Label-free direct measurement of protein conformation and intermolecular interactions in liquid-liquid phase separations

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K21468
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 47:Pharmaceutical sciences and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Nakabayashi Takakazu 東北大学, 薬学研究科, 教授 (30311195)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 液液相分離 / ラマンイメージング / 紫外共鳴ラマン散乱 / タンパク質 / 水 / 核酸 / 神経変性疾患 / 濃度定量

Outline of Final Research Achievements

LLPS is a phenomenon in which droplets with high concentrations of biological macromolecules are generated, and it has been pointed out that LLPS is related to various physiological reactions. However, the details of the relationship between LLPS and physiological phenomena have remained unclear due to the lack of an appropriate method for label-free measurement of droplets in a single droplet state. In this study, we succeeded in proposing that Raman microscopy and UV resonant Raman scattering, which provide label-free molecular information, can be powerful methods for LLPS studies. We showed that the concentration of biomolecules in a single droplet can be precisely quantified, and changes in concentration due to changes in the surrounding environment can be detected. In addition, we selectively detected the Raman bands of aromatic amino acid residues from UV resonant Raman scattering and investigated the state changes of proteins associated with LLPS.

Free Research Field

生物物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

LLPSは神経変性疾患の発症と関係することが指摘されており、LLPSによって生じた液滴から発症を誘起するタンパク質の凝集物へ変化することが示されている。本研究では、液滴から凝集物への変化について、どのような濃度変化、構造変化を経て、タンパク質の凝集物が生成するのかをラベルフリーで検討できる手法を提案する。液滴は生体高分子間の弱い分子間相互作用によって生成しているために、蛍光分子でラベル化すると分子間相互作用が変化してしまい、液滴を適切に評価できなかった。本研究ではラベルフリーかつ単一液滴の状態で化学情報が得られる有力な手法となり、凝集物変化の詳細を明らかにできる可能性がある。