[论文解读] Magic numbers in polymer phase separation -- the importance of being rigid

Bin Xu, Guanhua He+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

RNA Research and Splicing参考文献 35被引用 16

一句话总结

本研究表明，一种聚合物种类的刚性显著增强了双组分聚合物相分离中的神奇数效应，当结合位点数量为整数比时，会形成完全键合的低聚物而非相分离的凝聚物。通过晶格模拟和解析建模，作者证明刚性可使这些低聚物在广泛的化学计量比范围内保持稳定，从而使该效应具有强鲁棒性，并在生物凝聚物（如藻类的pyrenoid）中具有生理相关性。

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.

研究动机与目标

• 研究聚合物刚性如何影响双组分相分离中的神奇数效应。
• 确定刚性组分是否能增强在特定结合位点比例下对相分离的抑制作用。
• 探索当一种组分具有刚性时，神奇数效应在不同化学计量比下的鲁棒性。
• 模拟和建模刚性与柔性聚合物在多价相互作用中的热力学与结构后果。
• 为理解形状与刚性在生物凝聚物形成中的作用提供理论与计算框架。

提出的方法

• 在50×50的正方形晶格上进行晶格模型模拟，采用周期性边界条件以模拟聚合物构型。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛方法结合梅特罗波利斯算法来采样平衡构型。
• 引入特定键合能（11 kBT）和弱非特异性相互作用（0.1 kBT）以稳定相分离液滴。
• 引入刚性-柔性聚集体的联合移动策略，以克服动力学冻结问题并改善构型采样效率。
• 设计一种U形刚性聚合物变体（B8U），以最小化二聚体构象简并性，并检验其对相行为的影响。
• 采用两步模拟退火协议，逐步增加键合强度，以确保热平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 刚性聚合物组分的存在如何影响双组分相分离中的神奇数效应？
• RQ2 刚性是否扩大了观察到神奇数效应的化学计量比范围？
• RQ3 构象简并性在完全键合低聚物与相分离凝聚物的稳定性中起什么作用？
• RQ4 特异性和非特异性相互作用如何共同影响刚性-柔性体系中液滴的形成与稳定性？
• RQ5 解析模型能否准确预测刚性与柔性聚合物晶格模拟中观察到的相行为？

主要发现

• 当一种聚合物种类具有刚性时，神奇数效应显著增强，导致在整数结合位点比例下形成稳定完全键合的低聚物，而非相分离的凝聚物。
• 在具有刚性B8R组分的体系中，神奇数效应在广泛的化学计量比范围内持续存在，而柔性体系中该效应仅在精确的全局化学计量比下出现。
• U形刚性变体（B8U）降低了构象简并性，并进一步稳定了神奇数态，证实了几何约束在增强低聚物稳定性中的作用。
• 晶格模拟显示，A8:B8R体系可形成稳定二聚体并抑制相分离，而A7:B8R和A9:B8R体系则需极高浓度才能形成大聚集体。
• 解析建模证实，刚性显著增加了在神奇数比例下相分离相对于低聚化的自由能惩罚，从而解释了相分离被抑制的原因。
• 强特异性结合（11 kBT）与弱非特异性相互作用（0.1 kBT）的结合，实现了稳定液滴的形成，并使模拟中的相图得以清晰绘制。