https://doi.org/10.1038/s42004-025-01502-5
요약
- 펩타이드 백본이 상호작용 약화를 유도하여 condensate의 퍼콜레이션을 가능하게 함: 이 연구에서는 펩타이드 기반 condensate 모사체에서 아로마틱-양이온 상호작용을 포함한 잔기 간 상호작용이 백본의 존재로 인해 농도에 따라 약화되고, 이는 퍼콜레이션(percolation)을 가능하게 하여 시스템 전역에 걸친 네트워크를 형성함을 보여주었습니다.
- 모델 화합물과 펩타이드의 상호작용 비교: 모델 화합물(사이드체인만 존재)은 농도가 증가함에 따라 상호작용이 강화되어 나노스케일 클러스터를 형성했지만, 펩타이드(백본 포함)에서는 농도가 증가할수록 상호작용이 약화되고 장거리 정렬(long-range ordering)이 사라졌습니다.
- 퍼콜레이션 네트워크의 형성: 펩타이드 기반 condensate는 백본의 다가성(valence)으로 인해 시스템을 가로지르는 퍼콜레이션 네트워크를 형성하였고, 이는 상호작용 약화와 함께 유동화(fluidization)를 유도하여 짧은 거리의 질서와 긴 거리의 무질서를 가진 구조를 나타냈습니다.
- PMF와 excluded volume 분석을 통한 상호작용 강도 평가: 모델 화합물에서는 농도 증가 시 상호작용이 강화되었고, 펩타이드에서는 농도 증가 시 상호작용이 약화되었으며, 이는 PMF (potential of mean force)와 excluded volume (vex)을 통해 정량화되었습니다. 특히, 백본-사이드체인 상호작용이 사이드체인-사이드체인 상호작용을 약화시키는 역할을 했습니다.
- 상호작용 약화와 네트워크 형성의 생물학적 의미: 본 연구는 IDP 기반 condensate에서 백본이 장거리 클러스터링을 억제하고, 대신 퍼콜레이션 네트워크를 통해 응집체를 유동화한다는 새로운 관점을 제시하였습니다. 이는 viscoelasticity, 전기화학적 특성, 응집체 농도 제한 등 생물학적 condensate 특성을 설명하는 데 중요한 통찰을 제공합니다.
Abstract
Biomolecular condensates formed by intrinsically disordered proteins (IDPs) are semidilute solutions. These can be approximated as solutions of blob-sized segments, which are peptide-sized motifs. We leveraged the blob picture and molecular dynamics simulations to quantify differences between inter-residue interactions in model compound and peptide-based mimics of dense versus dilute phases. The all-atom molecular dynamics simulations use a polarizable forcefield. In model compound solutions, the interactions between aromatic residues are stronger than interactions between cationic and aromatic residues. This holds in dilute and dense phases. Cooperativity within dense phases enhances pairwise interactions leading to finite-sized nanoscale clusters. The results for peptide-based condensates paint a different picture. Backbone amides add valence to the associating molecules. While this enhances pairwise inter-residue interactions in dilute phases, it weakens pair interactions in dense phases, doing so in a concentration-dependent manner. Weakening of pair interactions enables fluidization characterized by short-range order and long-range disorder. The higher valence afforded by the peptide backbone generates system-spanning networks. As a result, dense phases of peptides are best described as percolated network fluids. Overall, our results show how peptide backbones enhance pairwise interactions in dilute phases while weakening these interactions to enable percolation within dense phases.