Liquid-Liquid Phase Separation of HP Lattice Proteins: A Finite-Size Scaling Analysis

Abstract

Biomolecular condensates are dense droplets of proteins and nucleic acids inside living cells that form through a liquid-liquid phase separation (LLPS) process, in which intrinsically disordered proteins (IDPs) often play an important role. Furthermore, it has been shown that several of these IDPs can form similar droplets on their own. Understanding the forces driving the LLPS of IDPs, and how the process depends on the amino acid sequence, is a challenging task. One difficulty is that the systems amenable to computational modelling are limited in size. It is therefore important to analyse and understand how simulated properties depend on the system size. A finite-size scaling theory for droplet formation through phase separation exists. This thesis explores the usefulness of this theory in the study of biomolecular LLPS, using a minimal lattice-based hydrophobic-polar (HP) protein model. By Monte Carlo methods, computer simulations of two HP sequences of length 10 are conducted for a range of system sizes, with up to 640 chains. A finite-size scaling analysis of the simulation results reveals that only one of the two sequences undergoes LLPS. Furthermore, it is found that the temperature at which droplet formation sets in converges slowly to its value for infinite system size. Hence, finite-size scaling analysis is useful both in deciding the phase behaviour of the sequences and in determing the underlying phase diagram.

Popular Abstract (Swedish)

I våra celler finns en rad olika organeller som samlar upp molekyler för att sedan utföra olika uppgifter --- likt mikroskopiska varianter av kroppens organ. Klassiska organeller har ett membran som separerar deras inre från cellens miljö. Det finns också organeller som saknar ett omgivande membran. Dessa droppliknande anhopningar av proteiner och nukleinsyror kallas biomolekylära kondensat. De kan bildas och lösas upp spontant, till följd av exempelvis en ändring i temperatur. Vid bildandet separeras en vätskelik droppe med hög täthet, det biomolekylära kondensatet, från en omgivning som också är vätskelik men har lägre täthet --- tänk en oljedroppe i vatten.

Proteiner är långa kedjor uppbyggda av olika aminosyror, och bestäms av sekvensen av aminosyror längs kedjan. Många proteiner har en kompakt och väldefinierad tredimensionell struktur, som är viktig för funktionen. Det finns dock också proteiner som i sin fungerande form är strukturellt oordnade. Vid bildandet av biomolekylära kondensat har det visat sig att strukturellt oordnade proteiner ofta spelar en central roll. Dessutom har man funnit att vissa av dessa oordnade proteiner har förmågan att bilda likartade droppar på egen hand. Denna förmåga beror på aminosyrasekvensen --- om aminosyrorna kommer i annan ordning längs kedjan kan förmågan gå förlorad. Hur det kommer sig att vissa proteiner har, medan andra inte har, förmågan att bilda denna typ av droppar är viktigt att klarlägga för att förstå mekanismerna bakom bildandet av biomolekylära kondensat inuti celler.

Att modellera bildandet av proteindroppar är en utmaning p.g.a. systemens storlek och komplexitet. För att undersöka de grundläggande drivkrafterna används därför ofta förenklade modeller, där proteiner beskrivs som länkade kedjor av kulor och varje kula representerar en aminosyra, snarare än en enskild atom. I dessa modeller används också en förenklad beskrivning av hur aminosyror attraherar eller repellerar varandra. Med en modell på denna detaljnivå kan datorsimuleringar av relativt stora system utföras. Dock når man inte systemstorlekar motsvarande verkliga proteindroppar. För att kunna dra slutsatser från simuleringarna om droppbildning krävs därför att man analyserar och förstår hur resultaten beror på systemstorleken. För detta ändamål finns lyckligtvis ett teoretiskt ramverk som tidigare har testats med framgång på enkla modeller för kondensation av vanliga vätskedroppar.

I detta examensarbete används detta teoretiska ramverk för att analysera simuleringsresultat för två korta aminosyrasekvenser i en enkel proteinmodell, erhållna för en rad olika systemstorlekar. Resultaten för små system antyder möjligheten att båda dessa sekvenser bildar droppar liknande biomolekylära kondensat. En systematisk analys av systemstorleksberoendet visar dock att så är fallet bara för den ena av de två sekvenserna. För denna sekvens äger vidare droppbildning rum bara när temperaturen understiger ett visst tröskelvärde. Denna tröskeltemperatur visar sig bero relativt starkt på systemstorleken. De teoretiska förutsägelserna gör det möjligt att från simuleringsresultaten på ett kontrollerat sätt uppskatta tröskeltemperaturens värde i stora system.

• author: Ernstsson, Markus
• supervisor: Anders Irbäck
• organization: Computational Biology and Biological Physics - Has been reorganised
• course: FYTM04 20182
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: LLPS, Finite-size scaling, Protein droplets, Biomolecular condensates, Monte Carlo, Lattice gas, Multicanonical simulations, Phase diagram
• language: English
• id: 9005349
• date added to LUP: 2020-03-02 14:42:18
• date last changed: 2020-03-02 14:42:18