2021 Fiscal Year Annual Research Report
Nucleic Acid-Metal Complexes: Preparation, structure analysis, characterization of metal-DNA wires and metal nanocluster-DNA complexes.
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21H01956
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
小野 晶 神奈川大学, 工学部, 教授 (10183253)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 次郎 上智大学, 理工学部, 准教授 (10546576)
山田 亮 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20343741)
田中 好幸 徳島文理大学, 薬学部, 教授 (70333797)
鳥越 秀峰 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (80227678)
大樂 武範 奥羽大学, 薬学部, 助教 (80642636)
藤原 章司 神奈川大学, 工学部, 助教 (60737196)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | DNA nanowire / Metallo-base pair / Metal nanocluster / DNA architecture / Oligonucleotide / DNA synthesis |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第一に、可溶性“Ag(I)-DNAナノワイヤー”を合成したことである。即ち、緩衝液中、ドデカヌクレオチドとAg(I)イオンを混合することで、Ag(I)-DNAナノワイヤーを形成させる手法を見出した。塩基配列5’-d(CGCGCBCBCGCG)-3’ (B = 5-bromouracil)が重要であり、塩基配列を変えると、形の不揃いなAg(I)-DNA複合体が出来る。結晶構造から、このAg(I)-DNAナノワイヤーは、DNA二重鎖内部に11ヶのAg(I)イオンが連続していた。1残基短いウンデカヌクレオチド5’-d(CGCGCBCBCGC)-3’が、溶液中でAg(I)-DNAナノワイヤーを形成することを、可視・紫外、CD、NMR分光法、及び質量分析法を用いて証明した。論文投稿中である。
第二の成果は、塩基を化学修飾することで、様々な金属イオンをワイヤーに導入する手 法を開発したことである。4N-カルボキシメチルシトシン（X）を含むオリゴヌクレオチドを合成し、DNA二重鎖中にX-Xペアを形成させた。X-XペアにCu(II)イオンが結合し、安定な金属含塩基対、X-Cu(II)-X、が形成された。結晶構造からX-Cu(II)-Xはリバースワトソン・クリック配向であることが分かった。さらに、X-Cu(II)-Xは平行型DNA二重鎖中を安定化することを見出した。論文作成中である。
また、世界に先駆けて、塩基部に1,2-ジアミノベンゼン側鎖を結合したオリゴヌクレオチドの合成法を開発した。即ち、ジニトロベンゼン側鎖を結合したオリゴヌクレオチドを合成し、中性溶液中、Ti(III)溶液で処理することでニトロ基がアミノ基に還元された。さらにサリチルアルデヒド、遷移金属イオンを共存させると、メタロサレン骨格が形成された。即ち、オリゴヌクレオチド上に、様な金属イオンを結合する手法を開発した。
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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
2021年度、ウンデカオリゴヌクレオチドと11ヶのAg(I)イオンから形成される短鎖のAg(I)-DNAナノワイヤーの合成に成功した。さらに、Ag(I)-DNAナノワイヤーが、結晶中のみならず、溶液中でも安定に形成されることを証明した。短鎖であること、溶液中安定であることから、取り扱いが容易であり、種々の応用研究に利用することが期待される。第一に、Ag(I)-DNAナノワイヤーの物性解析に有用であると期待される。さらに、Ag(I)-DNAナノワイヤーを連結することで、全く新しい構造を有する超分子複合体を構築することが期待される。また、修飾塩基を用いて、平行型DNA二重鎖を形成する金属含有塩基対を形成させることに成功した。平行型DNA二重鎖は、DNAをナノ構造体構築に利用する上で、新しい構造ユニットとなり得る。
また、世界に先駆けて、塩基部に1,2-ジアミノベンゼン側鎖を結合したオリゴヌクレオチドの合成法を開発したことは、大きな成果である。今後、ジアミノベンゼン骨格と金属イオンの結合、さらにメタロサレン骨格を形成させることで、DNAに結合する金属イオンの種類か大きく拡張することが期待される。即ち、「金属-DNAナノワイヤー」の合成と機能物質への利用研究は順調に進捗している。
「DNA－金属ナノクラスター複合体」の新規合成手法の開発を目的として、2021年度、アルデヒド側鎖を有するオリゴヌクレオチドの合成ルートを開発した。その目的は、アルデヒドの還元作用を利用することで、オリゴヌクレオチド上にAg(I)ナノクラスターを形成させることであるが、2021年度は実験に着手することが出来なかった。2022年度に実施すべき研究である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画の目的は、オリゴヌクレオチド（短鎖の合成DNA）と金属イオンから超分子複合体を合成する手法を開発し、さらに機能性物質として利用するための道筋を開拓することである。超分子複合体として「金属-DNAナノワイヤー」 と「DNA－金属ナノクラスター複合体」を研究対象とする。最前線に立つ研究者の共同研究であり、合成技術、構造解析技術、物性解析技術を駆使して“ナノ構造化学”の発展に貢献する計画である。
「金属-DNAナノワイヤー」の合成と利用：2022年度以降の研究は、第一に2021年度の研究で見出した「短鎖のAg(I)-DNAナノワイヤー」を物性解析（導電性、スピン偏極状態など）利用する。解析装置と技術を有する共同研究者を探して、測定を依頼する。また「短鎖のAg(I)-DNAナノワイヤー」を構造ユニットとする新規ナノ構造体の構築を試みる。
塩基を化学修飾することで、様々な金属イオンをワイヤーに導入する手法を開発する。一例をあげると、核酸塩基のカルボニル基をチオカルボニル基に変換することで、AuやCuをはじめ、様々な遷移金属イオンが結合することが分かっている。金属イオンが変わると、磁性、光反応性、導電性など、物性のスペクトルが多様化すると期待される。
「DNA－金属ナノクラスター複合体」の合成と機能化：金属イオン（主にAgイオン）とオリゴヌクレオチドの混液を還元剤 （NaBH4など）で処理すると、金属ナノクラスターが生成して溶液が蛍光を示すが、オリゴヌクレオチドが結合することで安定な「DNA－金属ナノクラスター複合体」が形成される。2021年度、アルデヒド側鎖を有するオリゴヌクレオチドの合成ルートを開発した。2022年度以降は、還元性のアルデヒド基の利用することで、効率的にAgナノクラスターを合成する反応条件を探索する。
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