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在蛋白质相分离研究中，为探究稀相和密相之间相互作用差异的难题，华盛顿大学研究人员开展 “Backbone-mediated weakening of pairwise interactions enables percolation in peptide-based mimics of protein condensates” 主题研究。结果发现肽骨干在稀相增强、密相削弱相互作用，使密相形成渗透网络流体，这为理解蛋白质凝聚物提供了新视角。
在生命的微观世界里，蛋白质就像一群忙碌的小工匠，它们通过相分离形成生物分子凝聚物，在细胞中发挥着各种关键作用。然而，目前关于这些凝聚物在稀相和密相之间的相互作用，科学家们还存在许多疑惑。比如，为何在不同相态下，蛋白质间的相互作用会有如此大的差异？这种差异又如何影响凝聚物的性质和功能？为了揭开这些谜团，来自美国华盛顿大学（Washington University）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为我们理解蛋白质凝聚物的奥秘提供了重要线索。
研究人员运用了多种技术方法来开展这项研究。其中，最关键的是分子动力学模拟技术，借助这一技术，他们能够在原子层面观察和分析分子间的相互作用。此外，他们还使用了 AMOEBA 极化力场，该力场通过高级量子计算进行参数化，能够更准确地模拟蛋白质原子、水分子和溶液离子间的相互作用，从而为研究提供了可靠的理论支持。
研究结果如下：
- 稀相 PMFs 遵循明确等级：研究人员计算了模拟不同相互作用的模型化合物对的稀相 PMFs（平均力势，Potential of Mean Force）。结果显示，不同模型化合物对的 PMFs 呈现出不同的特征，如 Y′-Y′ 的 PMF 有两个最小值，分别对应堆叠结构和 T 形结构；F′-F′和 W′-W′的 PMF 各有一个最小值。通过计算排除体积（vex），发现相互作用强度的等级为W′?W′>R′?W′>Y′?Y′>F′?F′>R′?Y′>R′?F′ ，且赖氨酸（Lys）与芳香族残基的相互作用可忽略不计或略微排斥。而对于 capped amino acids（封端氨基酸），虽然相互作用的最小值位置与模型化合物相同，但所有侧链对的阱深度增加，还出现了辅助最小值，表明骨干介导的长程接触增强了稀相侧链间的吸引力。
- 模型化合物在密相形成纳米尺度簇：在密相模拟中，研究人员发现与稀相相比，模型化合物的相互作用发生了变化。例如，Y′?Y′ 相互作用的能量变化最小，F′?F′ 的 T 形结构在密相更稳定，且在不同比例的 R′与芳香族模型化合物混合物中，出现了纳米尺度的聚集和长程有序现象。同时，R′与不同芳香族残基的相互作用也有所不同，如R′?Y′ 相互作用在密相更稳定，但对 R′:Y′比例不敏感，而R′?F′ 和R′?W′ 相互作用则受比例影响较大。
- 封端氨基酸密相中的成对相互作用减弱：对封端氨基酸混合物的模拟表明，在密相中，成对相互作用减弱，且随着浓度增加，减弱程度增大。计算不同浓度下的vex发现，对于相同的侧链对，基于模型化合物的密相模拟中vex 增大，而封端氨基酸的vex 减小。此外，较长肽（如 GRG 和 GYG 三肽）的模拟结果也显示，骨干构象的限制会削弱成对相互作用。
- 封端氨基酸模拟的密相形成渗透网络流体：通过对分子连通性的分析，研究人员发现封端氨基酸模拟的密相在浓度增加时，连通性单调增加，形成了跨越整个系统的渗透网络。这表明，虽然密相中的成对相互作用减弱，但高阶相互作用的增强弥补了这一损失，形成了具有流体特征的渗透网络。同时，对接触动力学的分析发现，不同氨基酸接触的半衰期不同，Y–Y 相互作用的寿命最长，R–R 相互作用最短，且网络结构在 10 ns 后达到平衡并不断重组。
研究结论和讨论部分指出，该研究量化了肽基凝聚物稀相和密相模拟物中芳香族和阳离子侧链成对相互作用的差异。研究发现，对于自由扩散的模型化合物，密相存在长程有序和纳米尺度芳香族簇；而对于封端氨基酸，骨干介导的相互作用会削弱侧链间的成对相互作用，促进渗透网络的形成。这一结果揭示了 PLCD - 样系统相分离的驱动力，即稀相中的强成对相互作用驱动多肽进入密相，而密相中的相互作用模式则因骨干的存在而改变。此外，研究还发现稀相和密相的相互作用不同，这会产生包括粘弹性和相间电化学势在内的相间特性差异。同时，肽骨干通过引入竞争的定向相互作用（如氢键）使密相流体化，避免了类似模型化合物密相的结晶转变。该研究强调了骨干介导相互作用在驱动密相中的重要性，为后续研究提供了新的思路和方向，有助于进一步理解蛋白质凝聚物的形成机制和功能，在生命科学领域具有重要的意义。
