2014 Fiscal Year Annual Research Report
ＤＮＡを利用する重金属イオン除去膜、導電性ワイヤーの開発研究―構造、物性、応用
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24245037
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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, 助教 (10546576)
實吉 尚郎 神奈川大学, 工学部, 助手 (10564784)
南川 典昭 徳島大学, ヘルスバイオサイエンス研究部, 教授 (40209820)
田中 好幸 東北大学, 薬学研究科(研究院), 准教授 (70333797)
浦田 秀仁 大阪薬科大学, 薬学部, 教授 (80211085)
鳥越 秀峰 東京理科大学, 理学部, 教授 (80227678)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 環境浄化 / 水銀イオン / 金属含有DNA / 機能性核酸 / NMR / 結晶解析 / 等温滴定型カロリメトリー / DNA合成酵素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2012年度の研究で、2残基のチミンをアルキルリンカーで結合したチミンダイマーの合成ルートを確立し、金属イオンの結合を検討した結果、チミンダイマーは、他の金属イオンには結合しないで、Hg(II)イオンと選択的に結合することを明らかにした。2013年度は、チミンダイマーとHg(II)イオンの結合の熱力学的パラメータを、等温滴定型カロリメトリーにより解析した。2014年度は、チミンダイマーを結合した固相担体を合成した。固相担体としてポリスチレンを用いた。
チミンダイマー結合ポリスチレンは、水溶液中のHg(II)イオンを選択的に結合した（論文準備中）。
DNAを基盤構造とする蛍光性のHg(II)イオンセンサーを開発した。Hg(II)イオンが存在しないときはピレンのモノマー蛍光が観測されるが、Hg(II)イオンが存在するとエキシマー蛍光が観測される。
2013年から2014年にかけて、チミン―Hg(II)－チミン(T－Hg(II)－T)を有するDNA二重鎖の立体構造をNMR法、X-線結晶解析法で解析したが、これらの成果は著名な国際誌掲載され、高く評価された。2014年度は、シトシン―Ag(I)－シトシン、C－Ag(I)－C、を有するDNA二重鎖の溶液構造を解析した。窒素15で標識したシトシン残基を有するDNA鎖を合成し、多核NMR法を用いてC－CペアとAg(I)イオンの結合を解析し、シトシンN3位にAg(I)が結合していることを証明した。また、C－Ag(I)－Cを有するRNA二重鎖の結晶構造を明らかにした（論文準備中）。
DNA合成酵素、合成DNA鋳型とプライマーを用いて、Ag(I)イオン存在下でDNA合成を行い、A－Ag(I)－CとT－Hg(II)－Tの、二種類の金属含有塩基対を有する二重鎖を合成した。この成果は著名な国際誌掲載された。
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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
等温滴定型カロリメトリーによる研究から、チミンダイマーとHg(II)イオンの結合能が高いことが明らかとなった。チミンダイマーをHg(II)イオン除去剤へと開発するには、十分に良好な結合能であった。チミンダイマーを担体に結合し、Hg(II)除去材料とすることを試みた。即ち、チミンダイマーのリンカーに側鎖を伸長し、側鎖末端のカルボン酸を利用してアミノメチルポリスチレンに結合した。このチミンダイマー結合担体は、水溶液中にHg(II)イオンを結合した。担体を酸性溶液で処理することでHg(II)イオンを除去し、再度、水溶液中のHg(II)イオンの除去に用いる実験を繰り返したが、チミンダイマー結合担体は、再利用可能であった。
本研究では、金属含有DNA二重鎖の原子レベルの構造解析を達成した。しかも、NMR法による溶液構造、X-線回折による結晶構造の両方を達成し、それらの成果は著名な国際誌に掲載され、内外の研究者から高い評価を得ている。窒素15で標識したシトシン残基を有するDNA鎖を合成し、多核NMR法を用いてC－CペアとAg(I)イオンの結合を解析し、シトシンN3位にAg(I)が結合していることを証明したが、初めて得られたC－Ag(I)－Cの構造に関する情報である。また、金属含有塩基対を有するRNA二重鎖の構造解析に成功した。従来、DNA二重鎖を用いて金属イオンを配列させる研究を行ってきたが、RNA二重鎖を用いる研究にも扉が開かれたことは意義深い。
酵素合成法でDNA二重鎖中に金属含有塩基対を導入したことは意義深い。化学合成法では困難な長鎖のDNA鎖であるが、酵素法を用いて合成することが可能である。将来的には、長鎖の金属含有DNA二重鎖の合成に繋がる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
2015年度は、チミンダイマーを高分子合成用モノマーへと誘導し、重合反応に用いることで、チミンダイマーを結合した高分子担体とする研究を実施する。担体の構造を工夫して水系に混入した効率よくHg(II)を除去する手法を開発する。チミンダイマー結合担体を用いて、水溶液中のHg(II)イオンの除去実験を行う。水溶液中のHg(II)イオン量はICP（既存の設備）を利用する。
流水中のHg(II)イオンを検出するセンサーを開発する。2014年度に開発した、DNAを基盤構造とする蛍光性のHg(II)イオンセンサーを多孔性ガラスに結合する。ガラスに流水を通しながら蛍光を観察する。流水にHg(II)イオンが混入していると、ピレン蛍光が観測される。
2013年度はチミン―Hg(II)－チミンを有するDNA二重鎖の構造解析に成功し、論文を上梓することが出来た。2014年度は、シトシン―Ag(I)－シトシンを有するDNA二重鎖のNMR構造、RNA二重鎖の結晶構造を上梓した。2015年度は2－チオチミン塩基対や4－チオチミン塩基対など、複数の金属イオンを結合した塩基対の構造解析を実施する。また、これら、人工塩基と金属イオンの結合の熱力学的パラメータを解析する。新規金属イオン含有塩基対の開発研究も、継続すべき実験である。
核酸の糖－リン酸バックボーンの構造と金属イオン結合能の関係を研究することは重要である。2013年度までの研究にはデオキシリボ核酸を用いてきが、今後は、リボ核酸、キシロ核酸の金属イオン結合を研究する必要がある。酵素反応を用いて金属含有塩基対を有するDNA二重鎖を形成する研究では、連続する金属含有塩基対を有するDNA二重鎖の合成を目指す。
金属含有塩基対を有する二重鎖の導電性、磁性を解析し、機能性材料の開発に結びつける。
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[Journal Article] Hg2+-Trapping Beads: Hg2+-Specific Recognition through Thymine–Hg(II)–Thymine Base Pairing2014
Author(s)
Mituhiro Kuriyama, Kaichiro Haruta, Takenori Dairaku, Takuya Kawamura, Shoko Kikkawa, Kiyofumi Inamoto, Hirokazu Tsukamoto, Yoshinori Kondo, HidetakaTorigoe, Itaru Okamoto, Akira Ono, Eugene Hayato Morita,Yoshiyuki Tanaka
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Journal Title
Chem. Pharm. Bull.
Volume: 62
Pages: ７０９－７１２
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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