数学模型解码蛋白质相互作用以显示凝聚物如何形成

生物细胞是蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物的极其复杂的混合物。两位 RIKEN 研究人员开发的一个模型有助于解释为什么同一类型的成分有时会自发聚集在一起形成微小液滴(称为凝聚物)，有时不会。这项研究发表在《物理评论 X》上。

日本理化学研究所生物系统动力学研究中心 (BDR) 的 Kyogo Kawaguchi 解释道：“细胞含有多个凝聚物，它们是未被膜包裹的细胞器。”

冷凝物通过相分离过程自发形成。“可以把它想象成沙拉酱中油和水的分离，”川口说。

凝聚物至关重要，因为它们通过将特定分子集中在同一区域来帮助组织细胞。它们还为基因调控、应激反应和信号转导等重要细胞过程创建枢纽。如果没有凝聚物，这些过程就会效率低下甚至无法正常运作。

已知蛋白质序列中内在无序的区域在凝聚物形成中起着重要作用。这些区域已被广泛研究，但它们究竟如何参与凝聚物的形成至今仍不清楚。

这种共存类型的凝聚态物质自发分离的过程被称为脱混。这些脱混凝聚态物质即使发生碰撞也不会合并或混合。

脱混的反面是超混合：不同的成分在单一冷凝物中保持混合，因为它们更喜欢保持这种状态，而不是单独存在。

“我们想要解决的关键问题是，我们是否可以根据氨基酸(蛋白质的有机组成部分)的顺序预测两个或多个无序蛋白质序列是否会分离或过度混合，”川口说。“我们正在寻找一本规则手册，来控制蛋白质序列如何决定凝聚物的行为。”

现在，Kawaguchi 和 BDR 的同事 Kyosuke Adachi 已经模拟了人类蛋白质中 200 多个内在无序区域中的凝聚物形成。他们通过进行分子动力学模拟实现了这一目标。

“分子动力学模拟使用计算机来模拟原子和分子的运动和相互作用，”川口解释说。“它们使我们能够研究分子随时间的变化——它们如何相互作用，以及它们形成什么样的结构。”

利用这些数据，两人开发了一个理论框架，该框架利用氨基酸相互作用的信息来预测序列分离或超混合的趋势。然后，他们对框架进行了微调，直到在运行模拟之前就能估计出模拟的结果。

“我们通过设计新的蛋白质序列验证了我们的理论，这些序列在模拟中成功地从给定序列中分离出来，证明了它的预测能力。”

川口说：“下一步是通过实验检验我们的预测，在现实世界中验证我们的理论。”