Intrinsically disordered proteins (IDPs) are essential components for the formation of membraneless organelles, which play key functional and regulatory roles within biological systems. These complex assemblies form and dissolve spontaneously over time via liquid–liquid phase separation of IDPs. Mutations in their amino acid sequence can alter their phase behavior, which has been linked to the emergence of severe diseases. We study the conformation and phase behavior of a low-complexity domain of heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1 (hnRNPA1) using coarse-grained implicit solvent molecular dynamics simulations. We systematically analyze how these properties are affected by the number of aromatic residues within the examined sequences. We find a significant compaction of the chains and an increase in the critical temperature with an increasing number of aromatic residues. The local persistence length is determined in single-chain simulations, revealing strong sequence-specific variations along the chain contour. Comparing single-chain and condensed-state simulations, we find many more collapsed polymer conformations in the dilute systems, even at temperatures near the estimated θ-temperature of the solution. These observations strongly support the hypothesis that aromatic residues play a dominant role in condensation, which is further corroborated by a detailed analysis of the intermolecular contacts, and conversely that important properties of condensates are captured in coarse-grained simulations. Interestingly, we observe density inhomogeneities within the condensates near criticality, which are driven by electrostatic interactions. Finally, we find that the relatively small fraction of hydrophobic residues in the IDPs results in interfacial tensions, which are significantly lower compared to typical combinations of immiscible simple liquids.

1.
C. P.
Brangwynne
,
C. R.
Eckmann
,
D. S.
Courson
,
A.
Rybarska
,
C.
Hoege
,
J.
Gharakhani
,
F.
Jülicher
, and
A. A.
Hyman
,
Science
324
,
1729
(
2009
).
2.
A. A.
Hyman
,
C. A.
Weber
, and
F.
Jülicher
,
Annu. Rev. Cell Dev. Biol.
30
,
39
(
2014
).
3.
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
).
4.
L.
Jawerth
,
E.
Fischer-Friedrich
,
S.
Saha
,
J.
Wang
,
T.
Franzmann
,
X.
Zhang
,
J.
Sachweh
,
M.
Ruer
,
M.
Ijavi
,
S.
Saha
,
J.
Mahamid
,
A. A.
Hyman
, and
F.
Jülicher
,
Science
370
,
1317
(
2020
).
5.
M.
Hofweber
,
S.
Hutten
,
B.
Bourgeois
,
E.
Spreitzer
,
A.
Niedner-Boblenz
,
M.
Schifferer
,
M.-D.
Ruepp
,
M.
Simons
,
D.
Niessing
,
T.
Madl
, and
D.
Dormann
,
Cell
173
,
706
(
2018
).
6.
S.
Alberti
and
A. A.
Hyman
,
BioEssays
38
,
959
(
2016
).
7.
L. A.
Gruijs da Silva
,
F.
Simonetti
,
S.
Hutten
,
H.
Riemenschneider
,
E. L.
Sternburg
,
L. M.
Pietrek
,
J.
Gebel
,
V.
Dötsch
,
D.
Edbauer
,
G.
Hummer
,
L. S.
Stelzl
, and
D.
Dormann
,
EMBO J.
41
,
e108443
(
2022
).
8.
B.
Portz
,
B. L.
Lee
, and
J.
Shorter
,
Trends Biochem. Sci.
46
,
550
(
2021
).
9.
M.
Kar
,
F.
Dar
,
T. J.
Welsh
,
L.
Vogel
,
R.
Kühnemuth
,
A.
Majumdar
,
G.
Krainer
,
T. M.
Franzmann
,
S.
Alberti
,
C. A. M.
Seidel
,
T. P.
Knowles
,
A. A.
Hyman
, and
R. V.
Pappu
, Proceedings of the National Academy of Sciences,
119
,
32
(
2022
).
10.
K. A.
Burke
,
A. M.
Janke
,
C. L.
Rhine
, and
N. L.
Fawzi
,
Mol. Cell
60
,
231
(
2015
).
11.
J. P.
Brady
,
P. J.
Farber
,
A.
Sekhar
,
Y.-H.
Lin
,
R.
Huang
,
A.
Bah
,
T. J.
Nott
,
H. S.
Chan
,
A. J.
Baldwin
,
J. D.
Forman-Kay
, and
L. E.
Kay
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
E8194
(
2017
).
