Ключевая роль растворителя в образовании конденсатов: картирование воды при жидкостно-жидкостном фазовом разделении FUS

Образование биомолекулярных конденсатов посредством жидкостно-жидкостного фазового разделения (ЖЖФР) стало общим принципом клеточной биологии, обеспечивающим компартментализацию и пространственно-временную регуляцию динамических клеточных процессов. Белки, образующие конденсаты в физиологических условиях, часто содержат внутренне неупорядоченные области с доменами низкой сложности. Среди них особое внимание исследователей привлекают РНК-связывающие белки FUS и TDP-43, поскольку аномальное образование конденсатов и агрегация этих белков связаны с такими нейродегенеративными заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз и лобно-височная деменция. При ЖЖФР образуются богатые белком конденсаты, окружённые разбавленным водным раствором. Само по себе ЖЖФР энтропийно неблагоприятно. Одним из важных факторов компенсации энтропийных затрат служат энергетически выгодные многовалентные взаимодействия между белками. Согласно другой гипотезе, этому способствует высвобождение в объёмную фазу предварительно упорядоченной воды гидратной оболочки, энтропийно неблагоприятной в связанном состоянии. Мы использовали спектроскопию нарушенного полного внутреннего отражения в терагерцовом диапазоне, чтобы охарактеризовать изменения сети водородных связей при обогащении капель, образовавшихся в результате ЖЖФР, белком FUS и получить экспериментальные данные о ключевой роли растворителя как движущей силы процесса. По данным флуоресцентных измерений, концентрация FUS внутри капель ЖЖФР достигала 2,0 мМ независимо от исходной концентрации белка в растворе — 5 или 10 мкМ. Терагерцовая спектроскопия выявила обезвоживание гидрофобных боковых цепей FUS при фазовом разделении. Таким образом, высвобождение в объёмную фазу популяций воды, энтропийно неблагоприятных в связанном состоянии, происходит одновременно с энтальпийно выгодными взаимодействиями между белками. Оба изменения энергетически выгодны; наше исследование показывает, что оба фактора вносят вклад в термодинамическую движущую силу фазового разделения.