相分离是高分子物理中一种常见的现象，涉及两种或多种不同相的形成。近年来，越来越多的实验和研究表明，相分离在生命科学领域同样具有重要意义。例如，在细胞核内遗传物质的三维空间折叠、无膜细胞器的形成以及神经退行性疾病的病理变化中，生物大分子的相分离发挥着关键作用。天然无序蛋白（Intrinsically Disordered Proteins, IDPs）因其高度柔性、高电荷性和无稳定折叠的特性，是相分离的主要参与者。然而，关于IDP如何驱动相分离的过程，以及相分离所形成凝聚体的性质，仍然存在许多未知之处。
研究团队采用粗粒化分子动力学模拟方法，重点研究了两极性IDP的相分离过程，深入探讨了凝聚体的热力学、动力学以及相分离形成的动力学特性。我们发现，随着IDP链相互作用强度的增强，凝聚体的热稳定性也随之增加。然而，凝聚体内部IDP链的结构特征并未随盐浓度、温度或链相互作用强度的变化而发生显著变化（见图1）。
图1. IDP相分离的热力学性质。
由于凝聚体内部的高浓度和高粘性影响，IDP链在凝聚体中的扩散速率低于其在自由状态下的扩散速率。通过计算IDP链构象变化的动力学时间，我们发现，凝聚体内IDP链的全局构象调整速率远远慢于自由状态下的调整速率，但在短时间尺度上，构象调整的幅度差异不大（见图2）。
图2. 相分离凝聚体内和自由状态下IDP链的扩散速率和构象调整速率的比较。
通过对相分离形成过程的模拟，我们发现，凝聚体的形成速率并未随着IDP链相互作用强度的增强而单调增加。这表明凝聚体的热稳定性与其形成速率之间存在非单调关系（见图3）。进一步研究IDP链的结构特征表明，在相分离过程中，IDP链需要打开自身构象，而较强的链相互作用会减慢构象打开的过程，从而影响相分离的速率。该研究为理解相分离的热力学与动力学特性提供了新的见解。
图3. 相分离中凝聚体形成过程的动力学性质。
团队介绍
第一作者：张国庆
香港科技大学(广州)功能枢纽先进材料学域博士研究生，主要从事生物大分子相分离相关模拟研究。
通讯作者：楚夏昆
香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授，香港科技大学生命科学学院联署助理教授。研究方向为理论与计算生物物理学，专注于开发多尺度分子动力学模拟方法，并结合统计物理理论和实验数据，探索生物大分子结构、动力学与功能之间的关系。以第一/通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、Phys. Rev. Lett.、Appl. Phys. Rev.、Adv. Sci.、eLife等国际顶尖期刊上发表论文30余篇，主持国家、省市级科研项目6项。同时，担任中国生物信息学学会（筹）生物分子结构预测与模拟专业委员会委员及J. Mol. Cell Biol.等多家学术期刊的编委。
团队网址：https://xiakunchu.people.ust.hk/
文章信息
Balancing thermodynamic stability, dynamics, and kinetics in phase separation of intrinsically disordered proteins
Guoqing Zhang; Xiakun Chu
J. Chem. Phys. 161, 095102 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0220861
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期刊介绍
The Journal of Chemical Physics是一种国际期刊，刊登现代化学物理学和物理化学所有领域的前沿研究。除研究论文外，JCP还发表关于重大新发现的通讯、关于该领域最新进展的观点或综述、作为学界教育工具的教程和专题集。
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