Rheology of aging protein condensates Protein condensates that form by undergoing liquid-liquid phase separation will show changes in their rheological properties with time, a process known as aging. Jawerth et al. used laser tweezer–based active and microbead-based passive rheology to characterize the time-dependent material properties of protein condensates (see the Perspective by Zhang). They found that condensate aging is not gelation of the condensates, but rather a changing viscoelastic Maxwell liquid with a viscosity that strongly increases with age, whereas the elastic modulus stays the same. Science , this issue p. 1317 ; see also p. 1271

Significance We report nonlinear rheology experiments on collagen type I networks, which demonstrate a surprising concentration independence of the network stiffness in the nonlinear elastic regime. We develop a model that can account for this, as well as the classical observations of an approximate exponential stress–strain relationship in collagenous tissues, for which a microscopic model has been lacking. Our model also demonstrates the importance of normal stresses in controlling the nonlinear mechanics of fiber networks.

P granules are non-membrane-bound RNA-protein compartments that are involved in germline development in C. elegans. They are liquids that condense at one end of the embryo by localized phase separation, driven by gradients of polarity proteins such as the mRNA-binding protein MEX-5. To probe how polarity proteins regulate phase separation, we combined biochemistry and theoretical modeling. We reconstitute P granule-like droplets in vitro using a single protein PGL-3. By combining in vitro reconstitution with measurements of intracellular concentrations, we show that competition between PGL-3 and MEX-5 for mRNA can regulate the formation of PGL-3 droplets. Using theory, we show that, in a MEX-5 gradient, this mRNA competition mechanism can drive a gradient of P granule assembly with similar spatial and temporal characteristics to P granule assembly in vivo. We conclude that gradients of polarity proteins can position RNP granules during development by using RNA competition to regulate local phase separation.

We show that the nonlinear mechanical response of networks formed from un-cross-linked fibrin or collagen type I continually changes in response to repeated large-strain loading. We demonstrate that this dynamic evolution of the mechanical response arises from a shift of a characteristic nonlinear stress-strain relationship to higher strains. Therefore, the imposed loading does not weaken the underlying matrices but instead delays the occurrence of the strain stiffening. Using confocal microscopy, we present direct evidence that this behavior results from persistent lengthening of individual fibers caused by an interplay between fiber stretching and fiber buckling when the networks are repeatedly strained. Moreover, we show that covalent cross-linking of fibrin or collagen inhibits the shift of the nonlinear material response, suggesting that the molecular origin of individual fiber lengthening may be slip of monomers within the fibers. Thus, a fibrous architecture in combination with constituents that exhibit internal plasticity creates a material whose mechanical response adapts to external loading conditions. This design principle may be useful to engineer novel materials with this capability.

Abstract While much is known about the biochemical regulation of glycolytic enzymes, less is understood about how they are organized inside cells. Here we built a hybrid microfluidic-hydrogel device for use in Caenorhabditis elegans to systematically examine and quantify the dynamic subcellular localization of the rate-limiting enzyme of glycolysis, phosphofructokinase-1/PFK-1.1. We determine that endogenous PFK-1.1 localizes to distinct, tissue-specific subcellular compartments in vivo . In neurons, PFK-1.1 is diffusely localized in the cytosol, but capable of dynamically forming phase-separated condensates near synapses in response to energy stress from transient hypoxia. Restoring animals to normoxic conditions results in the dispersion of PFK-1.1 in the cytosol, indicating that PFK-1.1 reversibly organizes into biomolecular condensates in response to cues within the cellular environment. PFK-1.1 condensates exhibit liquid-like properties, including spheroid shapes due to surface tension, fluidity due to deformations, and fast internal molecular rearrangements. Prolonged conditions of energy stress during sustained hypoxia alter the biophysical properties of PFK-1.1 in vivo , affecting its viscosity and mobility within phase-separated condensates. PFK-1.1’s ability to form tetramers is critical for its capacity to form condensates in vivo , and heterologous self-association domain such as cryptochrome 2 ( CRY2) is sufficient to constitutively induce the formation of PFK-1.1 condensates. PFK-1.1 condensates do not correspond to stress granules and might represent novel metabolic subcompartments. Our studies indicate that glycolytic protein PFK-1.1 can dynamically compartmentalize in vivo to specific subcellular compartments in response to acute energy stress via multivalency as phase-separated condensates.

Summary Aberrant liquid-to-solid phase transitions of biomolecular condensates have been linked to various neurodegenerative diseases. However, the underlying molecular interactions that drive aging remain enigmatic. Here, we develop quantitative time-resolved crosslinking mass spectrometry to monitor protein interactions and dynamics inside condensates formed by the protein fused in sarcoma (FUS). We identify misfolding of the RNA recognition motif (RRM) of FUS as a key driver of condensate ageing. We demonstrate that the small heat shock protein HspB8 partitions into FUS condensates via its intrinsically disordered domain and prevents condensate hardening via condensate-specific interactions that are mediated by its α-crystallin domain (αCD). These αCD-mediated interactions are altered in a disease-associated mutant of HspB8, which abrogates the ability of HspB8 to prevent condensate hardening. We propose that stabilizing aggregation-prone folded RNA-binding domains inside condensates by molecular chaperones may be a general mechanism to prevent aberrant phase transitions.

Abstract To unravel the biological functions of membraneless liquid condensates it is crucial to develop a quantitative understanding of the physics underlying their dynamics. Key processes within such condensates are diffusion and material exchange with their environment. Experimentally, diffusive dynamics are typically probed via fluorescent labels. However, to date we lack a physics-based quantitative framework for the dynamics of labeled condensate components. Here, we derive the corresponding theory, building on the physics of phase separation, and quantitatively validate this framework via experiments. We show that using our theory we can precisely determine diffusion coefficients inside liquid condensates via a spatio-temporal analysis of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) experiments. We showcase the accuracy and precision of our approach by considering space- and time-resolved data of protein condensates and two different polyelectrolyte-coacervate systems. Strikingly, our theory can also be used to determine the diffusion coefficient in the dilute phase and the partition coefficient, without relying on fluorescence measurements in the dilute phase. This bypasses recently described quenching artefacts in the dense phase, which can underestimate partition coefficients by orders of magnitude. Our experimentally verified theory opens new avenues for theoretically describing molecule dynamics in condensates, measuring concentrations based on the dynamics of fluorescence intensities and quantifying rates of biochemical reactions in liquid condensates.