2022 Fiscal Year Research-status Report
DNAを用いる異種ナノ粒子アレイの構築と光学デバイスへの応用
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21K04814
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
宝田 徹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30336010)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 核酸 / DNA / ナノ粒子 / 自己組織化 / 透過型電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
異種ナノ粒子の２次元アレイは、太陽電池やセンサーへの応用が期待されている。本研究は、これらの製造技術になることを目指し、異種粒子の自己組織化法を開発している。原理として、短鎖DNAで覆われた粒子が示す特異なコロイド挙動を用いる。一本鎖DNAで覆われた粒子は、高塩濃度条件でも安定に分散するが、完全相補鎖を加えて粒子表面のDNAを二重鎖にすると、粒子は直ちに凝集する（非架橋型集合）。この集合はDNA末端の塩基対構造に強く依存し、DNA層の最表面に一塩基ミスマッチがあると粒子は安定に分散する。そこで本研究では、完全相補と末端ミスマッチの二重鎖DNAで被覆された粒子を、反復配列をもつ一本鎖DNA（鋳型DNA）に交互に結合させ、これに非架橋型集合による折りたたみを誘起して、基板上に異種粒子の２次元アレイを構築する。
本年度は、ナノ粒子の２次元アレイをセンサーに応用するための基礎検討を行った。まず、二重鎖DNAで修飾したナノ粒子に対して、さらにポリアクリル酸を表面に付着させることにより、pH変化に応答して凝集・分散するシステムの構築に成功した。具体的には、銀ナノ粒子の場合はpH 3で凝集して赤色を示し、pH 7では分散して黄色を示す粒子系が得られた。pH変化を目視検出できるセンサーへの応用が期待できる。次に、二重鎖DNAの塩基配列を最適化し、代表的ながん治療薬であるブレオマイシンの薬理活性（DNA切断活性）を目視判定できる測定システムを作成した。さらに、この粒子が薬理活性のメカニズム解明にも有効なツールになることを実証した。最後に、DNA修飾ナノ粒子とDNAアプタマーを組み合わせることにより、穀物への汚染が社会問題になっているオクラトキシンA（カビ毒）を目視検出する系を確立した。本研究のナノ粒子集合体が食品管理にも応用できることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画通り、大小２種類の金ナノ粒子で構成される１次元集合体を前駆体として作製し、平均300個以上の粒子からなる２次元アレイの構築にほぼ成功した。一方で、アレイに用いるDNA修飾ナノ粒子について塩基配列を適切に設計することにより、pHや薬剤前駆体（制癌剤）、環境汚染物質（カビの代謝物）に応答するシステムを構築することができた。しかしながら、これらの機能発現は孤立した単独粒子での実証にとどまっており、本年度では粒子集合体での機能検証には至っていない。粒子の数比や、粒子の全濃度、共存塩の種類と濃度、反応温度、反応時間を最適化することにより、２次元アレイにさまざまなセンサー機能を付与することを試みる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
設計通りの１次元集合体（ナノ粒子ポリマー）を作製するために、（１）固定用DNAの長さと塩基配列、（２）鋳型DNAと固定用DNAの二重鎖形成の反応条件、を再検討する。（１）に関しては、鋳型DNAにおける固定用配列間の長さ（スペーサー長）についても最適化を行う。（２）については、全粒子濃度、鋳型DNA濃度、反応温度、反応時間について検討する。長鎖の鋳型DNAへの固定化反応が不完全にしか進まなかった場合は、計画を変更してナノ粒子オリゴマー（2量体または3量体）を前駆体に用いる。これまで前駆体に用いてきたナノ粒子ポリマーと、新しいナノ粒子オリゴマーの違いは、オリゴマーについてはゲル電気泳動による精製法が確立されていることである。アガロースゲル電気泳動法によって所定のナノ粒子オリゴマーを分離抽出することにより、完全体の前駆体のみから２次元アレイを構築することが原理的に可能である。同一サイズの金ナノ粒子からなるオリゴマーのゲル分離精製については、すでに手法を確立して論文発表をしており、サイズの異なる粒子（粒径5 nmと15 nmの金ナノ粒子）からなる2量体または3量体についても、同様に分離精製できることを予備実験で確認している。分離精製されたオリゴマーは完全体なので、これらが非架橋型集合して与える２次元アレイは、ナノ粒子ポリマーの折りたたみで得られるアレイよりも正確な粒子数比を示すことが期待できる。最終的にはこの方法論を、金ナノ粒子と量子ドットからなるヘテロなナノ粒子オリゴマーへと展開し、異種ナノ粒子の２成分２次元アレイを構築してセンサー等に応用する。
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| Causes of Carryover |
先に述べたように、本年度は同一粒子（金ナノ粒子）のセンサー応用についての基礎検討を行った。分析対象を３種類以上に広げて検討し、一般性の確認を優先させたため、同種あるいは異種のナノ粒子からなる２次元アレイの作製は行うことができなかった。次年度は２次元アレイの作製とセンサー応用の検討を行うこととし、そのための生化学用試薬、粒子調製用試薬、プラスチック器具、ガラス器具、TEMグリッドなどの物品費（試薬・消耗品）として使用する予定である。
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