12.
A. C.
Murthy
,
G. L.
Dignon
,
Y.
Kan
,
G. H.
Zerze
,
S. H.
Parekh
,
J.
Mittal
, and
N. L.
Fawzi
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
26
,
637
(
2019
).
13.
L.
Emmanouilidis
,
L.
Esteban-Hofer
,
F. F.
Damberger
,
T.
de Vries
,
C. K. X.
Nguyen
,
L. F.
Ibáñez
,
S.
Mergenthal
,
E.
Klotzsch
,
M.
Yulikov
,
G.
Jeschke
, and
F. H.-T.
Allain
,
Nat. Chem. Biol.
17
,
608
(
2021
).
14.
J.
Wen
,
L.
Hong
,
G.
Krainer
,
Q.-Q.
Yao
,
T. P. J.
Knowles
,
S.
Wu
, and
S.
Perrett
,
J. Am. Chem. Soc.
143
,
13056
(
2021
).
15.
G. L.
Dignon
,
W.
Zheng
,
Y. C.
Kim
,
R. B.
Best
, and
J.
Mittal
,
PLoS Comput. Biol.
14
,
e1005941
(
2018
).
16.
M.
Paloni
,
R.
Bailly
,
L.
Ciandrini
, and
A.
Barducci
,
J. Phys. Chem. B
124
,
9009
(
2020
).
17.
J. R.
Espinosa
,
J. A.
Joseph
,
I.
Sanchez-Burgos
,
A.
Garaizar
,
D.
Frenkel
, and
R.
Collepardo-Guevara
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
117
,
13238
(
2020
).
18.
Z.
Benayad
,
S.
von Bülow
,
L. S.
Stelzl
, and
G.
Hummer
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
525
(
2021
).
19.
A. P.
Latham
and
B.
Zhang
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
3134
(
2021
).
20.
G.
Tesei
,
T. K.
Schulze
,
R.
Crehuet
, and
K.
Lindorff-Larsen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
118
,
e2111696118
(
2021
).
21.
R. K.
Das
and
R. V.
Pappu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
13392
(
2013
).
22.
L. S.
Stelzl
,
L. M.
Pietrek
,
A.
Holla
,
J.
Oroz
,
M.
Sikora
,
J.
Köfinger
,
B.
Schuler
,
M.
Zweckstetter
, and
G.
Hummer
,
JACS Au
2
,
673
(
2022
).
23.
G. L.
Dignon
,
W.
Zheng
,
R. B.
Best
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
9929
(
2018
).
24.
F.
Jin
and
F.
Gräter
,
PLoS Comput. Biol.
17
,
e1008939
(
2021
).
25.
E. W.
Martin
,
A. S.
Holehouse
,
C. R.
Grace
,
A.
Hughes
,
R. V.
Pappu
, and
T.
Mittag
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
15323
(
2016
).
26.
W.
Zheng
,
G. L.
Dignon
,
N.
Jovic
,
X.
Xu
,
R. M.
Regy
,
N. L.
Fawzi
,
Y. C.
Kim
,
R. B.
Best
, and
J.
Mittal
,
J. Phys. Chem. B
124
,
11671
(
2020
).
27.
C.
Peter
and
K.
Kremer
,
Soft Matter
5
,
4357
(
2009
).
28.
A.
Ghavami
,
E.
van der Giessen
, and
P. R.
Onck
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
432
(
2013
).
29.
K. M.
Ruff
,
T. S.
Harmon
, and
R. V.
Pappu
,
J. Chem. Phys.
143
,
243123
(
2015
).
30.
J.-M.
Choi
,
F.
Dar
, and
R. V.
Pappu
,
PLoS Comput. Biol.
15
,
e1007028
(
2019
).
31.
G. L.
Dignon
,
W.
Zheng
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
ACS Cent. Sci.
5
,
821
(
2019
).
32.
S.
Das
,
Y.-H.
Lin
,
R. M.
Vernon
,
J. D.
Forman-Kay
, and
H. S.
Chan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
117
,
28795
(
2020
).
33.
R. M.
Regy
,
J.
Thompson
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
Protein Sci.
30
,
1371
(
2021
).
34.
J. A.
Joseph
,
A.
Reinhardt
,
A.
