Phase separation of intrinsically disordered proteins is important for the formation of membraneless organelles or biomolecular condensates, which play key roles in the regulation of biochemical processes within cells. In this work, we investigated the phase separation of different sequences of a coarse-grained model for intrinsically disordered proteins and discovered a surprisingly rich phase behavior. We studied both the fraction of total hydrophobic parts and the distribution of hydrophobic parts. Not surprisingly, sequences with larger hydrophobic fractions showed conventional liquid–liquid phase separation. The location of the critical point was systematically influenced by the terminal beads of the sequence due to changes in interfacial composition and tension. For sequences with lower hydrophobicity, we observed not only conventional liquid–liquid phase separation but also re-entrant phase behavior in which the liquid phase density decreases at lower temperatures. For some sequences, we observed the formation of open phases consisting of aggregates, rather than a normal liquid. These aggregates had overall lower densities than the conventional liquid phases and exhibited complex geometries with large interconnected string-like or membrane-like clusters. Our findings suggest that minor alterations in the ordering of residues may lead to large changes in the phase behavior of the protein, a fact of significant potential relevance for biology.

1.
J.
Berry
,
C. P.
Brangwynne
, and
M.
Haataja
,
Rep. Prog. Phys.
81
,
046601
(
2018
).
2.
Y.
Shin
,
Y.-C.
Chang
,
D. S.
Lee
,
J.
Berry
,
D. W.
Sanders
,
P.
Ronceray
,
N. S.
Wingreen
,
M.
Haataja
, and
C. P.
Brangwynne
,
Cell
175
,
1481
(
2018
).
3.
Y.
Shin
and
C. P.
Brangwynne
,
Science
357
,
eaaf4382
(
2017
).
4.
S. F.
Banani
,
H. O.
Lee
,
A. A.
Hyman
, and
M. K.
Rosen
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
18
,
285
(
2017
).
5.
L.
Zhu
and
C. P.
Brangwynne
,
Curr. Opin. Cell Biol.
34
,
23
(
2015
).
6.
J.
Berry
,
S. C.
Weber
,
N.
Vaidya
,
M.
Haataja
, and
C. P.
Brangwynne
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
E5237
(
2015
).
7.
V. N.
Uversky
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
44
,
18
(
2017
).
8.
H.-X.
Zhou
,
V.
Nguemaha
,
K.
Mazarakos
, and
S.
Qin
,
Trends Biochem. Sci.
43
,
499
(
2018
).
9.
M.-T.
Wei
,
S.
Elbaum-Garfinkle
,
A. S.
Holehouse
,
C. C.-H.
Chen
,
M.
Feric
,
C. B.
Arnold
,
R. D.
Priestley
,
R. V.
Pappu
, and
C. P.
Brangwynne
,
Nat. Chem.
9
,
1118
(
2017
).
10.
P. E.
Wright
and
H. J.
Dyson
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
16
,
18
(
2015
).
11.
K.
Burke
,
A.
Janke
,
C.
Rhine
, and
N.
Fawzi
,
Mol. Cell
60
,
231
(
2015
).
12.
A.
Molliex
,
J.
Temirov
,
J.
Lee
,
M.
Coughlin
,
A.
Kanagaraj
,
H.
Kim
,
T.
Mittag
, and
J.
Taylor
,
Cell
163
,
123
(
2015
).
13.
W. M.
Babinchak
,
R.
Haider
,
B. K.
Dumm
,
P.
Sarkar
,
K.
Surewicz
,
J.-K.
Choi
, and
W. K.
Surewicz
,
J. Biol. Chem.
294
,
6306
(
2019
).
14.
C.
Koch
,
A. Z.
Panagiotopoulos
,
F. L.
Verso
, and
C. N.
Likos
,
Soft Matter
11
,
3530
(
2015
);
[PubMed]
M. A.
Floriano
,
E.
Caponetti
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
Langmuir
15
,
3143
(
1999
).
15.
S.
Li
,
C.
Yu
, and
Y.
Zhou
,
Sci. Chin. Chem.
62
,
226
(
2019
).
16.
P.
