Designer protein assemblies with tunable phase diagrams in living cells

蛋白质-蛋白质相互作用 模块化(生物学) 相图 相(物质) 生命系统 生物系统 纳米技术 生物物理学 化学 计算生物学 计算机科学 材料科学 生物 细胞生物学 遗传学 人工智能 有机化学
作者
Meta Heidenreich,Joseph M. Georgeson,Emanuele Locatelli,Lorenzo Rovigatti,Saroj Kumar Nandi,Avital Steinberg,Yotam Nadav,Eyal Shimoni,S. A. Safran,Jonathan P. K. Doye,Emmanuel D. Levy
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:16 (9): 939-945 被引量:98
标识
DOI:10.1038/s41589-020-0576-z
摘要

Protein self-organization is a hallmark of biological systems. Although the physicochemical principles governing protein–protein interactions have long been known, the principles by which such nanoscale interactions generate diverse phenotypes of mesoscale assemblies, including phase-separated compartments, remain challenging to characterize. To illuminate such principles, we create a system of two proteins designed to interact and form mesh-like assemblies. We devise a new strategy to map high-resolution phase diagrams in living cells, which provide self-assembly signatures of this system. The structural modularity of the two protein components allows straightforward modification of their molecular properties, enabling us to characterize how interaction affinity impacts the phase diagram and material state of the assemblies in vivo. The phase diagrams and their dependence on interaction affinity were captured by theory and simulations, including out-of-equilibrium effects seen in growing cells. Finally, we find that cotranslational protein binding suffices to recruit a messenger RNA to the designed micron-scale structures. A synthetic phase separation system consisting of two protein components with tunable parameters was developed to visualize and characterize phase diagrams in living cells, revealing that increasing the interaction affinity enhances phase separation and the viscosity of condensates in vivo.
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