Aguirre
,
P. Y.
Chew
,
K. O.
Russell
,
J. R.
Espinosa
,
A.
Garaizar
, and
R.
Collepardo-Guevara
,
Nat. Comput. Sci.
1
,
732
(
2021
).
35.
I. M.
Martin
,
C.
Aponte-Santamaría
,
L.
Schmidt
,
M.
Hedtfeld
,
A.
Iusupov
,
A.
Musacchio
, and
F.
Gräter
,
J. Mol. Biol.
434
,
167387
(
2022
).
36.
M. A.
Winnik
and
A.
Yekta
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
2
,
424
(
1997
).
37.
M.
Feric
,
N.
Vaidya
,
T. S.
Harmon
,
D. M.
Mitrea
,
L.
Zhu
,
T. M.
Richardson
,
R. W.
Kriwacki
,
R. V.
Pappu
, and
C. P.
Brangwynne
,
Cell
165
,
1686
(
2016
).
38.
J.-M.
Choi
,
A. S.
Holehouse
, and
R. V.
Pappu
,
Annu. Rev. Biophys.
49
,
107
(
2020
).
39.
F.-X.
Theillet
,
L.
Kalmar
,
P.
Tompa
,
K.-H.
Han
,
P.
Selenko
,
A. K.
Dunker
,
G. W.
Daughdrill
, and
V. N.
Uversky
,
Intrinsically Disord. Proteins
1
,
e24360
(
2013
).
40.
Y.-H.
Lin
and
H. S.
Chan
,
Biophys. J.
112
,
2043
(
2017
).
41.
A.
George
and
W. W.
Wilson
,
Acta Crystallogr., Sect. D: Biol. Crystallogr.
50
,
361
(
1994
).
42.
D. F.
Rosenbaum
,
A.
Kulkarni
,
S.
Ramakrishnan
, and
C. F.
Zukoski
,
J. Chem. Phys.
111
,
9882
(
1999
).
43.
S. M.
Lichtinger
,
A.
Garaizar
,
R.
Collepardo-Guevara
, and
A.
Reinhardt
,
PLoS Comput. Biol.
17
,
e1009328
(
2021
).
44.
E. W.
Martin
,
A. S.
Holehouse
,
I.
Peran
,
M.
Farag
,
J. J.
Incicco
,
A.
Bremer
,
C. R.
Grace
,
A.
Soranno
,
R. V.
Pappu
, and
T.
Mittag
,
Science
367
,
694
(
2020
).
45.
A.
Bremer
,
M.
Farag
,
W. M.
Borcherds
,
I.
Peran
,
E. W.
Martin
,
R. V.
Pappu
, and
T.
Mittag
,
Nat. Chem.
14
,
196
(
2022
).
46.
L. H.
Kapcha
and
P. J.
Rossky
,
J. Mol. Biol.
426
,
484
(
2014
).
47.
J. A.
Anderson
,
J.
Glaser
, and
S. C.
Glotzer
,
Comput. Mater. Sci.
173
,
109363
(
2020
).
48.
See https://github.com/mphowardlab/azplugins for source code for the software.
49.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
50.
A.
Statt
,
H.
Casademunt
,
C. P.
Brangwynne
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
152
,
075101
(
2020
).
51.
W.
Zheng
,
G.
Dignon
,
M.
Brown
,
Y. C.
Kim
, and
J.
Mittal
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
3408
(
2020
).
52.
M. A.
Webb
,
N. E.
Jackson
,
P. S.
Gil
, and
J. J.
de Pablo
,
Sci. Adv.
6
,
eabc6216
(
2020
).
53.
M.
Rubinstein
and
R. H.
Colby
,
Polymer Physics
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2003
).
54.
A. Z.
Panagiotopoulos
,
V.
Wong
, and
M. A.
Floriano
,
Macromolecules
31
,
912
(
1998
).
55.
H.
Hofmann
,
A.
Soranno
,
A.
Borgia
,
K.
Gast
,
D.
Nettels
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
16155
(
2012
).
56.
A. R.
Schultz
and
P. J.
Flory
,
J. Am. Chem. Soc.
74
,
4760
(
1952
).
57.
W.
Zheng
,
G. H.
Zerze
,
A.
Borgia
,
J.
Mittal
,
B.
