enzymes, without any equilibrium interactions between components. In the limit of fast reaction rates, binodal lines can be calculated using a mapping to an effective free energy. We also explain how this catalysis-induced phase separation (CIPS) can act to autoregulate the enzymatic activity, which points at the biological relevance of this phenomenon.

研究动机与目标

• 探究仅靠酶活性是否可在无组分间平衡相互作用的情况下诱导相分离。
• 解释催化活性如何通过化学梯度和渗透迁移实现有效相互作用。
• 建立一个热力学一致的框架，将非平衡催化与相行为联系起来。
• 证明 CIPS 自然导致酶活性的自调控。
• 将模型与现有的相分离理论和非平衡热力学理论相联系。

提出的方法

• 使用非平衡热力学和 Flory-Huggins 理论，对具有守恒组分体积分数的多组分流体进行建模。
• 引入催化反应 E + S + F ⇌ E + P + W，其中燃料库维持 µF 和 µW 恒定。
• 通过 Onsager 互惠关系和迁移率矩阵 Mij = −βDijφiφj 描述传输过程，其中 Dij 表示交叉扩散系数。
• 通过渗透迁移率差异（Dpe > Dse）推导有效相互作用，导致酶在底物耗尽或产物富集区域聚集。
• 将非平衡系统映射到有效自由能，以计算双结线和双结线，实现类似平衡的相图分析。
• 应用 Maxwell-Stefan 形式化作为等效框架，描述多组分扩散并关联到可测量的传输系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠酶活性是否可在无组分间平衡相互作用的情况下诱导相分离？
• RQ2 催化产生的化学梯度如何导致酶-酶之间的有效吸引？
• RQ3 差异化的渗透迁移率（Dpe 与 Dse）在驱动相分离中起什么作用？
• RQ4 非平衡系统是否可映射到有效自由能以预测双结线和双结线？
• RQ5 CIPS 如何通过反馈机制导致酶活性的自调控？

主要发现

• 当 Dpe > Dse 时发生催化诱导相分离（CIPS），导致酶-酶之间的有效吸引，从而在无平衡相互作用下实现自发相分离。
• 相分离由非平衡化学梯度驱动，酶在底物浓度低或产物浓度高的区域聚集。
• 该系统可映射到有效自由能，从而计算双结线和双结线，临界点为两者交汇处。
• CIPS 导致整体催化活性降低，表明酶功能具有内在自调控特性。
• 该模型预测，酶对底物和产物梯度的扩散响应（即渗透迁移率）决定不稳定性，要求 µes − µep > 0 才能实现 CIPS。
• 可通过水中的酶扩散和渗透迁移率实验测量提取 Dse 和 Dpe，从而验证模型的预测能力。