Spatial Control over Reactions via Localized Transcription within Membraneless DNA Nanostar Droplets

原细胞 化学 化学反应 生物物理学 化学物理 抄写(语言学) 核糖核酸 DNA 纳米技术 生物化学 基因 语言学 生物 哲学 材料科学
作者
Eli Kengmana,Elysse Ornelas-Gatdula,Kuan-Lin Chen,Rebecca Schulman
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07274
摘要

Biomolecular condensates control where and how fast many chemical reactions occur in cells by partitioning reactants and catalysts, enabling simultaneous reactions in different spatial locations of a cell. Even without a membrane or physical barrier, the partitioning of the reactants can affect the rates of downstream reaction cascades in ways that depend on reaction location. Such effects can enable systems of biomolecular condensates to spatiotemporally orchestrate chemical reaction networks in cells to facilitate complex behaviors such as ribosome assembly. Here, we develop a system for developing such control in synthetic systems. We localize different transcription templates within different phase-separated, membraneless DNA nanostar (NS) droplets─programmable, in vitro liquid–liquid phase separation systems for partitioning of substrates and localization of reactions to membraneless droplets. When RNA produced within such droplets is also degraded in the bulk, droplet-localized transcription creates RNA concentration gradients. Consistent with the formation of these gradients, toehold-mediated strand displacement reactions involving transcripts are 2-fold slower far from the site of transcription than when nearby. We then demonstrate how multiple such gradients can form and be maintained independently by simultaneous transcription reactions occurring in tandem, each localized to different NS droplet types. Our results provide a means for constructing reaction systems in which different reactions are spatially localized and controlled without the need for physical membranes. This system also provides a means for generally studying how localized reactions and the exchange of reaction products might occur between protocells.
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