Probing the Emergent Functionality of Biomolecular Condensates with Nucleic Acid-Based Nanostructures = 핵산 나노구조체 모델 기반 생체분자 상분리 창발적 기능성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, we explored the emergent nature of biomolecular phase separation by employing nucleic acid–based model systems capable of precisely controlling the physical properties, composition, and functions of biomolecular condensates. Phase separation refers to a phenomenon in which two or more liquid components within a mixture form distinct phases, much like how oil and water do not mix. Although such a phenomenon is familiar in daily life, recent studies have shown that it also serves as a key principle in cells, where diverse biomolecules interact to form droplet-like condensates. These condensates play critical roles in biological processes such as cell signaling and gene regulation, and abnormalities in their formation or regulation have been implicated in diseases including cancer and neurodegenerative disorders. However, the intricate molecular interactions and complex cellular environments make it challenging to study the properties and functions of these intracellular condensates.
Inspired by the operating principles of phase separation in cells, we designed artificial DNA nanostructures capable of forming condensates in vitro under test-tube conditions. DNA is a widely used material in nanotechnology because it can be precisely programmed at the nanometer scale through sequence-specific base pairing. By finely designing DNA nanostructures, we were able to control the physical properties and composition of the condensates and demonstrate significant reaction acceleration by locally concentrating specific molecular reactants within the condensate interior. Furthermore, we observed that, according to the organizational principles of phase separation, the formation of clusters can occur even below the saturation concentration where macroscopic condensates cannot form, and that such cluster formation can alter biomolecular reaction behavior. These findings suggest that the DNA nanostructure system proposed in this study not only mimics cellular phase separation phenomena but also provides a useful platform for elucidating the underlying thermodynamic, physicochemical, and reaction-engineering principles hidden within complex biological functions.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 핵산 구조체 모델 시스템을 활용해 생체분자 응집체의 물성과 조성, 기능을 구현함으로써 상분리 현상의 창발성을 탐구하였다. 물과 기름이 섞이지 않듯, 혼합물 내에서 두 종류 이상의 액체가 독립된 상을 이루는 현상을 상분리라고 한다. 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 이런 현상이 세포 내에서도 다양한 생체분자들이 상호작용하여 액체 방울과 같은 응집체를 형성하는 핵심 원리가 되며, 이를 통해 신호 전달이나 유전자 조절 등의 다양한 기능을 수행할 뿐 아니라 이상이 생길 경우 암이나 퇴행성 질환 등의 원인이 될 수 있다는 사실이 밝혀지고 있다. 그러나 생체 분자들 간 상호작용 및 복잡한 세포 환경은 이러한 세포 내 응집체의 특성과 기능을 탐구하는 데 어려움을 주고 있다.
본 연구진은 세포 내 상분리 현상의 작동 기전에서 영감을 받아, 응집체를 형성할 수 있는 인공 DNA 나노구조체를 in vitro 테스트 튜브 상에서 디자인했다. DNA는 나노미터 스케일에서 염기서열 단위로 조작이 가능하다는 장점이 있어 생체나노공학 재료로 흔히 사용된다. 본 연구진은 DNA 나노구조체를 정밀하게 디자인하여 응집체의 물성과 조성을 조절하고 이를 바탕으로 특정 분자 반응 요소들을 응집체 내부 국소 영역에 높은 농도로 농축함으로써 높은 가속 현상을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 상분리의 조직 원리에 따라 응집체가 형성될 수 없는 포화 농도 이하에서 클러스터의 형성 양상이 변할 수 있으며 이로 인해 생체 분자 반응 양상이 달라질 수 있다는 것을 보였다. 이러한 연구 결과는 본 연구에서 제안된 DNA 나노구조체 시스템이 단순히 세포 내 상분리 현상을 모방하는 데서 그치지 않고 복잡한 기능 속에 가려진 열역학적, 물리화학적, 반응공학적 원리를 규명하는 데 도움을 줄 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract. ⅱ
• Table of Contents. ⅲ
• List of Tables. ⅳ
• List of Figures. ⅵ
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• Chapter 2. Condensate-mediated reaction acceleration 14
• 2.1. Introduction 14
• 2.2. Experimental results 15
• 2.3. Discussion 47
• 2.4. Materials and methods 49
• Chapter 3. Cluster formation and reaction acceleration in associative vs. segregative phase separation in sub-saturated region 54
• 3.1. Introduction 54
• 3.2. Experimental results 55
• 3.3. Discussion 76
• 3.4. Materials and methods 77
• Chapter 4. Closing remarks 80
• Acknowledgment 82
• Bibliography 83
• Appendix (Table of oligonucleotide sequences) 90
• 국문초록 113