環状ナフタレンジイミド-DNAによるカテナン構造を利用したDNAの固定化法開発

• 研究課題/領域番号: 21H01967
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分34020:分析化学関連
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 佐藤 しのぶ 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80510677)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2023年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2022年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2021年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: フェロセン化ナフタレンジイミド / 環状ナフタレンジイミド / DNAチップ / カテナン構造 / PCR / ナフタレンジイミド / PCR産物 / 電気化学的検出 / カテナン / 遺伝子診断 / PCR検出 / DNA

研究開始時の研究の概要

新型コロナウイルスの迅速な診断のため、本研究ではPCR産物の迅速な検出のための新規なDNA補足チップの構築を目指す。DNAの固定化には環状ナフタレンジイミド(cNDI)、DNA検出にはフェロセン化ナフタレンジイミドを用いる。PCR産物の検出のため、cNDIと二本鎖DNAとの相互作用解析と、電気化学的PCR産物検出のための条件の最適化を行う。RNAの逆転写反応を含め60分以内で検出することを目指す。

研究成果の概要

新型コロナウイルスの流行によりPCR検査による診断が一般的になった。しかし、PCR検査ではPCRサイクル数を増加させると高感度に検出できるが、プライマーダイマーの形成に伴う擬陽性の問題が生じる。そこで、低サイクルのPCR産物を高感度に検出する方法として、環状ナフタレンジイミド固定化電極によるPCR産物の電気化学的検出法を開発した。環状ナフタレンジイミド固定化電極ではDNAの末端を電極に補足し、その後2本鎖DNAに結合するフェロセン化ナフタレンジイミドを用いて電気化学的にDNAを検出した。新型コロナウイルスをモデルターゲットとしたところPCR 10サイクルで100コピーのRNAの検出に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

インターカレータ固定化電極でDNAをその末端で補足可能であることを明らかにすることができた。これは今後のDNAチップに様々な知見を与えるものと考えられる。また、PCR産物が簡便かつ高精度に検出できると新型コロナウイルスのような新たな感染症に対して、迅速に対応することができるため、パンデミックを防ぐことが可能になる。また、PCR検査は感染症だけではなく、様々な疾病や環境調査等に利用させているため、これらの検査を電気化学的手法で置き換えることが可能である。また、PCRだけではなくHCRやLAMP法など一定温度でDNAを増幅する手法にも適用可能であり、応用範囲は広い。

