两步生物聚合物成核模型显示非平衡临界点

生物聚合物自组装途径对生物活动至关重要，但由于生物聚合物的单体亚基可采取不同构象状态而变得复杂。因此，生物聚合物成核常涉及两步机制：单体先凝聚形成亚稳态中间体，随后通过其组成单体的构象重排转变为稳定聚合物。现有数学模型忽略了中间体转变为稳定聚合物的动力学，而实验与模拟表明这些动力学常与中间体凝聚及成熟聚合物生长发生在可比的时间尺度上，因而不可忽略。此外，成核中间体在阿尔茨海默病、帕金森病及朊病毒病等病症中导致细胞毒性。由于构象与生物功能相关，这些物种的缓慢转换动力学将强烈影响其毒性。本研究中，我们提出一个修正的 Oosawa 模型，显式计入同时发生的组装与转换。为描述转换动力学，我们提出一种受实验启发的引发-传播（IP）机制，其中稳定相在中间体内局部产生，随后通过最近邻相互作用诱发的额外转换事件扩散，类似于一维 Glauber 动力学。我们的数学分析表明，组装与转换的竞争时间尺度导致一个非平衡临界点，将中间体动力学不稳定区域与构象混合中间体可累积的区域分开。我们的工作提供了首个两步生物聚合物成核的通用模型，可用于定量预测生物学上关键的中间体的浓度与组成。