While biomolecular condensates are often liquid-like, many experiments found that condensates also exhibit solid-like behaviors, making them indissoluble in conditions liquid condensates dissolve. Despite the biological significance of indissoluble condensates to cellular fitness, the mechanisms underlying the indissolubility of solid-like condensates are still unclear. In this work, we study the effects of elasticity on the dissolution of biomolecular condensates. We demonstrate that the bulk stress inside condensates may prevent the condensates from dissolution and obtain a new mechanical equilibrium condition of elastic condensates. Moreover, we theoretically predict a phase diagram of indissolubility for biomolecular condensates and identify a minimum bulk modulus for the condensates to be indissoluble. To verify our theories, we simulate the two-fluid model in which the slow component corresponding to biomolecules generates elastic stress. Our theoretical predictions are nicely confirmed and independent of microscopic details. Our works show that elasticity makes biomolecular condensates less prone to dissolution.

Biomolecular condensates play a crucial role in regulating gene expression, but their behavior in chromatin remains poorly understood. Classical theories of phase separation are limited to thermal equilibrium, and traditional methods can only simulate a limited number of condensates. In this paper, we introduce a novel mean-field-like method that allows us to simulate millions of condensates in a heterogeneous elastic medium to model the dynamics of transcriptional condensates in chromatin. Using this method, we unveil an elastic ripening process in which the average condensate radius exhibits a unique temporal scaling, ⟨ R ⟩ ∼ t 1 / 5 , different from the classical Ostwald ripening, and we theoretically derive the exponent based on energy conservation and scale invariance. We also introduce active dissolution to model the degradation of transcriptional condensates upon RNA accumulation. Surprisingly, three different kinetics of condensate growth emerge, corresponding to constitutively expressed, transcriptional-bursting, and silenced genes. Notably, multiple distributions of transcriptional-bursting kinetics from simulations, e.g., the burst frequency, agree with transcriptome-wide experimental data. Furthermore, the timing of growth initiation can be synchronized among bursting condensates, with power-law scaling between the synchronization period and dissolution rate. Our results shed light on the complex interplay between biomolecular condensates and the elastic medium, with important implications for gene expression regulation.

Abstract Nucleic acid and protein co-condensates exhibit diverse morphologies crucial for fundamental cellular processes. Despite their significance, the molecular mechanisms governing morphology transitions remain poorly understood. To address this gap in knowledge, we investigated DNA and the human transcription factor p53 as a model system, specifically focusing on DNA-protein interactive co-condensates (DPICs)—a scenario where neither dsDNA nor the protein demonstrates phase-separation behavior individually. Through a combination of experimental assays and theoretical approaches, we elucidated: (i) the phase diagram of DPICs, identifying two distinct transition phenomena—a phase transition between viscoelastic fluid and viscoelastic solid states, and a morphology transition from droplet-like to "pearl chain"-like DPICs; (ii) the growth dynamics of DPICs. Droplet-like and "pearl chain"-like DPICs, although with dramatically distinct final morphologies and material properties, share a common initial critical microscopic cluster (CMC) size at the nanometer scale during the early stage of phase separation. These findings provide novel insights into the biophysical mechanisms underlying multi-component phase separations within cellular environments. Significance Statement Nucleic acids and proteins have the capacity to form co-condensates, exhibiting various morphologies, including droplet-like and “pearl chains” formations. Despite this observation, the underlying biophysical mechanisms remain poorly understood. In this study, we employed DNA and the protein p53 as a model system. Our investigation revealed that the strength of the DNA-p53 interactions dictates the material properties of the co-condensates, leading to a transition from a viscoelastic fluid to a viscoelastic solid phase. This transition is accompanied by a morphological shift from droplet-like formations to structures resembling “pearl chains”. Additionally, we explored the growth dynamics of these co-condensates and demonstrated that the strength of p53-DNA interactions influences the relaxation time of the co-condensates, thereby potentially determining their morphological features.