Schuler
, and
R. B.
Best
,
J. Chem. Phys.
148
,
123329
(
2018
).
58.
P. J.
Flory
,
Statistical Mechanics of Chain Molecules
(
Hanser
,
Munich
,
1988
).
59.
A.
Milchev
,
S. A.
Egorov
,
J.
Midya
,
K.
Binder
, and
A.
Nikoubashman
,
ACS Macro Lett.
9
,
1779
(
2020
).
60.
A.
Nikoubashman
,
J. Chem. Phys.
154
,
090901
(
2021
).
61.
A.
Milchev
,
S. A.
Egorov
,
K.
Binder
, and
A.
Nikoubashman
,
J. Chem. Phys.
149
,
174909
(
2018
).
62.
J.
Rudnick
and
G.
Gaspari
,
Science
237
,
384
(
1987
).
63.
H.-X.
Zhou
,
Biochemistry
43
,
2141
(
2004
).
64.
C.
McBride
,
C.
Vega
, and
L. G.
MacDowell
,
Phys. Rev. E
64
,
011703
(
2001
).
65.
K. S.
Silmore
,
M. P.
Howard
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
Mol. Phys.
115
,
320
(
2017
).
66.
J.
Midya
,
S. A.
Egorov
,
K.
Binder
, and
A.
Nikoubashman
,
J. Chem. Phys.
151
,
034902
(
2019
).
67.
T.
Sanyal
and
M. S.
Shell
,
J. Chem. Phys.
145
,
034109
(
2016
).
68.
F.
Berressem
,
C.
Scherer
,
D.
Andrienko
, and
A.
Nikoubashman
,
J. Phys.: Condens. Matter
33
,
254002
(
2021
).
69.
70.
A. B.
Poma
,
M.
Cieplak
, and
P. E.
Theodorakis
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1366
(
2017
).
71.
S.
Wettermann
,
M.
Brems
,
J. T.
Siebert
,
G. T.
Vu
,
T. J.
Stevens
, and
P.
Virnau
,
Comput. Mater. Sci.
173
,
109178
(
2020
).
72.
M. S.
Lee
,
F. R.
Salsbury
, and
C. L.
Brooks
,
J. Chem. Phys.
116
,
10606
(
2002
).
73.
W.
Im
,
M. S.
Lee
, and
C. L.
Brooks
,
J. Comput. Chem.
24
,
1691
(
2003
).
74.
J. J.
Potoff
and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
109
,
10914
(
1998
).
75.
G.
Tesei
and
K.
Lindorff-Larsen
, Open Research Europe,
2
,
94
(
2022
).
76.
D. H.
de Jong
,
S.
Baoukina
,
H. I.
Ingólfsson
, and
S. J.
Marrink
,
Comput. Phys. Commun.
199
,
1
(
2016
).
77.
L. M.
Jawerth
,
M.
Ijavi
,
M.
Ruer
,
S.
Saha
,
M.
Jahnel
,
A. A.
Hyman
,
F.
Jülicher
, and
E.
Fischer-Friedrich
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
258101
(
2018
).
78.
L. M.
Jawerth
,
M.
Ijavi
,
M.
Ruer
,
S.
Saha
,
M.
Jahnel
,
A. A.
Hyman
,
F.
Jülicher
, and
E.
Fischer-Friedrich
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
229901
(
2020
).
79.
M.
Ijavi
,
R. W.
Style
,
L.
Emmanouilidis
,
A.
Kumar
,
S. M.
Meier
,
A. L.
Torzynski
,
F. H. T.
Allain
,
Y.
Barral
,
M. O.
Steinmetz
, and
E. R.
Dufresne
,
Soft Matter
17
,
1655
(
2021
).
80.
A.
Goebel
and
K.
Lunkenheimer
,
Langmuir
13
,
369
(
1997
).
81.
S.
Zeppieri
,
J.
Rodríguez
, and
A. L.
López de Ramos
,
J. Chem. Eng. Data
46
,
1086
(
2001
).
82.
M.
Ndao
,
J.
Devémy
,
A.
Ghoufi
, and
P.
Malfreyt
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
3818
(
2015
).
83.
N.
Li
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
A.
Nikoubashman
,
Langmuir
33
,
6021
(
2017
).
84.
B.
Widom
,
J. Chem. Phys.
43
,
3892
(
1965
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.