Analytical Formulation and Field-Theoretic Simulation of Sequence-Specific Phase Separation of Protein-Like Heteropolymers with Short- and Long-Spatial-Range Interactions

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作者
Jonas Wessén,Suman Das,Tanmoy Pal,Hue Sun Chan
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (45): 9222-9245 被引量:53
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c06181
摘要

A theory for sequence-dependent liquid–liquid phase separation (LLPS) of intrinsically disordered proteins (IDPs) in the study of biomolecular condensates is formulated by extending the random phase approximation (RPA) and field-theoretic simulation (FTS) of heteropolymers with spatially long-range Coulomb interactions to include the fundamental effects of short-range, hydrophobic-like interactions between amino acid residues. To this end, short-range effects are modeled by Yukawa interactions between multiple nonelectrostatic charges derived from an eigenvalue decomposition of pairwise residue–residue contact energies. Chain excluded volume is afforded by incompressibility constraints. A mean-field approximation leads to an effective Flory−Huggins χ parameter, which, in conjunction with RPA, accounts for the contact-interaction effects of amino acid composition and the sequence-pattern effects of long-range electrostatics in IDP LLPS, whereas FTS based on the formulation provides full sequence dependence for both short- and long-range interactions. This general approach is illustrated here by applications to variants of a natural IDP in the context of several different amino-acid interaction schemes as well as a set of different model hydrophobic-polar sequences sharing the same composition. Effectiveness of the methodology is verified by coarse-grained explicit-chain molecular dynamics simulations.
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