A thermodynamic and a microscopic interaction model are proposed to describe the phase equilibria in the phosphatidylcholine-cholesterol system. The model calculations allow for a solid phase with conformationally ordered acyl chains and liquid phases with conformationally ordered as well as disordered chains. The resulting phase diagram is in excellent agreement with the experimental phase diagram for dipalmitoylphosphatidylcholine bilayers with cholesterol as determined by a recent NMR and calorimetry study. It is thus demonstrated that the phase behaviour of phosphatidylcholine-cholesterol mixtures can be rationalized using only a few basic assumptions: (i) Cholesterol interacts favourably with phosphatidylcholine chains in an extended conformation, (ii) the main transition of pure phosphatidylcholine bilayers takes place in terms of translational variables as well acyl-chain conformational variables, and (iii) cholesterol disturbes the translational order in the crystalline (gel) state of phosphatidylcholine. These results suggest that the occurrence of specific phosphatidylcholien-cholesterol complexes is not implied by the experimental thermodynamic data.

Abstract Biomolecular condensates play numerous roles in cells by selectively concentrating client proteins while excluding others. These functions are likely to be sensitive to the spatial organization of the scaffold proteins forming the condensate. We use coarse-grained molecular simulations to show that model intrinsically-disordered proteins phase separate into a heterogeneous, structured fluid characterized by a well-defined length scale. The proteins are modelled as semi-flexible polymers with punctate, multifunctional binding sites in good solvent conditions. Their dense phase is highly solvated with a spatial structure that is more sensitive to the separation of the binding sites than their affinity. We introduce graph theoretic measures to show that the proteins are heterogeneously distributed throughout the dense phase, an effect that increases with increasing binding site number, and exhibit multi-timescale dynamics. The simulations predict that the structure of the dense phase is modulated by the location and affinity of binding sites distant from the termini of the proteins, while sites near the termini more strongly affect its phase behaviour. The relations uncovered between the arrangement of weak interaction sites on disordered proteins and the material properties of their dense phase can be experimentally tested to give insight into the biophysical properties and rational design of biomolecular condensates.

Biomolecular condensates are compositionally-diverse organelles that reversibly assemble in the cytoplasm or nucleoplasm to localize cellular functions. They form by liquid-liquid phase separation and have no bounding lipid membrane. Experiments have shown that biomolecular condensates have a wide range of functions, and loss of cellular control is associated with chronic neurodegenerative diseases. Their main constituents are intrinsically-disordered proteins that are conformationally flexible and possess weak binding sites for proteins or RNA. Although the composition of many experimental condensates is increasingly clear, the quantitative connection between their structure and the molecular properties of their constituent proteins is still obscure. We use coarse-grained molecular simulations to explore the phase behaviour of a model biomolecular condensate and its dependence on its constituent intrinsically-disordered proteins. The proteins are represented as semi-flexible polymers with attractive end-caps. They spontaneously condense into fluid networks in which their end-caps reversibly bind at junctions. The spatial separation of the junctions scales with the polymer backbone length as a self-avoiding random walk. The network stability and structure are more sensitive to the separation of the end-caps than their affinity. This sensitivity to the binding site separation suggests that post-translational modifications or interactions with other proteins that modify the conformational fluctuations of a disordered protein will regulate its transition into a condensed phase. Additional proteins will be recruited only if their conformational fluctuations allow them to fluctuate between the existing junctions of the network. Cells may use this sensitivity to regulate assembly and composition of biomolecular condensates, and it provides a promising route towards therapeutic interventions.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Mammalian cell sphingolipids, primarily with C24 and C16 acyl chains, reside in the outer leaflet of the plasma membrane. Curiously, little is known how C24 sphingolipids impact cholesterol and membrane microdomains. Here, we generated giant unilamellar vesicles and live mammalian cells with C24 or C16 sphingomyelin exclusively in the outer leaflet and compared microdomain formation. In giant unilamellar vesicles, we observed that asymmetrically placed C24 sphingomyelin suppresses microdomains. Conversely, C16 sphingomyelin facilitates microdomains. Replacing endogenous sphingolipids with C24 or C16 sphingomyelin in live HeLa cells has a similar impact on microdomains, characterized by FRET between GPI-anchored proteins: C24, but not C16, sphingomyelin suppresses submicron domains in the plasma membrane. Molecular dynamics simulations indicated that, when in the outer leaflet, the acyl chain of C24 sphingomyelin interdigitates into the opposing leaflet, thereby favouring cholesterol in the inner leaflet. We indeed found that cholesterol prefers the inner over the outer leaflet of asymmetric unilamellar vesicles (80/20) when C24 sphingomyelin is in the outer leaflet. However, when C16 sphingomyelin is in the outer leaflet, cholesterol is evenly partitioned between leaflets (50/50). Interestingly, when a mixture of C24/C16 sphingomyelin is in the outer leaflet of unilamellar vesicles, cholesterol still prefers the inner leaflet (80/20). Indeed, in human erythrocyte plasma membrane, where a mixture of C24 and C16 sphingolipids are naturally in the outer leaflet, cholesterol prefers the cytoplasmic leaflet (80/20). Therefore, C24 sphingomyelin uniquely interacts with cholesterol and governs the lateral organization in asymmetric membranes, including the plasma membrane, potentially by generating cholesterol asymmetry.

Abstract The crowded interior of a living cell makes experiments on simpler in vitro systems attractive. Although these reveal interesting phenomena, their biological relevance can be questionable. A topical example is the phase separation of intrinsically-disordered proteins into biomolecular condensates, which is proposed to underlie the membraneless compartmentalisation of many cellular functions. How a cell reliably controls biochemical reactions in compartments open to the compositionally-varying cytoplasm is an important question for understanding cellular homeostasis. Computer simulations are often used to study the phase behaviour of model biomolecular condensates, but the number of relevant parameters explodes as the number of protein components increases. It is unfeasible to exhaustively simulate such models for all parameter combinations, although interesting phenomena are almost certainly hidden in the jungle of their high-dimensional parameter space. Here we have studied the phase behaviour of a model biomolecular condensate in the presence of a polymeric crowding agent. We used a novel compute framework to execute dozens of simultaneous simulations spanning the protein/crowder concentration space. We then combined the results into a graphical representation for human interpretation, which provided an efficient way to search the model’s high-dimensional parameter space. We found that steric repulsion from the crowder drives a near-critical system across the phase boundary, but the molecular arrangement within the resulting biomolecular condensate is rather insensitive to the crowder concentration and molecular weight. We propose that a cell may use the local cytoplasmic concentration to assist formation of biomolecular condensates, while relying on the dense phase reliably providing a stable, structured, fluid milieu for cellular biochemistry despite being open to its changing environment.

Abstract We present FreeDTS software for performing computational research on biomembranes at the mesoscale. In this software, a membrane is represented by a dynamically triangulated surface equipped with vertex-based inclusions to integrate the effects of integral and peripheral membrane proteins. Several algorithms are included in the software to simulate complex membranes at different conditions such as framed membranes with constant tension, vesicles and high-genus membranes with various fixed volumes or constant pressure differences and applying external forces to membrane regions. Furthermore, the software allows the user to turn off the shape evolution of the membrane and focus solely on the organization of proteins. As a result, we can take realistic membrane shapes obtained from, for example, cryo-electron tomography and backmap them into a finer simulation model. In addition to many biomembrane applications, this software brings us a step closer to simulating realistic biomembranes with molecular resolution. Here we provide several interesting showcases of the power of the software but leave a wide range of potential applications for interested users.