Macromolecular condensation buffers intracellular water potential

高分子 渗透压 溶解 生物物理学 胞浆 化学物理 化学 冷凝 渗透性休克 细胞内 功能(生物学) 渗透 热力学 生物化学 细胞生物学 生物 物理 物理化学 基因
作者
J. P. Watson,Estere Seinkmane,Christine T Styles,Andrei Mihut,Lara Katharina Krüger,Kerrie E. McNally,V.J. Planelles-Herrero,Michal Dudek,Patrick M. McCall,Silvia Barbiero,Michael Vanden Oever,Sew‐Yeu Peak‐Chew,Benjamin T. Porebski,Aiwei Zeng,Nina Marie Rzechorzek,David Wong,Andrew D. Beale,Alessandra Stangherlin,Margot Riggi,Janet Iwasa,Jörg Morf,Christos Miliotis,Alina Guna,Alison J. Inglis,Jan Brugués,R.M. Voorhees,Joseph E. Chambers,Qing‐Jun Meng,John S. O’Neill,Rachel S. Edgar,Emmanuel Derivery
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:623 (7988): 842-852 被引量:7
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06626-z
摘要

Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions1. Reciprocally, macromolecules restrict the movement of 'structured' water molecules within their hydration layers, reducing the available 'free' bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales2,3; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.
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