第645回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院工学系研究科相田研究室の龚浩 (Gong Hao) 特任研究員にお願いしました。
Gong 博士が所属する相田研究室は、超分子化学と材料科学のあらゆる可能性を探り、エネルギーや医薬といった社会に目指した問題に対して、新規分子や材料で解決につなげることを目標に研究しています。例えば 98% も水を含むのに自立し、成形加工可能なアクアマテリアル¹や優れた自己修復機能を持つポリマーガラス² など数多くの革新的な材料を報告してきました。Gong 博士は、このたび水溶性高分子に関する新現象を発見し、その応用可能性を提示した論文を Nature 誌に報告しました³。その成果は、プレスリリースとして発表され、日本経済新聞などの一般メディア、さらには MIT Technical Review (中国版) などの海外ウェブメディアにも取りあげられ、世界的に注目されています。

Near-Identical Macromolecules Spontaneously Partition into Concentric Circles
Gong, H.; Sakaguchi, Y.; Suzuki, T.; Yanagisawa, M.; Aida, T. Nature 2024, 636 (8041), 92–99. DOI: 10.1038/s41586-024-08203-4.

研究室を主宰されている相田先生より、Gong 博士の人物像についてコメントをいただいています。

Gong Hao君は、中山大学のJiaobing Wang先生（かつて私の研究室のポスドクだった）の研究室で卒業研究を行い、修士学生として相田研に参画し、理化学研究所で研究を開始しました。しかし、さまざまな事情により、彼と私の関係は次第に希薄になり、状況は混乱し始めました。博士課程の入試手続きを忘れたことで進学が半年遅れたり、JSPSの提案書をなぜか日本語で提出し、面接まで進んだにもかかわらず落選したりしました。私は彼が心配になり、東大のラボで研究を行う気があるのかを尋ねました。彼は本郷に移りたいと希望しました。これらの出来事からも想像できるように、彼は自由奔放な性格で、厳格なルールの下での生活には向いていません。しかし、彼は好奇心旺盛で、自分が興味を持ったことには全力で取り組みます。例えば、大きな一眼レフカメラを首から提げて日本中を旅したり、夜空を観測するための特殊なカメラを購入し、一晩中観測に没頭したりします。

東大では、私の研究室で長年研究されてきた分子シャペロンGroELの研究を彼に担当させました。研究の過程で、彼は奇妙な共焦点画像を捉えました。GroELと他のタンパク質の混合溶液に高濃度の硫酸アンモニウムを加えると、塩析でできたタンパク質液滴の中央部に必ず粒状物質が存在するという現象です。しかし「これは何？」との私の質問に対する彼の答えは「おそらくGroELではないか」という曖昧なものでした。その後、関連研究において末端に色素を導入したポリエチレングリコール（PEG）の共焦点画像を解析する中、彼は高濃度の硫酸アンモニウム存在下において、無発光の中心を持つ無数のリングがガラス基板に付着することに気づきました。彼はこの画像を見て「色素を持たないPEGがコンタミしており、それが無発光のリング中央部を形成しているのではないか」と考え、それを実証しました。この瞬間、Gong君のエンジンは全開になりました。彼は前例のないこの現象の解明に没頭し、自らの能力を最大限に活かし、さらに磨きをかけながら謎解きを進めました。私とも頻繁に議論を交わし、私も自分の科学的常識にそぐわない点を指摘し続けました。また、駒場キャンパスの柳澤実穂先生にも共同研究をお願いしました。

末端に色素を有するPEGの研究が進み、私たちは成果をNature誌に投稿しました。しかし、多くの厳しいコメントが寄せられ、編集者からも「核酸などの生体高分子の分離への応用展開」を求められました。論文の受理を確信していたGong君はひどく落ち込みました。しかし、別の雑誌に投稿し直すかと私が尋ねると、彼の答えは「ノー」でした。そして、彼は再びエンジンを吹かせる決断をしました。核酸の質量分析を同学科の鈴木勉研究室に担当いただき、最終的に論文のアクセプトにこぎ着けました。その時、そこにいたGong君は、4年前に本郷に移ってきた気ままな学生とは別人でした。彼は小さな気づきから派生したアイデアを何度も再考し、最終的に「二重液-液相分離」という普遍的な現象へと昇華させました。この未曾有の経験は、彼が一流の科学者として活躍していくために不可欠なターボエンジンへと変わったのです。この類まれな若く優秀な研究者の未来が、これからも楽しみでなりません。

