[论文解读] Modulating internal transition kinetics in responsive macromolecules by collective crowding

Upayan Baul, Nils Göth+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 52被引用 9

一句话总结

本研究证明，响应性大分子中的集体拥挤效应可通过自洽地将粒子尺寸变化与局部密度涨落耦合，使内部双态切换动力学发生一个数量级的调节。通过采用具有双模尺寸能量景观的响应性胶体的布朗运动模拟，作者推导出一个结合克雷默斯理论与液体态微扰理论的标度律，该理论能准确预测不同密度下的切换时间和种群分布。

ABSTRACT

Packing and crowding are used in biology as mechanisms to (self-)regulate internal molecular or cellular processes based on collective signalling. Here, we study how the transition kinetics of an internal switch of responsive macromolecules is modified collectively by their spatial packing. We employ Brownian dynamics simulations of a model of responsive colloids (RCs), in which an explicit internal degree of freedom, here, the particle size, moving in a bimodal energy landscape responds self-consistently to the density fluctuations of the crowded environment. We demonstrate that populations and transition times for the two-state switching kinetics can be tuned over one order of magnitude by self-crowding. An exponential scaling law derived from a combination of Kramers' and liquid state perturbation theory is in very good agreement with the simulations.

研究动机与目标

• 研究集体拥挤——即响应性大分子自洽堆积——如何影响内部双态切换动力学。
• 对响应性胶体（RCs）系统中两种构象状态（小和大）之间的转变动力学进行建模与模拟，以研究自拥挤效应。
• 建立一个理论框架，定量关联拥挤引起的密度涨落与转变速率及种群变化。
• 为调节刺激响应材料（如水凝胶和聚合物）中的内部切换提供可实验验证的标度律。

提出的方法

• 在具有周期性边界条件的正则系综（NVT）中，对 N = 512 个响应性胶体（RCs）进行布朗运动模拟。
• 采用一种粗粒度哈密顿量（公式 1），通过与粒子尺寸 σi 相关的赫兹势能（公式 3）显式耦合粒子间相互作用，其依赖于 σi 和 σj。
• 将内能景观 βψ(σ) 定义为双模高斯分布（公式 2），在 µ1 = 0.63σ0 和 µ2 = 1.0σ0 处具有极小值，能垒约为 1 kBT。
• 在过阻尼朗之万动力学下模拟尺寸与平动动力学，尺寸扩散系数为 Dσ = ασ0²/τBD，通过调节 α 来调控本征切换时间。
• 通过公式（4）从平衡尺寸分布 N(σ;ρ) 计算拥挤修正后的能级 β˜ψ(σ;ρ)，以反映集体环境效应。
• 推导出结合克雷默斯逃逸率理论与液体态微扰理论的标度理论，以预测作为密度 ρ 函数的切换时间和种群分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 集体拥挤——源于响应性大分子的空间堆积——如何影响内部构象状态之间的切换动力学？
• RQ2 通过改变系统密度，是否能广泛调节两种内部状态（小和大）之间的种群分布和切换时间？
• RQ3 基于克雷默斯理论与液体态微扰理论的理论标度律，在多大程度上能定量预测拥挤 RC 系统中观察到的动力学变化？
• RQ4 内部自由度（尺寸）与局部密度涨落之间的自洽耦合在调节切换行为中起什么作用？

主要发现

• 随着数密度 ρ 从 0 增加到 1.91σ0³，响应性胶体中小尺寸与大尺寸状态之间的种群分布和切换时间被调节了一个数量级。
• S→L 转换的拥挤修正能垒随密度增加而升高，表明在高密度拥挤下小尺寸态的动力学趋于稳定。
• 结合克雷默斯逃逸理论与液体态微扰理论的理论标度律在所有密度和本征切换速率下均与模拟数据高度一致。
• 理论预测的指数标度律准确捕捉了切换时间的阿伦尼乌斯样行为，且在拥挤条件下活化能增加。
• 模拟中定量再现了出现的双模尺寸分布 N(σ;ρ)，证实了集体堆积对内部能级景观的自洽修正。
• 该模型表明，自拥挤可作为调节刺激响应材料中内部切换的反馈机制，为实现自适应和可编程软物质提供了新途径。