https://doi.org/10.1101/2025.04.02.645070
요약
- 상분리 경계의 스케일링은 상이한 두 물리적 원리를 반영합니다: 여러 성분이 존재하는 상분리 시스템에서, 농도 공간 내의 상분리 경계는 고차원입니다. 본 연구에서는 이를 저차원 슬라이스로 잘라낸 실험적 데이터에서 상분리 경계를 해석하기 위한 일반화된 수학적 벡터 표현을 도입하였으며, 그 결과 두 가지 스케일링 법칙이 도출되었습니다. 하나는 결합(associative) 상분리에 해당하는 다항함수 스케일링이고, 다른 하나는 용해(dissolution) 현상에 해당하는 지수함수 스케일링입니다.
- 결합 기반 상분리는 질량작용법칙과 유사한 형태로 설명됩니다: 두 성분이 모두 응축상에서 농축되는 경우, 상분리 경계는 두 성분의 희석상 몰농도 간의 로그-로그 직선 관계를 따르며, 이때의 기울기는 응축상에서의 몰비율과 직접적으로 연결됩니다. 이 관계는 질량작용법칙과 유사한 형태로 해석되며, 실험적으로 몰비를 추정하는 데 사용할 수 있습니다.
- 응축체의 용해는 3체 이상 상호작용을 통해서만 가능합니다: 추가된 성분이 기존 응축체를 해체시키는 경우, 이 용해는 단순한 2체 상호작용으로는 설명될 수 없고, 반드시 3체 이상 상호작용이 존재해야 한다는 결론을 도출하였습니다. 이는 특정 성분이 다른 두 성분 간의 결합을 방해하여 응축체를 분해하는 메커니즘을 나타냅니다.
- 다양한 실제 생물학적 시스템에 스케일링 이론을 적용할 수 있습니다: NSP5/NSP2, FUS/PEG, Whi3/RNA, G3BP1/Suramin, 다양한 항균 펩타이드/Poly(A)-RNA 시스템에 대해 실험적으로 측정된 상분리 경계를 본 이론으로 분석하였고, 이로부터 응축상 내의 몰비율 및 상호작용 에너지의 상대적 기여도(dominance)를 정량적으로 추정할 수 있음을 보였습니다.
- 스케일링 분석은 고차원 상분리 시스템의 정량적 해석을 가능케 합니다: 상분리 경계의 법선 벡터(normal vector)를 수학적으로 전개하고 그 성분들을 분석함으로써, 고차원 농도 공간을 직접 계산하지 않고도 실험 데이터를 정량적으로 해석할 수 있는 경로를 제시하였습니다. 이를 통해 기존의 질적 해석 중심 상분리 연구를 정량적이고 일반화된 방향으로 확장할 수 있게 되었습니다.
Abstract
Multicomponent phase-separating molecular systems play a key role as membraneless organelles in living cells. Phase diagrams are indispensable for probing the concentration-dependent behaviour of these condensates, yet their interpretation has remained largely qualitative due to the challenges of modelling complex, multicomponent interactions. Here, we present a generic framework for quantitative analysis of phase diagrams. We derive an analytical expression for the phase boundary normal vector, which reveals two distinct scaling regimes: one for associative phase separation, characterised by a power-law scaling analogous to mass-action kinetics that allows for direct extraction of dense phase solute molar ratios, and another for condensate dissolution, where an exponential scaling quantifies three-body repulsion effects triggered by the addition of a new component. We demonstrate the practical utility of our framework by applying it to a range of experimentally measured phase diagrams, including those for proteins such as NSP5, NSP2, FUS, Whi3, G3BP1, and antimicrobial peptides. Collectively, our work not only provides a clear quantitative interpretation of phase diagrams but also opens new avenues for the rigorous characterisation of multicomponent phase-separating systems.