[论文解读] Interconversion-controlled liquid-liquid phase separation in a molecular chiral model

Betül Uralcan, Thomas J. Longo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Protein Structure and Dynamics参考文献 67被引用 13

一句话总结

本研究探究了在可调互变动力学与手性偏置下，三维非格点手性四聚体模型中由互变控制的液-液相分离。通过模拟平衡态（能量守恒）与非平衡态（耗散）两种力场形式，作者表明手性互变动力学主导相行为：在平衡态下，相放大导致某一相占主导；在非平衡态下，力不平衡将微相分离固定为稳定的微畴。其核心贡献在于揭示了热力学与动力学相互作用如何塑造互变流体中的相形态。

ABSTRACT

Liquid-liquid phase separation of liquids exhibiting interconversion between alternative states has been proposed as an underlying mechanism for fluid polyamorphism, and may be of relevance to protein function and intracellular organization. However, molecular-level insight into the interplay between competing forces that can drive or restrict phase separation in interconverting fluids remains elusive. Here, we utilize an off-lattice model of enantiomers with tunable chiral interconversion and interaction properties to elucidate the physics underlying the stabilization and tunability of phase separation in fluids with interconverting states. We show that introducing an imbalance in the intermolecular forces between two enantiomers results in nonequilibrium, arrested phase separation into microdomains. We also find that in the equilibrium case, when all interaction forces are conservative, the growth of the phase domain is restricted only by system size. In this case, we observe phase amplification, in which one of the two alternative phases grows at the expense of the other. These findings provide novel insights on how the interplay between dynamics and thermodynamics defines the equilibrium and steady-state morphologies of phase transitions in fluids with interconverting molecular or supramolecular states.

研究动机与目标

• 理解分子间作用力、手性互变动力学与具有互变分子态流体中相分离之间的相互作用。
• 研究热力学力（保守力）与非平衡力（耗散力）对相行为与畴形态的影响。
• 确定相放大或受抑微相分离在手性流体中出现的条件。
• 量化手性偏置与互变速率在稳定或限制相分离动力学中的作用。
• 为解释具有动态分子手性的系统中相变提供理论与计算框架。

提出的方法

• 开发一种具有可调手性互变的非格点柔性四聚体模型，通过二面角力常数（kd）调节。
• 实现两种力场形式：(1) 能量守恒（守恒力），(2) 耗散力（因非梯度势能项导致的分子间力不平衡）。
• 使用标量手性度量（ζ）追踪对映体状态并定义手性相互作用。
• 应用广义Cahn-Hilliard理论，结合时间依赖结构因子S(q,t)，模拟旋节线分解与畴生长。
• 数值求解包含非平衡化学势与互变动力学的改进Cahn-Hilliard方程。
• 对时间依赖结构因子进行傅里叶分析，提取畴尺寸演化与生长速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 手性互变动力学如何影响手性流体中液-液相分离的起始与演化？
• RQ2 是什么决定了相分离导致相放大（一相占主导）还是受抑微畴形成（稳态畴）？
• RQ3 分子间力不平衡（耗散力场）如何影响相分离微畴的稳定性与尺寸？
• RQ4 手性偏置参数在促进外消旋或异手性相互作用及其后续相行为中起什么作用？
• RQ5 特征时间尺度（LLPS、互变、扩散）如何调控旋节线分解与粗化阶段之间的转变？

主要发现

• 在平衡态（守恒力）形式下，发生相放大：一对手性相通过消耗另一相而生长，且畴生长仅受系统尺寸限制。
• 在非平衡态（耗散力）形式下，消旋化力与扩散及互变竞争，导致微相分离被固定为稳定微畴。
• 结构因子S(q,t)的时间演化显示，最大波数qm随时间向左移动但永不趋近于零，证实耗散情况下形成稳态微畴。
• 有效扩散系数Deff = (M∆T + L)/T 因互变而增强，改变畴生长动力学并稳定微畴。
• 通过拟合模拟数据，定量确定了特征时间尺度（τLLPS, τINC, τD），其中τINC满足1/τINC ∝ T²/kd²，表明kd越大，互变越快。
• 系统表现出从早期旋节线分解到晚期粗化阶段的转变，且在旋变点处反 susceptibility ∂²f₀/∂c²ₐ → 0，与Cahn-Hilliard理论一致。