分子混雑によるDNA液滴の自己組織化パターン形成に成功 ー分子混雑によるDNA液滴の自己組織化パターン形成に成功ー

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2026-09-17 東京科学大学

細胞内の「分子の混み合い」がDNA凝縮体の形成・安定性や自己組織化に与える影響を、東京科学大学らが明らかにした。研究では、人工DNA構造体「DNAナノスター」からDNA液滴を作製し、PEGなどの高分子を加えて細胞内の高分子クラウディング環境を再現。その結果、特に平均分子量7.5 kDaのPEGによってDNA液滴の安定温度が最大約15℃上昇した。一方、小分子量PEGでは不安定化も確認された。さらに、融合しないよう設計した複数種類のDNA液滴を混雑環境に置くと、液滴が規則的なネットワーク状パターンを自発形成し、液滴種類数やPEG・塩濃度によって制御できた。人工細胞や分子コンピュータ、診断デバイスなどへの応用が期待される。

分子混雑によるDNA液滴の自己組織化パターン形成に成功 ー分子混雑によるDNA液滴の自己組織化パターン形成に成功ー
図1. 高分子混雑環境で規則的なパターン形成をするDNA液滴

<関連情報>

分子の密集がDNAコアセルベート液滴を安定化させ、自己組織化された特徴的なパターンを生成する Molecular Crowding Stabilizes DNA Coacervate Droplets and Generates Self-Organized Characteristic Patterns

Naoki C. Yoshida;Mayu Shono;Kenichi Yoshikawa;Masahiro Takinoue
JACS Au  Published:July 27, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00746

Abstract

Living cells are characterized by highly crowded intracellular environments that are rich in macromolecules. Liquid-like biomolecular condensates play a central role in regulating biochemical reactions in such environments. However, the effects of macromolecular crowding on condensate formation and properties remain inadequately understood, despite their importance for both the fundamental understanding of biomolecular condensates and the development of artificial cells and micromachines. In this study, we systematically investigated the influence of polymeric crowding agents─polyethylene glycol (PEG), dextran, and Ficoll─on liquid-like DNA condensates (DNA droplets) formed through the sticky-end hybridization of Y-shaped DNA nanostars. We show that PEG, above the molecular weight of several kilograms (k), significantly enhances the thermal stability of DNA droplets compared to dextran and Ficoll, whereas low-molecular-weight PEG (0.6k and 1k) tends to destabilize droplet formation. In contrast, PEG 7.5k robustly promoted droplet formation and enhanced thermal stability. Furthermore, under PEG 7.5k crowding conditions, multiple types of DNA droplets composed of noncomplementary nanostars spontaneously assemble into adjacent and alternating network patterns. The resulting spatial organization is tunable by the PEG concentration, salt concentration, nanostar concentration, and number of droplet species. These findings reveal macromolecular crowding as an effective design parameter for controlling programmable DNA droplets, providing a versatile strategy for constructing functional microstructured systems relevant to micromachines and synthetic-cellular platforms.

生物工学一般
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