Controlling biomolecular condensates via chemical reactions.
Controlling biomolecular condensates via chemical reactions.
复制标题
通过化学反应控制生物分子凝聚物。
DOI：
10.1098/rsif.2021.0255
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发表时间：
2021-06
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Zwicker D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kirschbaum J;Zwicker D
生物分子凝聚物是在生物细胞中通过相分离自发形成的小液滴。它们在许多细胞过程中发挥作用，但尚不清楚细胞如何控制它们。细胞调节通常依赖于蛋白质的翻译后修饰。对于生物分子缩合物，这种化学修饰可以改变关键缩合物组分的分子相互作用。在这里，我们使用基于非平衡态热力学的理论模型来测试这个想法。特别是，我们用过渡态理论描述的化学反应，占非理想的相分离。我们确定，快速控制，如在细胞信号，只有当外部能量输入驱动的反应平衡。如果这种反应在液滴内部和外部不同，甚至可以控制液滴大小。反应中的这种不平衡可能是由酶定位于液滴而产生的。由于这种情况是典型的细胞内，我们推测，我们提出的机制是用来稳定多个液滴独立控制的大小和计数。我们的模型提供了一个新的和物理上一致的框架来描述液滴的非平衡化学反应。
Biomolecular condensates are small droplets forming spontaneously in biological cells through phase separation. They play a role in many cellular processes, but it is unclear how cells control them. Cellular regulation often relies on post-translational modifications of proteins. For biomolecular condensates, such chemical modifications could alter the molecular interaction of key condensate components. Here, we test this idea using a theoretical model based on non-equilibrium thermodynamics. In particular, we describe the chemical reactions using transition-state theory, which accounts for the non-ideality of phase separation. We identify that fast control, as in cell signalling, is only possible when external energy input drives the reaction out of equilibrium. If this reaction differs inside and outside the droplet, it is even possible to control droplet sizes. Such an imbalance in the reaction could be created by enzymes localizing to the droplet. Since this situation is typical inside cells, we speculate that our proposed mechanism is used to stabilize multiple droplets with independently controlled size and count. Our model provides a novel and thermodynamically consistent framework for describing droplets subject to non-equilibrium chemical reactions.
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