高分子溶液が分かれると、イオンも分かれる新原理を発見~反発するはずの生体分子が「同じ相に集まる」仕組みを解明~

2026-01-16 東京大学

東京大学の研究グループは、高分子混合水溶液が液‐液相分離すると、高分子だけでなく共存するイオンも相ごとに選択的に分配・濃縮されるという新原理を発見した。PEG/デキストラン(Dex)系では、Dex相がわずかに負に帯電しているため、正電荷をもつカチオンがDex相に集積し、その結果、電気的に反発するはずのDNAなど負電荷の生体分子が同じDex相に引き寄せられることを、蛍光プローブを用いた定量測定で実証した。これは従来、高分子間相互作用のみで説明されてきた分子分配理論を拡張し、液‐液相分離系においてDonnan分配が成立することを初めて直接示した成果である。本発見は、細胞内相分離の分子選択性理解を深めるとともに、バイオ分離技術や高分子材料設計への応用が期待される。成果はACS Macro Lettersに掲載された。

高分子溶液が分かれると、イオンも分かれる新原理を発見~反発するはずの生体分子が「同じ相に集まる」仕組みを解明~
液‐液相分離した高分子溶液において、DNAが一方の相(液滴)に選択的に集まる現象

<関連情報>

陽イオンの蓄積が水性二相系におけるDNAの優先的な分配を促進する Cation Accumulation Drives the Preferential Partitioning of DNA in an Aqueous Two-Phase System

Hiroki Sakuta,Yuki Akamine,Akari Kamo,Hao Gong,Norikazu Ichihashi,Arash Nikoubashman,and Miho Yanagisawa
ACS Macro Letters  Published: January 13, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.5c00810

Abstract

Mixtures of polyethylene glycol (PEG) and dextran (Dex) represent a widely used class of aqueous two-phase systems (ATPS), with applications ranging from the purification of various biomolecules, such as nucleic acids, to the synthesis of protocells. A key feature underlying these applications is the selective accumulation of biomolecules within Dex-rich droplets in an aqueous PEG phase, but the physical origin of this partitioning remains unclear. Entropic interactions were long assumed to be the primary driving force; however, our systematic experiments using DNA of different lengths indicate that entropy alone cannot fully explain the observed behavior. We identify an additional and previously underappreciated contribution from electrostatic interactions: Dex carries a slightly more negative charge than PEG, which drives preferential cation accumulation in the Dex-rich phase. These counterions facilitate the selective partitioning of DNA inside the Dex-rich droplets. This mechanism explains the dependence of DNA uptake in Dex-rich droplets on the polymer length and salt concentration. Our findings establish that Donnan-type ion partitioning plays a crucial role in the localization of long nucleic acids in Dex-rich droplets, offering a unified explanation for this long-standing phenomenon. They lay the foundation for designing ATPS-based systems and help elucidate the physicochemical principles of biomolecular partition upon phase separation in cells.

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