Aging can transform single-component protein condensates into multiphase architectures

化学物理 成核 分子间力 化学 非平衡态热力学 组分(热力学) 分子动力学 生物分子 相(物质) 内在无序蛋白质 同种类的 分子 化学工程 热力学 计算化学 有机化学 工程类 物理 生物化学
作者
Adiran Garaizar,Jorge R. Espinosa,Jerelle A. Joseph,Georg Krainer,Yi Shen,Tuomas P. J. Knowles,Rosana Collepardo-Guevara
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (26) 被引量:30
标识
DOI:10.1073/pnas.2119800119
摘要

Phase-separated biomolecular condensates that contain multiple coexisting phases are widespread in vitro and in cells. Multiphase condensates emerge readily within multicomponent mixtures of biomolecules (e.g., proteins and nucleic acids) when the different components present sufficient physicochemical diversity (e.g., in intermolecular forces, structure, and chemical composition) to sustain separate coexisting phases. Because such diversity is highly coupled to the solution conditions (e.g., temperature, pH, salt, composition), it can manifest itself immediately from the nucleation and growth stages of condensate formation, develop spontaneously due to external stimuli or emerge progressively as the condensates age. Here, we investigate thermodynamic factors that can explain the progressive intrinsic transformation of single-component condensates into multiphase architectures during the nonequilibrium process of aging. We develop a multiscale model that integrates atomistic simulations of proteins, sequence-dependent coarse-grained simulations of condensates, and a minimal model of dynamically aging condensates with nonconservative intermolecular forces. Our nonequilibrium simulations of condensate aging predict that single-component condensates that are initially homogeneous and liquid like can transform into gel-core/liquid-shell or liquid-core/gel-shell multiphase condensates as they age due to gradual and irreversible enhancement of interprotein interactions. The type of multiphase architecture is determined by the aging mechanism, the molecular organization of the gel and liquid phases, and the chemical makeup of the protein. Notably, we predict that interprotein disorder to order transitions within the prion-like domains of intracellular proteins can lead to the required nonconservative enhancement of intermolecular interactions. Our study, therefore, predicts a potential mechanism by which the nonequilibrium process of aging results in single-component multiphase condensates.
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