Liquid-Liquid Phase Separation in a Minimal Explicit-Solvent Lattice Model Mimicking Protein Solutions

기술 요약: 단백질 용액을 모방한 최소 명시적 용매 격자 모델에서의 액체 - 액체 상 분리

문제 제기
액체 - 액체 상 분리 (LLPS) 를 통해 형성된 생체 분자 응집체는 세포 기능에 필수적이지만, 그 조립 및 합리적 설계 원리는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 용매 특성과 세포 내 이질성 (혼잡) 이 LLPS 를 어떻게 조절하는지에 대한 이해에는 상당한 격차가 존재하며, 특히 구조 의존적 단백질 상태와 환경 요인 간의 상호작용에 관해서는 더욱 그렇습니다. 이전 연구들은 암시적 용매 모델을 활용했으나, 이러한 모델들은 종종 구조 변화를 통해 용매가 상호작용을 조절하는 구체적인 메커니즘을 포착하지 못합니다. 또한, 세포 내 환경은 본질적으로 이질적이며 활성 과정으로 인해 종종 비평형 상태이므로, 상부 임계 용액 온도 (UCST), 하부 임계 용액 온도 (LCST), 폐쇄 루프, 그리고 재진입 전이와 같은 복잡한 상 거동을 설명하기 위해 용매와 정적 무질서 (혼잡체) 를 명시적으로 고려한 모델이 필요합니다.

방법론
저자들은 불순이 있는 (quenched disorder) 해밀토니안을 기반으로 최소 명시적 용매 격자 - 가스 (LG) 모델을 개발했습니다.

• 시스템 표현: 단백질은 두 가지 내부 구조 상태, 즉 비축퇴 기저 상태 ("네이티브", n) 와 축퇴 여기 상태 ("펼쳐진", u) 를 가진 입자로 모델링됩니다. 용매는 단백질 단위의 배제 부피와 동일한 거시적 부피 요소로 정의된 격자 사이트를 점유하는 입자로 표현됩니다. 정적 무질서 (혼잡체) 는 단백질 및 용매와 상호작용하지만 이동하지 않는 고정된 입자 군집으로 구현됩니다.
• 해밀토니안: 시스템 에너지는 구조 상태에 의존하는 단백질 - 단백질 상호작용, 단백질 - 용매 상호작용, 단백질 - 혼잡체 상호작용, 용매 - 용매 상호작용, 그리고 혼잡체 - 용매 상호작용에 대한 항을 포함합니다. 또한 구조 상태 간의 내부 에너지 차이도 포함됩니다.
• 시뮬레이션: 정준 앙상블에서의 몬테카를로 시뮬레이션이 사용되었습니다. 동역학에는 카와사키 교환 (입자 이동) 과 메트로폴리스 여기/탈여기 (구조 간 전환) 가 포함되었습니다. 평형 및 비평형 (구동) 조건 모두 탐구되었습니다.
• 매개변수: 연구는 동종 단백질 - 단백질 및 용매 - 용매 상호작용을 고정하면서 이종 상호작용 매개변수 (단백질 - 용매 및 단백질 - 혼잡체) 를 체계적으로 변화시켰습니다. 단일 성분 단백질 시스템과 이원 단백질 혼합물 모두 분석되었습니다.

주요 기여 및 결과

1. 단일 성분 시스템의 상 거동:

   • 이 모델은 다양한 단백질 - 용매 상호작용 하에서 재진입, UCST, 그리고 폐쇄 루프(LCST 와 UCST 를 모두 포함) 거동을 포함한 다양한 상 다이어그램을 성공적으로 재현합니다.
   • 재진입 거동: 특정 단백질 - 용매 상호작용 강도가 조절될 때 관찰됩니다. 시스템은 고온에서 네이티브 우세 분리 상태 (P1) 에서 혼합 상태 (P2) 로 전이한 후, 펼쳐진 우세 분리 상태 (P3) 로, 그리고 매우 높은 온도에서 균질 상태 (P4) 로 최종 전이합니다. 이는 온도 상승에 따른 네이티브에서 펼쳐진 상태로의 구조 인구 분포의 급격한 변화가 지배적인 상호작용 에너지 규모를 변경함으로써 유도됩니다.
   • 메커니즘: 이러한 전이의 기원은 구조 의존적 단백질 - 단백질 상호작용과 단백질 - 용매 상호작용 간의 경쟁에 기인합니다. 단백질 - 용매 상호작용 강도를 증가시키면 일반적으로 임계 용액 온도가 낮아져 용해도가 향상됩니다.
   • 비평형 효과: 연구는 비평형 조건 (활성 세포 소음 시뮬레이션) 이 용매 상호작용과 함께 조절 매개변수로 작용하여 상 거동을 형성하는 데 핵심적인 역할을 한다고 지적합니다.