今回のインタビューでは、論文掲載に至るまでの裏話など、論文には語られない現場のリアリティをたくさんお話ししていただきました。それでは、インタビューをお楽しみください! なお、今回は英語で行ったインタビューをケムステスタッフが日本語に翻訳したものとなります。Gong 博士の英語での回答は記事の最後にありますので、Gong 博士の生の声を聴きたい人は、記事最後までジャンプしてください。また、中国語でのインタビューもケムステ中国版サイトで近日公開される予定です。

Q1. 今回 Nature に掲載された研究はどのような内容ですか?

私のここ４年間の研究を広く周知させることのできるインタビューをオファーしてくださり、心から感謝します。私は東京大学でポスドク研究員をしている Hao Gong で、この Nature の論文の筆頭著者であり責任著者の一人でもあります。もう一人の責任著者は、もちろん私の博士課程の指導教官である相田卓三卓越教授です。

今回 Nature に掲載された論文は、ある種の固液界面での液–液相分離 (liquid–liquid phase separation: LLPS) が、構造が酷似する巨大分子を同心円状に分離できることを報告しました。この現象は、同心円状分離、あるいは 二重 LLPS (double LLPS) とも名付けることができます。私は、この分離現象をはじめにポリエチレングリコール (PEGs) とタンパク質で発見しました。そして、その後この現象を DNA や RNA などの核酸の分離にも拡張しました。同心円状分離の原理の理論はPEG をモデル分子として構築され、この現象の応用はほぼ同一の DNA の精製で示しました。具体的にはこの現象は、ヒトのガンを引き起こす一塩基変異核酸を無変異体との 1 : 1 混合物から 97% の純度で選択的に単離することができます。

Q2. この研究の最も気に入っている点はどこですか?

発見の経緯です:
私は、上述の興味深い現象を PhD課程の 1 年目の最後に偶然発見しました。PhD 課程の始めの一年のほとんどは、もともとの研究テーマの進捗が全くありませんでした。もともと任されたプロジェクトは、化学反応によってタンパク質を修飾し、緩衝溶液中である種の自己集合を達成することでした。相田先生とのディスカッションの後、その夏になって初めて、私たちは元々のアプローチから、伝統的で流行りではない手法 “塩析 (塩を加えることで水溶液中から溶質を析出させる現象)” へ変更することを決めました。タンパク質の修飾に取り掛かるよりも前に、私はこの現象を参照分子 (蛍光標識された PEG) で発見していました。

それはビギナーズラックだったのかもしれません: 2020 年の 9 月 25 日の午後に、私は部分的に蛍光標識された未精製の PEG を使って対照グループ実験を行いました。塩析されたサンプルをガラスプレート上にドロップキャストすることで調製された検体をレーザー共焦点走査顕微鏡 (confocal laser scanning microscopy) で観察したところ、緑色の蛍光を発する無数のドーナツ状の円環が観測されました (Figure 1)。私の常識では、塩析する高分子は、たいてい沈殿、ゲル化あるいは液滴生成するので、私が観測するであろうものは円環ではなくて塗りつぶされた円だと思っていました。当時、円環の外側の緑色蛍光を発する部分は、末端で蛍光修飾された PEG であると理解できましたが、内側のコア部分が何でできているかは未知でした。すぐあとに、精製された蛍光標識 PEG を使用して同様の実験を行ったところ, 塗りつぶされた円のみが観測されたので、蛍光を示さないコア部分は標識されていない原料であるとわかりました。それらの円環に関する次の研究は、それらが三次元的に空洞を持つ球体か二次元的なドーナツかを調査することに焦点を当てました。すべての円環は、ガラスプレートと塩水 (えんすい; 訳注 ここでは硫酸アンモニウム水溶液) の界面に現れていたことを発見した時、それらの円環は実際にドーナツ状 (二次元的) であることを理解しました。要するに、私は似た構造を持つ高分子 (末端の蛍光標識があるかないか) を、水、塩そしてガラスプレートだけを利用することで同心円状に素早く分離できる手法を発見したのです。