Posocco
,
M.
Fermeglia
, and
S.
Pricl
,
J. Mater. Chem.
20
,
7742
(
2010
).
17.
D.
Dolgov
,
T.
Grigor’ev
,
A.
Kulebyakina
,
E.
Razuvaeva
,
R.
Gumerov
,
S.
Chvalun
, and
I.
Potemkin
,
Polym. Sci., Ser. A
60
,
902
(
2018
).
18.
A. N.
Milin
and
A. A.
Deniz
,
Biochemistry
57
,
2470
(
2018
).
19.
P. R.
Banerjee
,
A. N.
Milin
,
M. M.
Moosa
,
P. L.
Onuchic
, and
A. A.
Deniz
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
11354
(
2017
).
20.
J. R.
Espinosa
,
A.
Garaizar
,
C.
Vega
,
D.
Frenkel
, and
R.
Collepardo-Guevara
,
J. Chem. Phys.
150
,
224510
(
2019
).
21.
J.
Russo
,
J. M.
Tavares
,
P. I. C.
Teixeira
,
M. M.
Telo da Gama
, and
F.
Sciortino
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
085703
(
2011
).
22.
A.
Zilman
and
S.
Safran
,
Phys. Rev. E
66
,
051107
(
2002
).
23.
M.
Tempel
,
G.
Isenberg
, and
E.
Sackmann
,
Phys. Rev. E
54
,
1802
(
1996
).
24.
F.
Zhang
,
M.
Skoda
,
R.
Jacobs
,
S.
Zorn
,
R. A.
Martin
,
C.
Martin
,
G.
Clark
,
S.
Weggler
,
A.
Hildebrandt
,
O.
Kohlbacher
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
101
,
148101
(
2008
).
25.
F.
Zhang
,
S.
Weggler
,
M. J.
Ziller
,
L.
Ianeselli
,
B. S.
Heck
,
A.
Hildebrandt
,
O.
Kohlbacher
,
M. W. A.
Skoda
,
R. M. J.
Jacobs
, and
F.
Schreiber
,
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
78
,
3450
(
2010
).
26.
J.
Möller
,
S.
Grobelny
,
J.
Schulze
,
S.
Bieder
,
A.
Steffen
,
M.
Erlkamp
,
M.
Paulus
,
M.
Tolan
, and
R.
Winter
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
028101
(
2014
).
27.
E.
Jordan
,
F.
Roosen-Runge
,
S.
Leibfarth
,
F.
Zhang
,
M.
Sztucki
,
A.
Hildebrandt
,
O.
Kohlbacher
, and
F.
Schreiber
,
J. Phys. Chem. B
118
,
11365
(
2014
).
28.
J.
McCarty
,
K. T.
Delaney
,
S. P.
Danielsen
,
G. H.
Fredrickson
, and
J.-E.
Shea
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
1644
(
2019
).
29.
J.
Lee
,
Y. O.
Popov
, and
G. H.
Fredrickson
,
J. Chem. Phys.
128
,
224908
(
2008
).
30.
L.
Sawle
and
K.
Ghosh
,
J. Chem. Phys.
143
,
085101
(
2015
).
31.
R. K.
Das
and
R. V.
Pappu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
13392
(
2013
).
32.
S.
Das
,
A. N.
Amin
,
Y.-H.
Lin
, and
H. S.
Chan
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
28558
(
2018
).
33.
A. H.
Mao
,
S. L.
Crick
,
A.
Vitalis
,
C. L.
Chicoine
, and
R. V.
Pappu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
8183
(
2010
).
34.
A.
Vitalis
and
R. V.
Pappu
,
J. Comput. Chem.
30
,
673
(
2009
).
35.
G. H.
Zerze
,
R. B.
Best
, and
J.
Mittal
,
J. Phys. Chem. B
119
,
14622
(
2015
).
36.
G. L.
Dignon
,
W.
Zheng
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
ACS Cent. Sci.
5
,
821
(
2019
).
37.
G. L.
Dignon
,
W.
Zheng
,
R. B.
Best
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
9929
(
2018
).
38.
S.
