Hydration switch system based on the surface structure dependence of DNA brush interactions

• Project/Area Number: 17K05992
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Polymer/Textile materials
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2021); Shinshu University (2017-2020)
• Principal Investigator: Kanayama Naoki 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (80377811)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: DNA / 水和 / ホフマイスター系列 / 光異性化 / ブラシ / 粒子間力 / コロイド粒子 / 分散凝集制御 / 光刺激 / マイクロ粒子 / スタッキング / 光ピンセット / マイクロビーズ / 核酸 / 光スイッチ

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study is to construct a "hydration switch" that controls interaction between DNA brushes based on changes in the local hydration state of their surfaces. Photoisomerization of azobenzene derivatives incorporated into the DNA duplexes was used as a trigger to locally change the hydration state of the DNA brush surface under both isothermal and isoionic-strength conditions. The photoisomerization of azobenzene moiety incorporated into the vicinity of the DNA brush surface could change the hydration states of nucleobases on the outermost surface as well as their base pairing status, and reversibly switch the attractive/repulsive interactions between DNA brushes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題で提案した水和スイッチの特徴は、DNA鎖の塩基配列や高次構造の変化などの大規模な構造変化を伴わず、DNA二重鎖の末端構造（末端塩基対合の有無）に対応した局所的な水和状態の違いに基づいてDNA鎖間相互作用を制御する点にあり、これは応用上の利点にも繋がる。実際に、DNA鎖間の相互作用を利用したDNAナノ構造体の集積化においては、構成ユニットの構造に干渉しない一定温度・イオン強度条件下で、迅速かつ可逆的な構造変換機能を集積体に付与できることを実証した。