Figure 1. レーザー共焦点走査顕微鏡を用いた末端が異なる PEG の円心状分離の可視化

その次の 2 年間程は、実験と共著者である柳沢実穂准教授との議論を通して、同心円状分離のメカニズムの解明に取り組みました。手短に言うと、同心円状分離は連続する 2 つの液–液相分離 (LLPS) 過程を含みます (Figure 2)。一次LLPS は溶液中で起こり (塩析)、二次 LLPS は固–液界面で起こり、二次 LLPS はその界面で自発的に生成した塩の層が引き起こします。この研究は、あらかじめ計画されたプロジェクトではなく、予期せぬ発見によって始まったことと私の全体の貢献を考慮して、相田先生はこの研究において私は責任著者であろうということをかなり早い段階でおっしゃいました。

Figure 2. 似た構造を持つ水溶性高分子の二重液液相分離を用いた同心円状分離のコンセプトと手順のイラスト.

Q3. この研究で最も難しかったところは何ですか? それをどのように乗り越えましたか?

一番難しかったのは、応用を実証する部分でした。
もともとの論文の原稿の応用パートは、塩溶 (salting-in) を利用した末端が異なる PEG の選択的抽出で構成されており、この研究の最初の原稿は2022 年 11月20日に Nature に投稿しました。残念なことに、3 人のレビュワーにレビューされたのちに 翌年 1 月 10 日にリジェクトされました。Nature のエディターは、「3 人のレビュワーはこの観察は面白いと思ったが、メカニズムが欠けており、分離の応用もとても限られている」とおっしゃっていました。この研究はいまだ発展段階にあると考えて、私たちはこの投稿を閉じることを決めました。上のコメントに加えて、私たちは合計およそ 40 の建設的なコメントをいただきました。

このとき以降、私は PEG の分離から DNA の分離へと完全に移行することにしました。最初は、私がリビジョンのために使用した DNA は、どの生物の塩基配列から来ているものではありませんでした。半年後のグループミーティングで、なぜ私が生物学的に意義のない配列を使用したのかを聞かれたとき、最初の塩基配列に関する決定のせいでほどんどの努力が無駄であったと気づきました。私は、生物学的に意義のある配列を選ばなければならなかったのです。それ以来、私のさらなる研究のための DNA 配列は、ヒト BRAF 遺伝子から取得されています。この遺伝子は、単一の点変異を引き起こすと、様々なヒトの腫瘍や癌を引き起こすことがよく知られているからです。

塩基配列は生物学的に意味を持っていましたが、それらの酷似した構造を検出する手法が私たちにはありませんでした。末端修飾された PEG と違い、DNA は染色修飾や可視吸収なく、たとえ精製に成功できたとしてもその DNA の純度を定量化することができませんでした。2023 年の 9 月に、相田先生の紹介により、私たちの学科にいるRNA と質量分析の専門家である鈴木勉教授に連絡を取りました。鈴木研究室のポスドク研究員である坂口裕理子博士の助けにより、私たちは円心状分離されたサンプルから抽出された DNA の比率を疑いなく決定することができました。たくさんの冗長な抽出実験により、最後のパズルが 2024 年 5 月に達成されました。その後の論文の執筆と Nature への再投稿は大変円滑に進みました。

Q4. これからの研究の目標は何ですか?

今回提案した円心状分離の理論は新しいので、私はまずはこの理論の完成の努力を続け、さらにはこの革新的な発見が学術界における液液相分離や固液界面の伝統的な理解を変えることができればと思います。そして、この分野におけるさらなる研究に良い影響を与えることができればと思います。
既存のキャピラリー電気泳動にもとづく Sanger シークエンサー法のような遺伝子診断技術がたいてい半日から数日かかることから、さらなる今後の応用として、この発見が生命科学における精密な核酸分離として利用できるのではないかと相田先生と私は期待しています。

Q5. 読者の皆さんにメッセージをお願いします!

