DNA分子鎖の高次構造の相転移現象に関する研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08044069
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 吉川 研一 名古屋大学, 大学院・人間情報学研究科, 教授 (80110823)
• 研究分担者: VASILEVSKAYA バレンチナ ヴィ ロシア科学アカデミー, ネスメヤノフ有機素子化合物研究所, 上級研究員 ; KHOKHLOV A.R ロシア科学アカデミー, ネスメヤノフ有機素子化合物研究所, 教授 ; 熊沢 紀之 茨城大学, 工学部, 助教授 (70137256)
• キーワード: 長鎖DNA / 一次相転移 / 単分子観察 / 蛍光顕微鏡 / 荷電高分子 / コイル-グロビュール転移 / モンテカルロ・シミュレーション / 単分子凝縮

研究概要

申請者らはDNA分子のコイル-グロビュール転移の特性やグロビュール微細構造の安定性について実験と理論の両面から明らかにすること、及びその高次構造制御の方法論の確立を目的として研究を行ってきた。本研究費のもとモスクワ大学と名古屋大学間で密に連携した共同研究を進め、以下に代表されるよう成果が得られている。
1.生体内に存在するポリアミン、スペルミン(4価)、スペルミジン(3価)に加え非天然物のジアミノプロパン(2価)を凝縮剤とした場合、DNAのコイル-グロビュール転移の転移点が凝縮剤の価数の違いに大きく依存することを蛍光顕微鏡法により実験的に示した。また、荷電高分子の多価カチオンによる凝縮転移の理論の構築を目指し、実際にポリアミン系の実験結果にほぼ一致する計算結果を得ており、DNAのコイル-グロビュール転移においては対イオンの並進エントロピーが大きく寄与していることを明らかにした。ここで述べた成果は、荷電高分子としての巨大DNAの構造転移について、理論・実験両面からアプローチした初めての研究例として特筆に値する。
2.高分子のかたさ(stiffness)とファンデルワールス力を考慮した簡単なモデルでホモポリマーの単分子凝縮のモンテカルロ・シミュレーションを行った。その計算の結果、トロイドやロッド等の構造体が自発的に生成することを明らかにした。この理論計算の結果は電子顕微鏡によって観察されるDNA分子の凝縮体とよく対応している。このシミュレーションの結果から、DNAに限らず、一般的に硬いポリマーは次のような性質を示しているものと予測される。(1)高分子鎖がstiffなとき、コイル-グロビュール転移は各々の鎖について、all-or-noneの一次相転移となる。(2)コイル-グロビュール転移には有限の幅の共存領域が存在する。このため高分子鎖のアンサンブルは緩慢転移を示す。

研究成果

• [文献書誌] Y.Yoshikawa: "Folding and Aggregation of DNA Chains Induced by Complexation with Lipospermine:Formation of a Nuclesome-Like Structure and Network Assembly" FEBS Lett.396. 71-76 (1996)
• [文献書誌] Y.Yoshikawa: "Daunomycin Unfolds Compactly Paked DNA" Biophys.Chem.61. 93-100 (1996)
• [文献書誌] S.G.Starodoubtsev: "Intrachain Setregation in Single Giant DNA Molecules Induced by Poly(2-vinylpyrrolidone)" J.Phys.Chem.100. 19702-19705 (1996)
• [文献書誌] V.V.Vasilevskaya: "Structure of Collapsed Persistent Macromolecule:Toroids vs.Spherical Globule" Biopolymers. 41. 51-60 (1997)
• [文献書誌] S.M.Mel'nikov: "Folding of Long DNA Chains in the presence of distearyldimethylammonium Bromide and Unfolding Induced by Neutral Liposomes" J.Chem.Soc.93. 283-288 (1997)
• [文献書誌] S.M.Mel'nikov: "First-Order Transition Large Single Duplex DNA Induced by a Nonionic Surfactant" Biochem.Biophys.Res.Commun.230. 514-517 (1997)
• [文献書誌] N.Emi: "Gene Transfer Mediated Polyarginine Requires a Formation of Big Carrier-Complex of DNA Aggregate" Biochem.Biophys.Res.Commum.231. 421-424 (1997)
• [文献書誌] E.Y.Kramarenko: "Collapse of Polyelectrolyte Macromolecules Revisited" Macromolecules. 30. 3383-3388 (1997)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Complexity in a Molecular String:Hierchical Structure as Is Exemplified in a DNA Chain" Complexity and Diversity,Springer. 81-90 (1997)
• [文献書誌] S.M.Mel'nikov: "Cooperativity or phase transition? Unfolding transition of DNA cationic surfactant complex" J.Chem.Phys.107. 6917-6924 (1997)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Highly Effective Compaction of Long Duplex DNA Polyethylene Glycol with Pendant Amino Groups" J.Am.Chem.Soc.119. 6473-6477 (1997)
• [文献書誌] H.Noguchi: "First-order phase transition in a stiff polymer chain" Chem.Phys.Lett.230. 184-188 (1997)
• [文献書誌] M.Takahashi: "discrete Coil-Globule Transition of Single Duplex DNAs Induced by Polyaminese" J.Phys.Chem.B. 101. 9396-9401 (1997)
• [文献書誌] Y.Yamasaki: "Higher Order Strucutre of DNA Controlled by the Redox State of Fe2+/Fe3+" J.Am.Chem.Soc.119. 10573-10578 (1997)
• [文献書誌] M.Ueda: "Stretching of Long DNA under Altemating Current Electric Fields in a Concentrated Polymer Solution" Polym.J.29. 1040-1043 (1997)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Folding transition in single long duplex DNA cahin" Progr.Colloid.Polym.Sci.106. 204-208 (1997)
• [文献書誌] S.M.Mel'nikov: "Cooperation between salt induced globule-coil transition in single duplex DNA complexed with cationic surfactant and sphere-rod transition of surfactant micelles" Progr.Colloid.Polym.Sci.106. 209-214 (1997)
• [文献書誌] Y.Ichiba: "Single Chain Observation in Collapse Transition in Giant DNA Induced by Negativery-Charged Polymer" Biochem.Biophys.Res.Commum.242. 441-445 (1998)