Concentration buffering and noise reduction in non-equilibrium phase-separating systems

https://doi.org/10.1016/j.cels.2025.101168

 

Abstract

Biomolecular condensates have been proposed to buffer intracellular concentrations and reduce noise. However, concentrations need not be buffered in multicomponent systems, leading to a non-constant saturation concentration (csat) when individual components are varied. Simplified equilibrium considerations suggest that noise reduction might be closely related to concentration buffering and that a fixed saturation concentration is required for noise reduction to be effective. Here, we present a theoretical analysis to demonstrate that these suggestions do not apply to mesoscopic fluctuating systems. We show that concentration buffering and noise reduction are distinct concepts, which cannot be used interchangeably. We further demonstrate that concentration buffering and a constant csat are neither necessary nor sufficient for noise reduction to be effective. Clarity about these concepts is important for studying the role of condensates in controlling cellular noise and for the interpretation of concentration relationships in cells. A record of this paper’s transparent peer review process is included in the supplemental information.

 

요약

 

1. 농도 완충(concentration buffering)과 잡음 감소(noise reduction)의 개념 구분: 연구진은 농도 완충과 잡음 감소가 동일한 개념이 아님을 비평형(Non-equilibrium) 조건에서 수리적으로 분석하였습니다. 기존 연구에서는 농도 완충이 잡음 감소를 유도할 것이라 가정했으나, 본 연구에서는 두 개념이 독립적이며 서로 다르게 작용할 수 있음을 보였습니다.
2. 포화 농도(csaturation)와 잡음 감소의 관계 분석: 다성분(multicomponent) 시스템에서는 고정된 포화 농도(csaturation)가 없더라도 잡음 감소 효과가 유지될 수 있음을 확인하였습니다. 반대로, 고정된 포화 농도가 있다고 해서 잡음이 반드시 감소하는 것은 아니며, 잡음 감소는 분자 동역학 및 열역학적 성질에 의해 결정됨을 입증하였습니다.
3. 세포 내 비평형 상태에서의 농도 완충과 잡음 감소 분석: 기존 연구들은 평형 상태에서 농도 완충이 잡음 감소를 유도한다고 주장했지만, 본 연구에서는 세포 내 실제 환경에서는 비평형 동역학이 존재하며, 이로 인해 농도 완충과 잡음 감소가 독립적으로 작용할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 입증하였습니다.
4. 이론적 모델을 활용한 잡음 감소 메커니즘 제시: 연구진은 다성분 생체 응축체(biomolecular condensates)에서 농도 변화가 어떻게 잡음 감소에 영향을 미치는지 수리적으로 모델링하였습니다. 이를 통해 농도 완충이 없는 시스템에서도 잡음 감소가 효과적으로 발생할 수 있는 특정 조건을 밝혀냈습니다.
5. 생물학적 응용 및 세포 내 농도 조절 연구에 미치는 영향: 본 연구는 세포 내 분자 농도의 조절 방식이 기존의 단순한 농도 완충 개념만으로는 설명될 수 없음을 시사하며, 잡음 감소의 효과적인 제어를 위해서는 비평형 동역학을 고려한 새로운 접근법이 필요함을 강조합니다. 이는 생체 응축체 연구 및 세포 내 신호 조절 메커니즘을 연구하는 데 중요한 시사점을 제공합니다.