この研究に興味を持ってくださったすべての読者の方々に、心からの感謝を申し上げます。この研究は、科学的な発見だけでなく、忍耐力、好奇心、そして共同研究によって可能になりました。
科学的な発見はしばしば予測できません。同心円状分離の発見に向けての私の旅路はその証明です。予期せぬ発見として始まったものが、詳細なメカニズム研究へと発展し、最終的には実用的な応用研究へと至りました。私は、このストーリーが研究で挫折に直面している読者を勇気づけるものであってほしいと思います。
科学の進展におけるもう一つの重要な側面は、積極的で物怖じせず議論に参加する能力です。会話を始めて、建設的な討論をすることは、アイデアを改善し、仮定に異議を申し立て、発見を前進させます。したがって、私は、すべての研究者、とくに若い研究者が、活発にフィードバックを求め同僚やメンターと議論を交わすことを勧めます。
最後に、私の博士課程の指導教官である相田卓三卓越教授には、この旅路を通じての忍耐強いサポートと指導をしてくださり、もともとは小さな発見であったものを Nature の論文へと発展させることを許してくださったことをもういちど感謝します。

研究者について

名前: Gong, Hao (龚 浩)
役職: ポスドク研究員
研究内容: ソフトマター科学, 超分子化学, 液–液相分離, コロイド化学

関連記事/リンク

• 相田卓三 Takuzo Aida (研究者データベース)
• 95% 以上が水の素材: アクアマテリアル (化学者のつぶやき)
• 相田研究室のホームページ

参考文献

1. Wang, Q.; Mynar, J. L.; Yoshida, M.; Lee, E.; Lee, M.; Okuro, K.; Kinbara, K.; Aida, T. High-Water-Content Mouldable Hydrogels by Mixing Clay and a Dendritic Molecular Binder. Nature 2010, 463 (7279), 339–343. https://doi.org/10.1038/nature08693.
2. Yanagisawa, Y.; Nan, Y.; Okuro, K.; Aida, T. Mechanically Robust, Readily Repairable Polymers via Tailored Noncovalent Cross-Linking. Science 2018, 359 (6371), 72–76. https://doi.org/10.1126/science.aam7588.
3. Gong, H.; Sakaguchi, Y.; Suzuki, T.; Yanagisawa, M.; Aida, T. Near-Identical Macromolecules Spontaneously Partition into Concentric Circles. Nature 2024, 636 (8041), 92–99. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08203-4.

英語でのインタビュー原文

Q1. Please briefly tell us about the research that was recently published in Nature

I am deeply grateful for this interview, which allowed me to make my work in the past four years go public.  My name is Hao Gong, a postdoctoral researcher at the University of Tokyo, the first and co-corresponding author of this Nature paper.  For another corresponding author, of course, it is my PhD advisor Distinguished Professor Emeritus Takuzo Aida.

This Nature publication reported that a particular liquid–liquid phase separation (LLPS) at solid–liquid interface allows near-identical macromolecules to partition into concentric circles.  This can also be referred to as concentric partitioning or double LLPS (DLLPS).  I initially found this partition phenomenon for poly(ethylene glycol)s (PEGs) and proteins, and later it was extended to partition nucleic acids, such as DNA and RNA.  The mechanism of the concentric partitioning was constructed using PEGs as model molecules, while the application part was composed of the purification of near-identical DNAs.  Namely, this finding led to the successful selective isolation of a human cancer-causing single nucleotide variant in 97% purity from its 1:1 mixture with the original DNA.

Q2. Which part of the research project do you like the most?

The discovery story:
I discovered this intriguing phenomenon serendipity at the end of the first year of my PhD.  During the majority of my first PhD year, I experienced a complete lack of progress in my original research topic.  This assigned project was to modify a protein through a chemical reaction to achieve a certain type of self-assembly in a buffer solution.  It was not until the summer, after discussing with Prof. Aida, that we decided to change our original approach by using a traditional and unfashionable method: “salting-out (a phenomenon of separating solutes from aqueous solutions by adding salt)”.  Before I was even moving to the modification of the protein, I found this using my reference molecule (a fluorescently labeled PEG).

