Exploring the Physics of Polymer-Assisted Condensation: A Polymer Physics Concept for Biomolecular Condensates

探索聚合物辅助缩合的物理原理:生物分子缩合的聚合物物理概念

基本信息

项目摘要

Biomolecular condensates are formed by local phase separation of proteins interacting with large biopolymers such as RNA or DNA. Understanding their formation and properties is intrinsically linked to the physics of polymers in complex solvent mixtures. The applicants have developed a generic model for biomolecular condensates in which phase separation of a solvent mixture (protein-water mixture in biological systems) is caused by a weak selective interaction with the polymer (DNA or RNA in biological systems). This "polymer-assisted condensation" could be demonstrated by molecular dynamics simulations. The model can explain in a particular way fundamental properties of chromatin condensates (heterochromatin). In this project we want to investigate several aspects of the physics of this class of polymer condensates both mathematically-analytically and in computer simulations. The focus here is on the influence of external forces on the condensate, its adsorption on surfaces, coalescence effects, and the generalization of the model to systems with more than two solvent components. The results of our project are of interest to both biophysics and classical polymer physics. Solvent mixtures can enable switching processes in polymer materials such as brushes and networks, as in the well known "co-nonsolvency" effect. Theoretical modeling will be based on well-established free-energy models of the mixtures, and molecular dynamics simulations mainly using coarsened models for polymers and solvent components.
生物分子凝聚物是由蛋白质与大的生物聚合物如RNA或DNA相互作用的局部相分离形成的。了解它们的形成和性质与复杂溶剂混合物中聚合物的物理性质有着内在的联系。申请人已经开发了一种生物分子缩合物的通用模型,其中溶剂混合物(生物系统中的蛋白质-水混合物)的相分离是由与聚合物(生物系统中的DNA或RNA)的弱选择性相互作用引起的。这种“聚合物辅助缩合”可以通过分子动力学模拟来证明。该模型能够以一种特殊的方式解释染色质凝聚物(异染色质)的基本性质。在这个项目中,我们要调查的几个方面的物理这类聚合物凝聚体的分析和计算机模拟。这里的重点是外力对冷凝物的影响,其在表面上的吸附,聚结效应,以及该模型的推广到两个以上的溶剂组分的系统。我们的项目的结果是感兴趣的生物物理学和经典聚合物物理。溶剂混合物可以在聚合物材料如刷子和网络中实现切换过程,如众所周知的“共不溶”效应。理论建模将基于成熟的混合物的自由能模型,以及主要使用聚合物和溶剂组分的粗化模型的分子动力学模拟。

项目成果

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