https://doi.org/10.1101/2025.01.16.633379
Abstract
Intracellular membraneless organelles formed by the phase separation of biomolecules are essential for cellular functioning. These biomolecular condensates often exhibit complex morphologies in response to biological stimuli. In vitro condensate models help elucidate the mechanism of formation and the associated function of these hierarchical assemblies. Here, we use an in vitro model to investigate the formation of hollow internal regions, or vacuoles, within the condensate interior in response to a pH change. Our experimental system is a pH-responsive complex coacervate formed by the anionic glucose oxidase enzyme phase separating with the weak polycation, DEAE-dextran. Fast rates of pH decrease and larger droplet sizes trigger vacuole development within the coacervates. We show that the emergence of vacuoles is a non-equilibrium process caused by the diffusion-limited exchange of condensate components during a fast pH change. We develop a theoretical model that captures how a phase-separating system responds dynamically to changes in system conditions, particularly pH. Our qualitative phase diagram aligns with our experimental results, showing that rapid pH changes shift the phase boundaries, triggering spinodal decomposition and inducing vacuole formation within the condensates. Our pH-sensitive in vitro coacervate model provides a platform to modulate the internal structure of ternary phase separating systems and gain insights into the mechanisms controlling condensate organization in vivo.
요약
- 연구 목적: 본 연구는 pH 변화가 효소-폴리머 응축체 내부에서 공포(vacuole) 형성을 유도하는 메커니즘을 규명하고자 하였으며, 이러한 비평형 과정이 응축체의 구조적 조직화에 미치는 영향을 탐구하고자 하였습니다.
- 연구 방법: pH-민감성 복합 코아세르베이트 모델(glucose oxidase와 DEAE-dextran)을 사용하여 현미경 관찰, 이미지 분석, 그리고 이론적 모델링을 통해 빠른 pH 변화가 응축체 내부 공포 형성에 미치는 영향을 분석하였습니다.
- 주요 결과: 빠른 pH 감소와 큰 응축체 크기가 스피노달 분해(spinodal decomposition)를 유도하여 내부 공포 형성을 촉진하며, 이는 확산-제한적 성분 교환에 의해 발생하는 비평형 과정임을 확인하였습니다.
- 의의 및 시사점: 본 연구는 생체 내 멤브레인리스 소기관의 구조적 변화를 설명할 수 있는 기초적인 메커니즘을 제공하며, 생체모방 소재 설계, 신약 개발, 및 합성생물학 분야에서 응용 가능성을 시사하였습니다.
- 결론: 빠른 pH 변화로 인한 응축체 내부 공포 형성은 비평형 열역학 과정으로, Cahn–Hilliard 모델 기반 시뮬레이션을 통해 드롭 크기와 pH 변화율의 함수로 공포 형성 조건을 설명하였으며, 향후 다양한 생체 시스템 연구에 기여할 것으로 기대됩니다