Maybe it was beginner’s luck: I conducted the subsequent control group experiment using an unpurified partially fluorescently labeled PEG on the afternoon of September 25, 2020.  When I observed the specimen which was prepared by drop-casting the salting-out sample on a glass plate via confocal laser scanning microscopy, countless donut-like open circles that emit green fluorescence showed under the microscope (Figure 1).  To my common sense, what I observed should be a filled circle rather than open circle because the polymer undergoing salting-out is usually end up by precipitation, gel, or liquid drop formation.  At that time, it is understandable that the periphery part of the open circles that emit green fluorescence was composed of terminally fluorescent labeled PEG, while it was unknown what was composed of the core.  Soon after, I found those non-emissive core composed of non-labeled reactant because when I use the purified fluorescent labeled PEG, only filled circle was found.  The subsequent research on these open circles focused on whether they were three-dimensional hollow spheres or two-dimensional donuts?  When I found that all circles appeared at the interface between the glass plate and the salt water, I realized that these open circles were actually donuts (two-dimensional).  In short, I found a method to quickly separate a mixture of polymers with near-identical structures (with and without terminal fluorescent labels) into concentric circles using only water, salt, and a glass plate.

Over the next two years or so, through a series of experiments and discussions with one of my co-authors, Associate Professor Miho Yanagisawa, I was able to identify the mechanism behind this separation.  In short, concentric partitioning includes two consecutive LLPS events (Figure 2), the primary LLPS occurs in the liquid solution (salting-out), while the secondary LLPS occurs at the solid–liquid interface, wherein a spontaneously formed salt layer at this interface triggered it.  Since this research was initiated from an unexpected discovery rather than a pre-planned project, considering my overall contribution, at the very early stage of this study, Prof. Aida informed me that I would be a corresponding author for this work.

Q3. What was the most difficult part in this study? How did you overcome it?

The most difficult part was the accomplishment of the application part.

The original application part was consisted of the selective extraction via “salting-in” of terminally different PEGs, which was included in our first submission to Nature on November 20, 2022.  Unfortunately, it was rejected on January 10 of the following year, after being reviewed by three reviewers.  The editor of Nature told us that although three reviewers thought that this observation was interesting, the mechanism was lacking, and the separation application was highly limited.  Considering that this is still a research in its development stage, we decided to close this case.  Besides the comments above, we received a total of nearly 40 constructive revision comments.

From this moment since, I totally changed from the partitioning of PEGs to the partitioning of DNAs.  Initially, DNA sequences I used for the revision did not come from the gene sequence of any living organism.  When I was asked in a group meeting half a year later why I chose these sequences that had no biological significance, I realized that most of these efforts were in vain due to my previous decision.  So I must reselected those sequences.  Since then, the DNA sequences for my further research are from human BRAF gene, because it is well known to cause a variety of human tumors and cancers when it undergoes a single point mutation.

Although the DNA sequences had the biological meaning, we were still lacking a method to detect those near-identical structures.  Unlike those terminally labeled PEG, these DNAs have neither dye modification nor visible light absorption, indicating that we cannot quantify our DNA purity even though we could successfully purify them.  On September 2023, through Professor Aida’s introduction, I contacted Professor Tsutomu Suzuki who is the expert in RNA and mass spectrometry in our department.  With the help from one of his postdoctoral fellow Ms. Yuriko Sakaguchi, I could unambiguously confirm the DNA ratios from the extracts from the concentrically partitioned samples.  After many tedious extraction experiments, the final puzzle was accomplished until May 2024.  The subsequent writing and re-submission to Nature after that went very smoothly.

Q4. What are your future goals in your research?

Since the proposed concentric partitioning theory is a brand-new theory, I firstly hope that I could continue complete this theory and I also hope that this groundbreaking discovery can change the academic community’s traditional understanding for LLPS and solid–liquid interface, and thus have a positive impact on further research in this field.