2. 불순 (혼잡체) 의 역할:

   • 정적 불순물 (혼잡체) 의 도입은 상 다이어그램의 근본적인 위상학을 반드시 변경하지는 않지만 응집체의 형태를 현저히 변화시킵니다.
   • 형태적 다양성: 단백질 - 혼잡체 상호작용의 상대적 강도 ($J_{cn}$ 대 $J_{cu}$) 에 따라 모델은 부분적 젖음, 완전 젖음, 그리고 분리된(탈젖음) 형태를 나타냅니다.
   • 차폐 효과: 네이티브 단백질과 혼잡체 간의 강한 상호작용은 혼잡체 표면을 "차폐"하여 펼쳐진 단백질이 군집을 젖는 것을 방지하고, 분리된 응집체를 유도합니다.

3. 이원 단백질 혼합물:

   • 혼잡체가 없는 이원 혼합물 (단백질 A 와 B) 에서 시스템은 부분적으로 젖은, 완전히 젖은, 분리된, 그리고 연관된 다양한 형태를 나타냅니다.
   • 민감도: 이러한 형태는 단백질 - 용매 상호작용 강도에 미세하게 민감합니다. 한 단백질 유형의 용매와의 상호작용 강도를 증가시키면 완전히 젖은 상 및 연관 상의 안정성 영역은 축소되는 반면, 분리된 상은 확장됩니다.
   • 혼잡체 존재 시: 불순의 존재는 경쟁적 젖음, 선택적 탈젖음 등 더 넓은 스펙트럼의 복잡한 형태를 도입합니다. 이종 단백질 - 단백질, 단백질 - 용매, 그리고 단백질 - 혼잡체 상호작용 간의 상호작용이 군집이 완전히 젖는지, 부분적으로 젖는지, 아니면 특정 단백질 종이 군집 표면에서 배제되는지를 결정합니다.

의의 및 주장
본 논문은 이 최소 명시적 용매 모델이 단백질 - 용매 및 단백질 - 혼잡체 상호작용이 단백질 - 단백질 상호작용과 결합하여 응집체 형태와 안정성을 조절하는 핵심 조절 매개변수로 작용하는 방식을 이해하기 위한 강력한 틀을 제공한다고 주장합니다.

• 설계 원리: 이 연구는 용매 특성 (또는 용매 친화도를 변경하기 위한 단백질 서열) 을 조절하고 세포 내 이질성을 고려하는 것이 자극 반응성 응집체를 설계하는 데 필수적임을 강조합니다.
• 메커니즘적 통찰: 이는 재진입과 같은 비정상적인 상 거동이 구조 인구 분포 변화와 상호작용 에너지 규모 간의 미묘한 균형에서 비롯됨을 규명합니다.
• 향후 방향: 저자들은 이러한 통찰이 특정 생체 분자 응집체 형태를 공학하기 위한 향후 계산 및 실험 연구를 안내할 수 있다고 제안합니다. 그들은 다중 내부 상태 (예: q-상태 포츠 모델을 통해) 를 포함하도록 모델을 확장하고 동적 이질성을 통합하는 것이 논리적인 다음 단계라고 제안합니다.

이 연구는 다성분 이질성 매질 내에서 이러한 특정 상호작용들의 상호작용이 생물학적 시스템에서 관찰되는 복잡한 상 거동을 생성하기에 충분하며, 생체 분자 공학에서의 합리적 설계로 이어지는 경로를 제공한다고 결론지었습니다.