研究成果

• [雑誌論文] Biotinylated cyclic naphthalene diimide as a searching tool for G4 sites on the genome (2024)
  • 著者名/発表者名: Fujii Satoshi、Sato Shinobu、Hidaka Ryuki、Takenaka Shigeori
  • 雑誌名: Analytical Sciences 巻: 40 号: 5 ページ: 943-950
  • DOI: 10.1007/s44211-024-00551-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis of cNDI-Peptide-Dimer as a G4 Cluster-Selective Binder and its Interaction with G4 Dimer (2024)
  • 著者名/発表者名: Ono, K. Sato, S., Takenaka, S.
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 9 号: 16
  • DOI: 10.1002/slct.202401062
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemical Method for G-quartet RNA Detection of COVID-19 Based on Cyclic Ferrocenylnaphthalene Diimide (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuma Kaneyoshi, Shun Murakami, Takumi Ikeda, Kazuhisa Fujimoto, Satoshi Fujii, Shinobu Sato, Shigeori Takenaka
  • 雑誌名: Electroanalysis 巻: 35 号: 4
  • DOI: 10.1002/elan.202380401
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cyclic anthraquinone derivatives, unique G-quadruplex binders, selectively induce cancer cell apoptosis and inhibit tumor growth (2023)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Fukuda, Tingting Zou, Satoshi Fujii, Shinobu Sato, Daiki Wakahara, Sen Higashi, Ting-Yuan Tseng, Ta-Chau Chang, Naomi Yada, Kou Matsuo, Manabu Habu, Kazuhiro Tominaga, Hiroshi Takeuchi, Shigeori Takenaka
  • 雑誌名: pnasnexus 巻: 2 号: 7 ページ: 211-211
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad211
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cyclic ferrocenylnaphthalene diimides as a probe for electrochemical telomerase assay (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaneyoshi Shuma、Eguchi Nao、Fujimoto Kazuhisa、Fujii Satoshi、Sato Shinobu、Takenaka Shigeori
  • 雑誌名: Journal of Inorganic Biochemistry 巻: 230 ページ: 111746-111746
  • DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2022.111746
  • 査読あり
• [雑誌論文] 歯周炎スクリーニングのためのフェロセン化ペプチドを用いる電気化学的プロテアーゼ検出法 (2021)
  • 著者名/発表者名: SATO Shinobu、NAGATA Shinichiro、SHIMAMOTO Junpei、OKINAGA Toshinori、ARIYOSHI Wataru、USUI Michihiko、NAKASHIMA Keisuke、NISHIHARA Tastuji、TAKENAKA Shigeori
  • 雑誌名: 分析化学 巻: 70 号: 3 ページ: 199-206
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.70.199
  • NAID: 130008027522
  • ISSN: 0525-1931
  • 年月日: 2021-03-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Substituent effects of cyclic naphthalene diimide on G-quadruplex binding and the inhibition of cancer cell growth. (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukuda, H., Sato, S., Zou, T., Higashi, S., Takahashi, O., Habu, M., Sasaguri, M., Tominaga, K., Takenaka, S., Takeuchi, H.
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. Lett. 巻: 50 ページ: 128323-128323
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2021.128323
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical Modulation of DNA Replication along G-Quadruplex Based on Topology-Dependent Ligand Binding (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi, A. Kotar, H. Tateishi-Karimata, S. Bhowmik, Z.-F. Wang, T.-C. Chang, S, Sato, S. Takenaka, J. Plavec, and N. Sugimoto
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 143 号: 40 ページ: 16458-16469
  • DOI: 10.1021/jacs.1c05468
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ナフタレンジイミド固定化電極による電気化学的テロメラーゼ活性検出 (2024)
  • 著者名/発表者名: 東 祐大、佐藤 しのぶ、竹中 繁織
  • 学会等名: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [学会発表] フェロセン化ナフタレンジイミドによる電気化学的テロメラーゼ検出における検出条件の最適化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉永慎太郎・佐藤しのぶ・竹中繁織
  • 学会等名: 第60回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 環状ナフタレンジイミド固定化電極と逆転写酵素を組み合わせたRNA 検出法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山本真綾・佐藤しのぶ・竹中繁織
  • 学会等名: 第60回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] SARS-CoV-2の電気化学的検出法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤しのぶ
  • 学会等名: 日本分析化学会第72年会
  • 招待講演
• [学会発表] Interaction of cyclic ferrocenylnaphthalene diimdie with G-quadruplex RNA of SARS-CoV-2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Shigeori Takenaka・Shinobu Sato・Shuma Kaneyoshi
  • 学会等名: ISNAC2023, 第50回国際核酸化学シンポジウム
• [学会発表] 環状ナフタレンジイミド固定化電極を用いたCOVID-19由来のPCR産物の電気化学的検出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 しのぶ・廣岡 雄太・竹中 繁織
  • 学会等名: 日本化学会 第103春季年会(2023)
• [学会発表] 環状ナフタレンジイミド固定化電極による迅速かつ簡便なPCR産物の電気化学的検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 しのぶ, 廣岡 雄太, 竹中 繁織
  • 学会等名: 日本分析化学会 第71年会
• [学会発表] Development of electrochemical detection method for PCR products using cyclic naphthalene diimide-immobilized electrodes (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinobu Sato, Yuta Hirooka, Shigeori Takenaka
  • 学会等名: International Symposium on Nanomedicine2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] HCR を利用した電気化学的 miRNA 検出法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤しのぶ, 中原拓海, 竹中 繁織
  • 学会等名: ナノ学会19回大会
• [学会発表] 環状ナフタレンジイミド固定化電極を用いた簡便なDNAの電気化学的検出法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 廣岡 雄太, 佐藤 しのぶ,竹中 繁織
  • 学会等名: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] アミノ末端を有する環状ナフタレンジイミドを用いた二本鎖DNAの電極固定化と電気化学的検出法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 廣岡雄太, 佐藤しのぶ, 竹中繁織
  • 学会等名: 日本分析化学会第70年会
• [備考] 九州工業大学竹中研究室
  • URL: http://takenaka.che.kyutech.ac.jp/index.html