For the future application, the existing gene diagnosis methods such as Sanger sequencing technology based on capillary electrophoresis often take half a day or even several days to complete, so, Professor Aida and I hope that this finding can be used for precise nucleic acid separation technology in life sciences.

Q5. Please give some comments to the readers

I would like to express my deepest gratitude to all the readers who is interested on this research.  This work represents not only the scientific findings but also the perseverance, curiosity, and collaboration that went into making it possible.

Scientific discovery is often unpredictable, and my journey toward uncovering concentric partitioning is a testament to that.  What started as an unexpected observation evolved into a detailed mechanistic study and ultimately led to a practical application.  I hope this story serves as an encouragement to those who face setbacks in research.

Another critical aspect of scientific progress is the ability to engage in proactive and fearless discussion.  Open dialogue and constructive debate help refine ideas, challenge assumptions, and drive discoveries forward.  So, I encourage every researchers, especially those at the early stages, to actively seek feedback and engage with peers and mentors.

Lastly, I would like to thank again my PhD advisor, Distinguished Professor Emeritus Takuzo Aida, for his unwavering support and guidance throughout this journey, allowing me to expand what was originally a small discovery into a Nature publication.

相田先生からのコメント

Dr. Hao Gong completed his undergraduate research in the laboratory of Dr. Jiaobing Wang at Sun Yat-sen University, who was formerly a postdoctoral researcher in may lab. He then joined the Aida Lab as a master student and began his research at RIKEN. However, due to various circumstances, his connection with me gradually weakened, and things started to become chaotic. He forgot to register the entrance examination for the PhD program, resulting in a six-month delay of his enrollment, and he inexplicably submitted his JSPS proposal in Japanese, only to be rejected after the interview. At that point, I asked him if he would be willing to spend his doctoral years in my base lab at the University of Tokyo. He agreed, and he moved to Hongo. As one might imagine from these events, he is free-spirited and not suited for a highly regulated environment. However, he is intensely curious and invests wholeheartedly in what he loves—whether that be traveling across Japan with a large DSLR camera hanging from his neck or purchasing a special camera to observe the night sky and staying up all night for his observations.

At the University of Tokyo, I assigned him to research the molecular chaperone GroEL, which had long been studied in my Lab. During this research, he captured a peculiar confocal image: when a high concentration of ammonium sulfate was added to a mixture of GroEL and other proteins, granular substances consistently appeared at the center of the protein droplets. When I asked him for details, he could only offer a vague response: “Perhaps it may be GroEL”. Later, through confocal imaging of polyethylene glycol (PEG) with a dye unit at its terminal, he noticed countless rings with darkened centers attached to a glass substrate—again in the presence of high concentrations of ammonium sulfate. From these images, he hypothesized that PEG without a dye unit had contaminated the sample, forming the non-emitting dark centers of the rings. He then confirmed this to be true. At that moment, the Gong’s engine went full throttle. He dedicated himself entirely to unraveling this unprecedented phenomenon, refining his skills and utilizing all his abilities. He frequently engaged in discussions with me, and I pointed out every aspect that did not align with my conventional scientific understanding. We also sought collaboration with Prof. Miho Yanagisawa at the Komaba Campus of the University of Tokyo.

As the research on PEG with terminal dye units progressed, we submitted our paper to Nature. However, the submission received numerous critical reviews, and the editor requested applications for the separation of biomacromolecules such as nucleic acids. Dr. Gong, who had been confident of acceptance, was understandably disheartened. However, when I asked whether he wanted to resubmit to a different journal, he replied, “No” and instead chose to reignite his efforts with even greater determination. With the support of Prof. Tsutomu Suzuki’s lab, which handled the mass spectrometry of nucleic acids, he ultimately succeeded in getting the paper accepted. The guy standing there was no longer the carefree student who had moved to Hongo four years prior. He had repeatedly refined his idea originating from his small notion and ultimately elevated it to the universal phenomenon of “double liquid–liquid phase separation”. This unprecedented experience transformed into a turbo engine essential for his career as a top-tier scientist. I am glad to continuously see what the future holds for this exceptionally talented young scholar.