2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K04895
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
藤田 雅弘 国立研究開発法人理化学研究所, 前田バイオ工学研究室, 専任研究員 (50342845)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 核酸分子 / ソフト界面 / ナノ粒子 / 分子クラウディング / 枯渇効果 / X線散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子クラウディング下におけるDNAナノ粒子のエントロピー的秩序化によるナノ構造体形成とその制御に関する研究を推進する。DNAの柔軟性に起因する立体斥力や静電反発と、ポリエチレングリコール（PEG）存在下で発現する枯渇引力の弱い相互作用を巧みに制御することで、種々の三次元ナノ構造体が構築できることを実証する。
本年度は、核粒子として金ナノ粒子を用い、その表層をDNA 鎖で固定化した試料を対象に、PEG存在下での粒子の分散安定性を調べた。DNAナノ粒子が一本鎖（ss）DNAで覆われていると極めて高い分散安定性を示すが、あるPEG濃度以上で凝集し始めた。高塩濃度下ほど凝集させるのに必要なPEG濃度は低下した。粒子表層が完全相補鎖との二重鎖DNAで覆われている場合、さらに低い塩濃度で凝集した。これは二重鎖形成によるDNA鎖の剛直化に起因する立体反発力の低下によるものであり、そのぶん凝集しやすくなったためである。表層側に一塩基ミスマッチがある場合も高い分散安定性を示すことが知られているが、この粒子が凝集するのに要するPEG濃度はssDNAで覆われた場合と同程度であった。わずか一塩基ではあるが、ミスマッチによる自由度の高さに起因した反発力が、ssDNAによる立体反発力と同程度であることを初めて明らかにした。DNAナノ粒子の凝集構造を構造解析すると、粒子間距離はPEG濃度の増大に伴い短くなった。DNA鎖が互いに貫入しあって粒子が凝集し、枯渇引力の増大につれてその度合いが大きくなったといえる。粒子の凝集構造は乱れた構造であるが、あるPEG濃度で凝集させると、極めて秩序性の高い結晶様の構造へと誘導された。DNA鎖の立体反発力と静電反発力と枯渇引力とのバランスを上手く制御することで、高い規則性を有する三次元ナノ構造体を生み出すことができた。
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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
平成28年度の取り組みでは、金ナノ粒子にオリゴDNAを固定化したDNA担持金ナノ粒子（DNAナノ粒子）を対象にして、ポリエチレングリコール（PEG）存在下でのコロイド分散安定性の評価ならびに凝集構造体の溶液小角X線散乱（SAXS）解析を実施することを挙げていた。先ず、PEGを添加することでDNAナノ粒子間に枯渇引力を再現良く作用させることが可能であることを実証した。これにより、分散安定性のDNA末端構造や鎖長依存性を定量化できることを示すとともに、DNAナノ粒子の分散安定性におけるDNA立体斥力の効果の重要性を明らかにできた。PEG濃度を制御することで枯渇引力を容易に制御でき、従来得られなかった規則性の高い結晶様のナノ粒子凝集構造体が形成しうることも実証した。従来の誘導自己組織化とは異なる新しい概念での三次元ナノ構造体制御技術開発の道筋を示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の進捗状況が概ね当初の予定通りであるため，引き続きこれまでの計画に沿って研究を推進する。核となる金ナノ粒子の粒径を変えることで、構造秩序化に及ぼす核粒子サイズの影響を調べる。また、粒径の異なる粒子、あるいは材質の異なる粒子などを共存させることで、複雑な超格子構造形成の可能性を探る。さらには、粒子間すなわちDNA界面層間に働く相互作用を原子間力顕微鏡（AFM）により測定する。イオン強度や温度をコントロールしながら、液体環境下にてDNA界面層間の微小な力を計測する。DNA鎖長やPEG 濃度の効果などを調べる。
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| Causes of Carryover |
研究計画は概ね順調に進行しているが、消耗品費、特に試薬類のコストが当初想定していた額より低く抑え得ることができたため，平成28年度に残高が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
化学試薬ならびに生体試薬や器具類の購入や大型放射光施設での実験実施のための旅費に充当することにする。
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