2016 Fiscal Year Research-status Report
単分子電気伝導度測定に基づく導電性DNAナノワイヤー創製
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15K13734
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| Research Institution | Tokushima Bunri University |
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Principal Investigator |
田中 好幸 徳島文理大学, 薬学部, 教授 (70333797)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梶本 真司 東北大学, 薬学研究科, 講師 (80463769) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 核酸関連化学 / 生物無機化学 / 生体構造化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者のこれまでのメタロDNA分子（金属の一次元配列を有したDNA分子）の研究とバンド理論（固体金属の導電性理論）に基づく考察より、金属イオンの一次元配列に物理・化学的変調を加えて導電性を付与する方法論が見いだされた。本研究課題では、メタロDNA分子内部に形成される金属イオンの一次元配列に着目した電気伝導度の測定およびDNA分子を構造基盤とした導電性ナノワイヤー／分子磁性体創製を目指す。本研究課題は、分子の構造と物性に基づくボトムアップ的機能性分子創製の戦略をとっている。従って、メタロDNA分子および四重鎖DNA分子の構造および物性の理解のさらなる深化をめざして、当該分子の構造／物性解析も並行して行うことも本研究の目的である。
なおメタロDNA分子を導電性材料とするためには、長鎖の分子を作製する必要がある。したがって2015年度は、金属を内包した長鎖メタロDNA分子の調製を目指した。その過程で、連続した金属配列を内包したDNA二重らせん分子の結晶構造が共同研究者によって決定された。なお結晶構造をもとに、メタロDNA分子の形成に最適なDNA配列を設計した（余分な塩基を排除）。本DNA分子について、NMR分光法を行い、期待通り多数の金属イオンが結合できることが判った。このようにナノワイヤーとして有望なDNA分子が見いだされた。
本結果を受けて2016年度は、メタロDNA分子形成に最適な配列をさらに詳細に検討を行った。結晶構造解析が行われた配列そのものでも、NMRによる構造解析を行い、メタロDNA分子形成に相当する高分子量の複合体形成が確認できた（DOSY等）。なお上記結晶構造の論文審査の過程で、溶液内でのメタロDNAワイヤー形成の証拠提出の要求があったため、本結果とあわせて論文化を目指している。
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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
メタロDNA分子はそのままの状態では半導体レベルの導電性しか示さないと報告されている。従って、メタロDNAを導電性ナノワイヤーとするには、何らかの物理的摂動或は化学修飾により「導電性を付与する」という発想の転換が必要である。なお固体金属の導電性は金属原子が長く連なっていることが必須条件となっている。従って、長鎖メタロDNA分子を作製することが、DNA分子に導電性を付与するための第一ステップとなっている。その観点から、共同研究者の結晶構造解析により、第三の候補配列が示された。本結晶構造中では連続した金属配列が形成されていたため、本配列についての解析を2015年度は行った。なお、結晶構造を参考に不要と思われる残基を除去した改変DNA 配列も調製した。上述した通り、この改変DNA配列は、滴定実験の結果から多数の金属イオンを結合することがわかった。また2016年度は、結晶構造解析が行われた配列自体も合成を行い、NMRによる構造解析を進めた。一次元1H NMRスペクトルからは、三段階（一本鎖 > 二本鎖 > オリゴマー(ワイヤー)）の構造転移が観測された。さらにワイヤーの存在を証明するためにDOSYスペクトルも測定し、高分子量の分子種の存在を証明した。このように本配列のもつポテンシャルの解析を進めている。このように、本研究課題は順調に進行していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで述べた通り、メタロDNA分子に導電性を付与するためには、長鎖メタロDNA分子の作製が必須である。なお、今回新たに見いだされた配列以外にもナノワイヤー候補の核酸分子がいくつか存在する。具体的には、四重鎖DNA（G-quadruplex）等がある。今後はさらに、四重鎖DNA（G-quadruplex）を構造基盤としたナノワイヤー調製法の検討も行いたい。具体的には、以下のような方法を考えている。
１）四重鎖DNAの内腔の金属イオンを水銀イオンに置き換えたものを調製する。また効率的に内腔に水銀イオンを包含するための四重鎖DNAのアニーリングプロトコールを検討する。なお、水銀イオンはイオン半径がナトリウムイオンと同程度であり、内腔に包含されうる半径である。本実験を行うためのDNA分子は既にサンプル調製済であり、すぐにメタロDNA四重鎖形成の実験に移行できる。通常の中性条件で四本鎖を形成するDNA分子と水銀イオンを混合すると、水銀はグアニンのN1位に結合するため、その結合を阻害して四本鎖形成できる溶液条件検討の実験を計画している。
２）新規に見いだしたメタロDNA形成配列について溶液中での金属イオンの結合状態を明らかとして、その構造を決定する。現時点ので構造解析では、ナノワイヤーの存在を示すデータとしては、高分子量化した分子種がいることまでしか証明できていない。ワイヤー状分子の存在をSTM、AFM等の高分子量分子種の構造解析手法によって、直接観測を目指したい。
３）メタロDNAの結晶を用いて、金属配列の導電性を検証する。方法としてはプロープ顕微鏡、プローバーを用いて、結晶内の金属配列の両端に電極を配して、直接的な導電性観察を目指す。
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| Causes of Carryover |
残額の大半は初年度の残額である。初年度残額が生じた理由は、以下の通りである。
本研究課題申請時は東北大学に在席していたが、2015年度に所属先が徳島文理大学にかわった。それに伴って、旧所属では必要であった試薬や機材の購入の必要がなくなり、当初予定額より支出が下回ったものである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
３年目となる2017年度は、多くのDNAオリゴマーを合成しなければならない年となる。研究費は新規に合成を行うDNAオリゴマーの 試薬購入に充てたいと考えている。また、導電性実験のための実験用消耗品代としても使用させて頂きたいと考えている。 特に新たな配列候補が現れたため、合成DNA配列のバリエーションが多数発生しており、これらを用いた解析に生かしていきたいと考えている。
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[Journal Article] The Structure Determination of AgI-mediated Cytosine-Cytosine Base Pair within DNA Duplex in Solution with 1H/15N/109Ag NMR Spectroscopy.2016
Author(s)
Takenori Dairaku, Kyoko Furuita, Hajime Sato, Jakub Sebera, Katsuyuki Nakashima, Jiro Kondo, Daichi Yamanaka, Yoshinori Kondo, Itaru Okamoto, Akira Ono, Vladimir Sychrovsky, Chojiro Kojima and Yoshiyuki Tanaka
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Journal Title
Chemistry - A European Journal
Volume: 22
Pages: 13028-13031
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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