| Project/Area Number |
22K19100
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹澤 悠典 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70508598)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
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| Keywords | DNA / 鎖置換反応 / 速度論 / 金属錯体形成 / 修飾核酸塩基 / 金属配位 |
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| Outline of Research at the Start |
DNA鎖置換は、一本鎖領域への入力DNA鎖の結合により開始し、ブランチマイグレーションによって二重鎖の組み換えが進む反応であり、DNA演算回路やDNA分子機械の開発に汎用されている。DNA回路の高機能化においては、個々の鎖置換の反応速度のチューニングが重要となる。そこで、始状態で二重鎖を組んでいるDNA鎖に金属配位性修飾ピリミジン塩基を導入し、金属イオン濃度依存的にワトソン・クリック型塩基対の安定性を微調整することで、鎖置換反応、特にブランチマイグレーションの速度制御を試みる。修飾塩基の種類・導入箇所や添加金属イオンの濃度を詳細に検討し、鎖置換反応の速度論の精密制御の方法論を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、動的DNAナノテクノロジーの根幹をなすDNA鎖置換反応の速度を、修飾ピリミジン塩基の金属配位により制御することを目的としている。本年度は、(1) 以前開発した5-ヒドロキシウラシル(UOH)塩基を用いたDNA鎖置換反応の詳細な解析、および (2) 5-カルボキシウラシル(caU)塩基を用いたDNA鎖置換反応の検討 を中心に研究を遂行した。
(1) UOH塩基を用いたDNA鎖置換反応の詳細な解析：UOH塩基は、水素結合型UOH-A塩基対および金属錯体型UOH-Gd(III)-UOH塩基対の双方を形成する。この性質を利用して、Gd(III)イオンを入力としたDNA鎖置換反応の開発を進めていた。本年度は、UOH塩基を用いたDNA鎖置換反応について、各種条件を変えて詳細な解析を行った。特に、種々の金属イオンの存在下での鎖置換反応の進行を評価し、Gd(III)やEu(III)などの希土類金属イオンに選択的に鎖置換が誘起されることを示した。これは、UOH塩基の金属錯体型塩基対形成の選択性とも合致する結果である。本成果は、以前に得られた結果と合わせてNat. Commun.誌に掲載された。
(2) caU塩基を用いたDNA鎖置換反応の検討：caU塩基は、水素結合型caU-A塩基対に加え、Cu(II)イオン存在下で金属錯体型caU-Cu(II)-caU塩基対を形成する。caU塩基を用いたDNA鎖置換反応の開発を目指し、caU塩基を3個含むDNA鎖の会合挙動を評価した。非変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動の結果から、Cu(II)イオン非存在下ではcaU-A塩基対を含む二重鎖が選択的に形成し、Cu(II)イオンを加えるにつれcaU-Cu(II)-caU塩基対を含む二重鎖が形成することがわかった。これは、Cu(II)イオンの添加によりDNA鎖置換反応を誘起できることを示唆する結果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、動的DNAナノテクノロジーの根幹をなすDNA鎖置換反応の速度論を、修飾ピリミジン塩基の金属配位により制御することを目指している。本年度は主に、5-ヒドロキシウラシル(UOH)塩基および5-カルボキシウラシル(caU)塩基に着目し、金属イオン存在下でのDNA鎖置換反応の検討を行った。具体的には、UOH塩基を導入したDNA鎖を用いた鎖置換反応について、添加する金属イオンの種類などの詳細な条件検討を行った。その結果、Gd(III)イオンなど希土類金属イオン存在下で鎖置換反応が進行することが示された。また、caU塩基を含むDNA鎖についても、Cu(II)イオン非存在下・存在下での会合挙動を評価し、Cu(II)イオンによる鎖置換反応の制御に向けた知見を得た。さらに、UOH塩基を用いたDNA鎖置換反応を応用し、Gd(III)イオンを外部刺激としたDNA高次構造の誘起や転写反応の制御の検討も開始した。修飾塩基の導入箇所の最適化をはじめ、塩基配列設計の検討には課題が残るものの、DNA鎖置換反応の速度論制御に向けた知見は得られつつあり、おおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は主に、5-ヒドロキシウラシル(UOH)塩基および5-カルボキシウラシル(caU)塩基を導入したDNA鎖を用いて、金属イオン存在下でのDNA鎖置換反応の検討を行った。
次年度は、修飾ウラシル塩基の数や導入位置を変えたDNA鎖を用い、DNA鎖置換反応の速度論の金属イオン依存性を詳細に解析する。特に、鎖置換反応の一過程であるブランチマイグレーションの速度制御に注力する。さらに、他の修飾核酸塩基を用いたDNA鎖置換反応の制御も検討する。また、修飾ウラシル塩基を含むDNA鎖の鎖置換反応を応用し、金属イオンに応答して高次構造が変わるDNAナノ構造体の構築も目指す。
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