The π–π interaction, one of the key factors stabilizing protein structure, is discovered to be involved in liquid–liquid phase separation (LLPS) of intrinsically disordered proteins (IDPs) in recent studies. Unlike folded proteins, π–π interaction in IDPs need to be modeled in aqueous environment, since participating residues are frequently exposed to water during LLPS. In this work, we described π–π interaction in water, combining van der Waals (vdW)-corrected density functional theory (DFT) and DFT in classical explicit solvents (DFT-CES). Comparing our results with high-level wavefunction calculations and experimental data, we obtained a reliable prediction on association free energies of benzene and phenol dimer in water. We found that solvation effect marginally modifies dimer association free energies unless direct hydrogen-bond-like interaction develops between phenols, which supports the relation with the enthalpy-entropy compensation. This research provides a fundamental understanding on the molecular driving force for the phase behavior of IDPs.
단백질 구조를 안정화시키는 핵심 요소 중 하나인 π-π 상호작용은 최근 연구에서 비정형 단백질(IDP)의 액체-액체 상분리(LLPS)와 밀접한 연관이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 접힌 구조의 단백질과 달리, IDP의 π-π 상호작용은 관련된 아미노산 잔기들이 LLPS 과정에서 빈번하게 물에 노출되기 때문에 수성 환경에서 모델링해야 합니다. 본 연구에서는 반 데르 발스(vdW) 보정 밀도범함수 이론(DFT)과 고전 명시적인 용매에서의 DFT(DFT-CES)를 결합하여 물에서의 π-π 상호작용을 규명했습니다. 연구 결과를 높은 단계의 파동 함수 계산 및 실험 데이터와 비교하여 물에서 벤젠과 페놀 이합체의 결합 자유 에너지에 대한 신뢰할 수 있는 추정값을 구하였습니다. 또한 페놀 사이에 직접적인 수소 결합과 같은 상호 작용이 발생하지 않는 한, 용해 효과가 이합체 결합 자유 에너지에 작은 영향을 미친다는 것을 발견했으며, 이는 엔탈피-엔트로피 보상과의 연관성을 뒷받침합니다. 본 연구는 IDP의 상거동에 작용하는 분자 수준의 원동력에 대한 근본적인 이해를 제공합니다.