Qin
and
H.-X.
Zhou
,
J. Phys. Chem. B
120
,
8164
(
2016
).
39.
C.
Miller
,
Y.
Kim
, and
J.
Mittal
,
Biophys. J.
111
,
28
(
2016
).
40.
E. M.
O’Toole
and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
97
,
8644
(
1992
).
41.
V.
Nguemaha
and
H.-X.
Zhou
,
Sci. Rep.
8
,
6728
(
2018
).
42.
P.
Sarangapani
,
S.
Hudson
,
R.
Jones
,
J.
Douglas
, and
J.
Pathak
,
Biophys. J.
108
,
724
(
2015
).
43.
H.
Liu
,
S. K.
Kumar
, and
F.
Sciortino
,
J. Chem. Phys.
127
,
084902
(
2007
).
44.
A.
Ghosh
,
K.
Mazarakos
, and
H.-X.
Zhou
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
,
19474
(
2019
).
45.
T. S.
Harmon
,
A. S.
Holehouse
,
M. K.
Rosen
, and
R. V.
Pappu
,
Elife
6
,
e30294
(
2017
).
46.
J.
Wang
,
J.-M.
Choi
,
A. S.
Holehouse
,
H. O.
Lee
,
X.
Zhang
,
M.
Jahnel
,
S.
Maharana
,
R.
Lemaitre
,
A.
Pozniakovsky
,
D.
Drechsel
,
I.
Poser
,
R. V.
Pappu
,
S.
Alberti
, and
A. A.
Hyman
,
Cell
174
,
688
(
2018
).
47.
Y.-H.
Lin
,
J. D.
Forman-Kay
, and
H. S.
Chan
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
178101
(
2016
).
48.
Y.-H.
Lin
and
H. S.
Chan
,
Biophys. J.
112
,
2043
(
2017
).
49.
M. W.
Matsen
,
Macromolecules
45
,
2161
(
2012
).
50.
J.
Zhang
,
R.
Deubler
,
M.
Hartlieb
,
L.
Martin
,
J.
Tanaka
,
E.
Patyukova
,
P. D.
Topham
,
F. H.
Schacher
, and
S.
Perrier
,
Macromolecules
50
,
7380
(
2017
).
51.
C. M.
Bates
and
F. S.
Bates
,
Macromolecules
50
,
3
(
2017
).
52.
W. G.
Levine
,
Y.
Seo
,
J. R.
Brown
, and
L. M.
Hall
,
J. Chem. Phys.
145
,
234907
(
2016
).
53.
F. S.
Bates
,
M. A.
Hillmyer
,
T. P.
Lodge
,
C. M.
Bates
,
K. T.
Delaney
, and
G. H.
Fredrickson
,
Science
336
,
434
(
2012
).
54.
L.
Wu
,
E. W.
Cochran
,
T. P.
Lodge
, and
F. S.
Bates
,
Macromolecules
37
,
3360
(
2004
).
55.
T.
Pakula
and
K.
Matyjaszewski
,
Macromol. Theory Simul.
5
,
987
(
1996
).
56.
M. E.
Gindy
,
R. K.
Prud’homme
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
128
,
164906
(
2008
).
57.
V.
Hugouvieux
,
M. A. V.
Axelos
, and
M.
Kolb
,
Macromolecules
42
,
392
(
2009
);
V.
Hugouvieux
,
M. A.
Axelos
, and
M.
Kolb
,
Soft Matter
7
,
2580
(
2011
).
58.
J. D.
Weeks
,
D.
Chandler
, and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
54
,
5237
(
1971
).
59.
J.
Glaser
,
T. D.
Nguyen
,
J. A.
Anderson
,
P.
Lui
,
F.
Spiga
,
J. A.
Millan
,
D. C.
Morse
, and
S. C.
Glotzer
,
Comput. Phys. Commun.
192
,
97
(
2015
);
J. A.
Anderson
,
C. D.
Lorenz
, and
A.
Travesset
,
J. Comput. Phys.
227
,
5342
(
2008
).
60.
G. J.
Martyna
,
D. J.
Tobias
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
101
,
4177
(
1994
).
