Uptake of complex solutes into polyelectrolyte complexes

Abstract

Liquid-liquid phase separation in solutions of charged macromolecules, and the subsequent partitioning of different solutes between the emergent complex coacervate (polymer-rich) and supernatant (polymer-poor) phases, have been shown to be capable of sequestering proteins depending on their net charge. Owing to this ability, complex coacervates have been proposed as a model system for membraneless organelles where the sequestration of proteins or other solute molecules is key to their biological function. At the same time, it has been demonstrated that the phase stability of coacervates formed by polyelectrolytes with different charge patterning - the spatial distribution of charges along the chain - can vary greatly with this parameter. Consequently, we expect that the charge patterning on a solute molecule will similarly affect its electrostatic interaction with the complex coacervate and ultimately its distribution coefficient in the supernatant/coacervate system. To investigate this, we use a coarse-grained model to simulate a system consisting of an equal number of polycationic and polyanionic chains forming the coacervate, alongside a polyampholyte chain with zero net charge and varying charge patterning as the solute. Using umbrella sampling, we have determined the potential of mean force (PMF) for...

Je známo, že separace kapalina-kapalina v roztocích nabitých makromolekul a následné rozdělování různých solutů mezi vznikající komplexní koacervát (fáze bohatá na polymer) a supernatantem (fáze chudá na polymer) lze využít k sekvestraci proteinů na základě jejich celkového náboje. Díky této schopnosti byly komplexní koacerváty navrženy jako modelový systém pro bezmembránové organely, kde je sekvestrace proteinů nebo jiných molekul klíčem k jejich biologické funkci. Zároveň bylo prokázáno, že fázová stabilita koacervátů tvořených polyelektrolyty s různým prostorovým rozložením nábojů podél řetězce se může v závislosti na tomtu parametru značně lišit. V důsledku toho očekáváme, že uspořádání nábojů na molekule solutu podobně ovlivní její elektrostatickou interakci s komplexním koacervátem a v konečném důsledku i její distribuční koeficient v systému supernatant/koacervát. Abychom to prozkoumali, použili jsme hrubozrnný model k simulaci systému sestávajícího ze stejného počtu polykationtových a polyanionických řetězců tvořících koacervát, spolu s polyamfolytovým řetězcem s nulovým celkovým nábojem a proměnlivým uspořádáním náboje jako solutem. Pomocí umbrella samplingu jsme určili potenciál střední síly (PMF) pro soluty jak v supernatantu, tak v koacervátu. Naše výsledky ukazují, že soluty s vysoce...