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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2509.24641 (cond-mat)
[提交于 2025年9月29日 ]

标题: 阳离子积累驱动DNA在水相体系中的优先分配

标题: Cation accumulation drives the preferential partitioning of DNA in an aqueous two-phase system

Authors:Hiroki Sakuta, Yuki Akamine, Akari Kamo, Hao Gong, Norikazu Ichihashi, Arash Nikoubashman, Miho Yanagisawa
摘要: 聚乙二醇(PEG)和右旋糖酐(Dex)的混合物代表了一类广泛使用的水相双相系统(ATPS),其应用范围从各种生物分子(如核酸)的纯化到原细胞的合成。 这些应用的一个关键特征是生物分子在富含Dex的液滴中的选择性积累,但这种分配的物理起源仍不清楚。 耗竭相互作用长期以来被认为是主要驱动力;然而,我们使用不同长度的DNA进行的系统实验表明,仅靠耗竭无法完全解释观察到的行为。 我们发现了一种之前被低估的静电相互作用的额外贡献:Dex比PEG带有略微更多的负电荷,这促使反离子在富含Dex的相中优先积累。 这些反离子促进了DNA在富含Dex的液滴中的选择性分配。 这一机制解释了DNA在富含Dex的液滴中的摄取对聚合物长度和盐浓度的依赖性。 我们的研究结果确立了Donnan型离子分配作为富含Dex液滴中核酸定位的核心原理,为这一长期存在的现象提供了统一的解释。 它们为设计基于ATPS的系统奠定了基础,并有助于阐明细胞中相分离时生物分子分配的物理化学原理。
摘要: 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. Depletion interactions were long assumed to be the primary driving force; however, our systematic experiments using DNA of different lengths indicate that depletion 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 dependency of DNA uptake in Dex-rich droplets on polymer length and salt concentration. Our findings establish Donnan-type ion partitioning as a central principle of nucleic acid localization 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.
评论: 正文:13页,3图;补充信息:12页,6图
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft)
引用方式: arXiv:2509.24641 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2509.24641v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.24641
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Miho Yanagisawa [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 9 月 29 日 11:52:43 UTC (1,218 KB)
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