https://doi.org/10.1101/2024.12.27.630407
Abstract
Biomolecular condensates are a ubiquitous component of cells, known for their ability to selectively partition and compartmentalize biomolecules without the need for a lipid membrane. Nevertheless, condensates have been shown to interact with lipid membranes in diverse biological processes, such as autophagy and T-cell activation. Since many condensates are known to have a net surface charge density and associated electric potential(s), we hypothesized that they can induce a local membrane potential. Using an electrochromic dye, we demonstrate that poly-lysine/ATP condensates induce a localized membrane potential in Giant Unilamellar Vesicles. This effect diminishes with increasing salt concentration and higher ATP-to-poly-lysine ratios, underscoring the key role of condensate charge. Numerical modeling of the condensate-membrane interface using an electro-thermodynamic framework supports our experimental findings and highlights parameters expected to play a key role in the effect. These results have broad implications for biological processes regulated by membrane potential, particularly in contexts such as neuronal signaling, where condensate interactions with membranes may play a previously unrecognized regulatory role.
요약
- 생체분자 응집체와 국소 막 전위 형성: 생체분자 응집체(biomolecular condensates)가 지질막과 상호작용하여 국소적인 막 전위를 유도할 수 있음을 입증하였습니다. 이를 위해 전기색소 염료(di-8-anepps)를 사용하여 Giant Unilamellar Vesicles(GUVs)에서 전위 변화를 관찰했습니다.
- 막 전위 변화와 응집체 전하의 관계: ATP 농도가 증가하거나 염 농도가 증가하면 응집체 표면 전하가 감소하며, 이로 인해 막 전위 유도 효과가 약해지는 것을 관찰하였습니다. 이는 응집체의 전하 밀도가 막 전위 형성에 중요한 역할을 한다는 점을 시사합니다.
- 모델링을 통한 기작 이해: 전기-열역학적 모델을 통해 응집체-막 계면에서의 전기장 형성을 설명하였으며, Flory-Huggins 상호작용 매개변수(χ12)가 전기장 크기에 영향을 주는 것을 확인했습니다.
- 막 전위와 이온 채널 활성화: 국소 막 전위의 변화는 전압-의존성 이온 채널(Voltage-Gated Ion Channels)의 작동에 영향을 줄 수 있으며, 신경 신호 전달(neuronal signaling)에서 응집체의 잠재적 조절 역할을 시사합니다.
- 생체 내 응용 및 후속 연구 방향: 국소 막 전위를 유도하는 응집체의 성질은 막 단백질, 세포 신호 전달 및 대사 과정에 영향을 줄 수 있습니다. 향후 연구에서는 이와 관련된 생리학적 역할과 병리적 상황(예: 신경계 질환)을 탐구할 계획입니다.