Research Products

• [Journal Article] DNA Terminal-Specific Dispersion Behavior of Polystyrene Latex Microparticles Densely Covered with Oligo-DNA Strands Under High-Salt Conditions (2021)
  • Author(s): Hiroya Nakauchi, Mizuo Maeda, Naoki Kanayama
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 37 Issue: 3 Pages: 461-468
  • DOI: 10.2116/analsci.20SCP04
  • NAID: 130007996264
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2021-03-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photo-Switching of Blunt-End Stacking between DNA Strands Immobilized on Gold Nanoparticles (2020)
  • Author(s): Naoki Kanayama, Satomi Kishi, Tohru Takarada, Mizuo Maeda
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 93 Pages: 14589-14592
  • DOI: 10.1039/d0cc05085g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stochastic Binding Process of Blunt-End Stacking of DNA Molecules Observed by Atomic Force Microscopy (2018)
  • Author(s): Taito Sekine, Naoki Kanayama, Kazunari Ozasa, Takashi Nyu, Tomohiro Hayashi, Mizuo Maeda
  • Journal Title: Langmuir Volume: 34 Issue: 49 Pages: 15078-15083
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b02224
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 「見て・診る」ための金ナノ粒子 (2018)
  • Author(s): 金山直樹
  • Journal Title: ファルマシア Volume: 54 Pages: 31-35
• [Journal Article] ナノ粒子上のDNAブラシ層が示す特異な性質 (2017)
  • Author(s): 金山直樹・前田瑞夫
  • Journal Title: 高分子 Volume: 66 Pages: 110-112
• [Journal Article] 医療応用を指向したナノ粒子型DNAハイブリット材料 (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Journal Title: 工業材料 Volume: 65 Pages: 43-49
• [Presentation] 光ピンセットを用いたDNA末端間スタッキングのピコ力学解析 (2020)
  • Author(s): 金山直樹、中内宙弥、前田瑞夫
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
• [Presentation] 光刺激によるDNA二重鎖末端間スタッキングの可逆的制御 (2020)
  • Author(s): 金山直樹、宝田徹、前田瑞夫
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] 部位特異的なDNA鎖間のチカラをはかる ～ナノ・ピコ力学計測への挑戦 (2019)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 第50回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • Invited
• [Presentation] “スマートな色材”を指向したDNA修飾プラズモンナノ粒子 (2019)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 第50回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 種々の塩水溶液におけるDNA修飾コロイド粒子間力の計測 (2019)
  • Author(s): 中内宙弥、前田瑞夫、金山直樹
  • Organizer: 第68回高分子年次大会
• [Presentation] DNA二重鎖間スタッキングの光ピンセット法による力学計測 (2019)
  • Author(s): 中内宙弥、前田瑞夫、金山直樹
  • Organizer: 第29回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] 光ピンセットを用いる二本鎖DNA末端間スタキング現象の力学計測 (2019)
  • Author(s): 金山直樹、中内宙弥、前田瑞夫
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Presentation] DNA修飾コロイド粒子の非架橋凝集挙動におけるアルカリ金属塩の影響 (2019)
  • Author(s): 中内宙弥、前田瑞夫、金山直樹
  • Organizer: コロイド&界面科学研究センター 第5回研究討論会
• [Presentation] Terminal Sequence-specific Dispersion Behavior of DNA-functionalized Microspheres (2019)
  • Author(s): 中内宙弥、前田瑞夫、金山直樹
  • Organizer: 第29回 日本MRS年次大会
• [Presentation] Application of Optical Tweezers Technique to Measure Terminal-Specific DNA/DNA Interactions (2019)
  • Author(s): Hiroya Nakauchi, Mizuo Maeda, Naoki Kanyama
  • Organizer: 3rd International Symposium on Nanoarchitectonics for Mechanobiology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光ピンセット法による粒子間力計測に基づいたDNA二重鎖間相互作用の評価 (2019)
  • Author(s): 金山直樹、中内宙弥、前田瑞夫
  • Organizer: 平成30年度 日本生物物理学会 中部支部講演会
• [Presentation] 表面修飾ガラス基板上におけるDNA修飾金ナノ粒子の吸着挙動 (2018)
  • Author(s): 金山直樹，今村星香，前田瑞夫
  • Organizer: 第67回高分子学会年次大会
• [Presentation] 光ピンセット法によるDNA修飾マイクロ粒子間相互作用の評価 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 第67回高分子学会年次大会
• [Presentation] 光ピンセットによるDNA末端間相互作用の計測 (2018)
  • Author(s): 金山直樹，中内宙弥，前田瑞夫
  • Organizer: 第28回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] 光ピンセット技術を利用したDNA間相互作用のピコ力学計測 (2018)
  • Author(s): 金山直樹，中内宙弥，前田瑞夫
  • Organizer: 第67回高分子討論会
• [Presentation] 光ピンセットを用いるDNA修飾コロイド粒子間力の直接計測 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 光ピンセットを利用した末端部位特異的なDNA間相互作用の直接計測 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 第8回CSJ化学フェスタ2018
• [Presentation] 金属イオン選択的に誘起されるDNAコロイド粒子間力 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 信州コロイド＆界面科学研究センター 第4回研究討論会
• [Presentation] 金属イオン選択的に再構築されたDNA鎖間スタッキングの力学計測 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 第49回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
• [Presentation] Optical Tweezers Study of Terminal-Specific DNA/DNA Interactions Induced by Salts (2018)
  • Author(s): Hiroya Nakauchi, Mizuo Maeda, Naoki Kanayama
  • Organizer: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry (ISNAC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct Measurement of Double-Stranded DNA-Mediated Interparticle Force by Optical Tweezers (2018)
  • Author(s): Hiroya Nakauchi, Mizuo Maeda, Naoki Kanayama
  • Organizer: The 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ステム・ループ型DNAで覆われたDNAマイクロ粒子が示す末端塩基配列選択的な分散・凝集挙動 (2018)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 日本化学会 第98春季年会
• [Presentation] 機能性高分子としての化学合成DNA (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 機能性高分子材料研究会 平成29年度第1回研究会
  • Invited
• [Presentation] ブラシ状のDNA鎖が関わるコロイド・界面現象 (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 第68回 コロイドおよび界面化学討論会
  • Invited
• [Presentation] DNAブラシが関わるコロイド・界面現象の研究 (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 信州コロイド＆界面科学研究会 第3回研究討論会
  • Invited
• [Presentation] オリゴDNA鎖が関わるコロイド・界面現象 (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 平成29年度 富山大学生命融合科学教育部シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] DNAブラシ界面の設計と機能発現 (2017)
  • Author(s): 金山直樹
  • Organizer: 第39回日本バイオマテリアル学会大会
  • Invited
• [Presentation] DNA二重鎖ブラシ間相互作用の可逆的光スイッチング (2017)
  • Author(s): 金山直樹，宝田徹，前田瑞夫
  • Organizer: 第66回高分子学会年次大会
• [Presentation] 光によるDNAブラシ界面間力のスイッチング (2017)
  • Author(s): 金山直樹，宝田徹，前田瑞夫
  • Organizer: 第27回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] コロイドプローブAFM法によるDNAブラシ界面間相互作用の直接計測 (2017)
  • Author(s): 金山直樹，関根泰斗，尾笹一成，丹生隆，林智広，前田瑞夫
  • Organizer: 第66回高分子討論会
• [Presentation] ステム・ループ型DNAで覆われたマイクロ粒子の調製と分散挙動評価 (2017)
  • Author(s): 中内宙弥，前田瑞夫，金山直樹
  • Organizer: 信州コロイド＆界面科学研究会 第3回研究討論会
• [Book] 核酸科学ハンドブック (2020)
  • Author(s): 金山直樹・前田瑞夫
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 講談社サイエンティフィク
  • ISBN: 9784065207864
• [Book] 核酸科学ハンドブック (2020)
  • Author(s): 金山直樹、前田瑞夫
  • Publisher: 講談社サイエンティフィク