61.
J. S.
Rowlinson
and
B.
Widom
,
Molecular Theory of Capillarity
(
Clarendon Press
,
Oxford
,
1982
).
62.
K. S.
Silmore
,
M. P.
Howard
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
Mol. Phys.
115
,
320
(
2017
).
63.
P. J.
Flory
,
J. Chem. Phys.
10
,
51
(
1942
);
M. L.
Huggins
,
J. Phys. Chem.
46
151
(
1942
).
64.
A. S.
Holehouse
and
R. V.
Pappu
,
Biochemistry
57
,
2415
(
2018
).
65.
D.
Bracha
,
M. T.
Walls
,
M.-T.
Wei
,
L.
Zhu
,
M.
Kurian
,
J. L.
Avalos
,
J. E.
Toettcher
, and
C. P.
Brangwynne
,
Cell
175
,
1467
(
2018
).
66.
Y.-H.
Lin
,
J. P.
Brady
,
J. D.
Forman-Kay
, and
H. S.
Chan
,
New J. Phys.
19
,
115003
(
2017
).
67.
H.
Hofmann
,
A.
Soranno
,
A.
Borgia
,
K.
Gast
,
D.
Nettels
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
16155
(
2012
).
68.
J. A.
Riback
,
C. D.
Katanski
,
J. L.
Kear-Scott
,
E. V.
Pilipenko
,
A. E.
Rojek
,
T. R.
Sosnick
, and
D. A.
Drummond
,
Cell
168
,
1028
(
2017
).
69.
E.
Helfand
,
S. M.
Bhattacharjee
, and
G. H.
Fredrickson
,
J. Chem. Phys.
91
,
7200
(
1989
).
70.
J. S.
Rowlinson
and
B.
Widom
,
Molecular Theory of Capillarity
(
Courier Corporation
,
2013
).
71.
T. S.
Jain
and
J. J.
de Pablo
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
155505
(
2004
).
72.
A.
Stukowski
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
015012
(
2009
).
73.
T. J.
Nott
,
E.
Petsalaki
,
P.
Farber
,
D.
Jervis
,
E.
Fussner
,
A.
Plochowietz
,
T. D.
Craggs
,
D. P.
Bazett-Jones
,
T.
Pawson
,
J. D.
Forman-Kay
, and
A. J.
Baldwin
,
Mol. Cell
57
,
936
(
2015
).
74.
R.
Wu
,
M.
Deng
,
B.
Kong
, and
X.
Yang
,
J. Phys. Chem. B
113
,
15010
(
2009
).
75.
J.
Kuldová
,
P.
Košovan
,
Z.
Limpouchová
, and
K.
Procházka
,
Macromol. Theory Simul.
22
,
61
(
2013
).
77.
J. V.
Sheth
,
V.
Sahni
,
S. F.
Shandarin
, and
B. S.
Sathyaprakash
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
343
,
22
(
2003
).
78.
A.
Putnam
,
M.
Cassani
,
J.
Smith
, and
G.
Seydoux
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
26
,
220
(
2019
).
79.
S.
Jain
,
J.
Wheeler
,
R.
Walters
,
A.
Agrawal
,
A.
Barsic
, and
R.
Parker
,
Cell
164
,
487
(
2016
).
80.
F.
Chiti
and
C. M.
Dobson
,
Annu. Rev. Biochem.
75
,
333
(
2006
).
81.
G.
Pandav
,
V.
Pryamitsyn
,
K. C.
Gallow
,
Y.-L.
Loo
,
J.
Genzer
, and
V.
Ganesan
,
Soft Matter
8
,
6471
(
2012
).
82.
A.
Irbäck
and
E.
Sandelin
,
Biophys. J.
79
,
2252
(
2000
).
83.
A.
Irbäck
,
C.
Peterson
, and
F.
Potthast
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
93
,
9533
(
1996
).
84.
P. J.
Flory
,
Trans. Faraday Soc.
51
,
848
(
1955
).
85.
C. L. P.
Shan
and
L. G.
Hazlitt
,
Macromol. Symp.
257
,
80
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.