• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実施状況報告書

単分子電気伝導度測定に基づく導電性DNAナノワイヤー創製

研究課題

研究課題/領域番号 15K13734
研究機関徳島文理大学

研究代表者

田中 好幸  徳島文理大学, 薬学部, 教授 (70333797)

研究分担者 梶本 真司  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (80463769)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード核酸関連化学 / 生物無機化学 / 生体構造化学
研究実績の概要

申請者のこれまでのメタロDNA分子(金属の一次元配列を有したDNA分子)の研究とバンド理論(固体金属の導電性理論)に基づく考察より、金属イオンの一次元配列に物理・化学的変調を加えて導電性を付与する方法論が見いだされた。本研究課題では、メタロDNA分子および四重鎖DNA分子の内部に形成される金属イオンの一次元配列に着目した単分子電気伝導度の直接測定およびDNA分子を構造基盤とした導電性ナノワイヤー/分子磁性体創製を目指す。本研究課題は、分子の構造と物性に基づくボトムアップ的機能性分子創製の戦略をとっている。従って、メタロDNA分子および四重鎖DNA分子の構造および物性の理解のさらなる深化をめざして、当該分子の構造/物性解析も並行して行うことも本研究の目的である。
なおメタロDNA分子および四重鎖DNA分子を導電性材料とするためには、長鎖の分子を作製する必要がある。したがって平成27年度は、メタロDNA分子および四重鎖DNA分子等(以下、メタロDNA分子と総称)の金属を内包した長鎖核酸分子の調製を目指した。なお長鎖メタロDNA分子の調製法について検討している過程で、共同研究者により、比較的長い金属配列を内包したDNA二重らせん分子の結晶構造が決定された。なお結晶構造によると、塩基対を組まずに外に出てしまっている核酸塩基も存在しており、金属イオンを結合して内包するのに関与する残基のみを残した単純なDNA配列を化学合成した。この合成したDNA分子を用いて、結晶外でも金属イオンを多数結合して金属配列をDNA分子内に形成できるかどうかを検討した。具体的には、NMR分光法を用いて当該配列に金属イオンを滴定したところ、期待通り多数の金属イオンが結合できることが判った。このようにナノワイヤーとして有望なDNA分子が見いだされた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

メタロDNA分子はそのままの状態では半導体レベルの導電性しか示さないと報告されている (Isobe's group, Chem. Lett., 2011, 40, 318等)。従って、メタロDNAを導電性ナノワイヤーとするには、何らかの物理的摂動或は化学修飾により「導電性を付与する」という発想の転換が必要である。なお固体金属の導電性は金属原子が長く連なっていることが必須条件となっている。従って、長鎖メタロDNA分子を作製することが、DNA分子に導電性を付与するための第一ステップとなっている。その観点から、本研究課題の最初の実験として、長鎖メタロDNA分子の調製、及び、調製法の検討を掲げている。当初の予定では、金属を介した塩基対(メタロ塩基対: T-Hg(II)-T、C-Ag(I)-C等)からなるDNA分子や四重鎖DNA分子(四重鎖内腔に金属イオンの一次元配列を包含)を用いた長鎖メタロDNA分子の調製を考えていたが、共同研究者の結晶構造解析により、第三の候補配列が現れた。共同研究グループ内では最も長い金属配列が形成されていたため、こちらの新規配列についての解析を今年度は優先することとした。なお単に同じ配列を調製するだけでなく、結晶構造を参考に不要と思われる残基を除去した改変DNA 配列も調製した。上述した通り、この改変DNA配列は、滴定実験の結果から多数の金属イオンを結合することがわかった。また、結晶構造解析が行われた配列自体も合成を行い、本配列のもつポテンシャルをさらに解析する準備を進めている。このように、本研究課題は順調に進行していると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまで述べた通り、メタロDNA分子に導電性を付与するためには、長鎖メタロDNA分子の作製が必須である。なお、今回新たに見いだされた配列以外にもナノワイヤー候補の核酸分子がいくつか存在する。具体的には、四重鎖DNA(G-quadruplex)、T-Hg(II)-T塩基対またはC-Ag(I)-C塩基対を連続して含むDNA二重らせん分子等がある。今後はさらに、四重鎖DNA(G-quadruplex)、T-Hg(II)-T塩基対からなるDNA二重らせん分子を構造基盤としたナノワイヤー調製法の検討も行いたい。具体的には、以下のような方法を考えている
1)T-Hg(II)-T塩基対またはC-Ag(I)-C塩基対からなる「数塩基程度の短いDNA二重らせん分子」をビルディングブロックとして、それらをDNAリガーゼ(DNA連結酵素)で連結し、長鎖メタロDNA分子を作製する。なお、T-Hg(II)-T塩基対またはC-Ag(I)-C塩基対はワトソン-クリック型塩基対のミミックとして働き、本塩基対を含むDNA二重らせん分子は酵素の基質となることが判っている。
2)四重鎖DNAの内腔の金属イオンを水銀イオンに置き換えたものを調製する。また効率的に内腔に水銀イオンを包含するための四重鎖DNAのアニーリングプロトコールを検討する。なお、水銀イオンはイオン半径がナトリウムイオンと同程度であり、内腔に包含されうる半径である。
3)新規に見いだした塩基配列について溶液中での金属イオンの結合状態を明らかとして、その構造を決定する。
これらの実験を並行して行うことで、長鎖メタロDNA分子の調製法を確立することを目指す。また得られたメタロDNA分子の導電性について、検証を行う。

次年度使用額が生じた理由

本研究課題申請時は東北大学に在席していたが、平成27年度に所属先が徳島文理大学にかわった。それに伴って、旧所属では必要であった試薬や機材の購入の必要がなくなり、当初予定額より支出が下回ったものである。

次年度使用額の使用計画

2年目となる平成28年度は、多くのDNAオリゴマーを合成しなければならない年となる。研究費は新規に合成を行うDNAオリゴマーの試薬購入に充てたいと考えている。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件)

  • [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)

    • 国名
      チェコ
    • 外国機関名
      チェコ科学アカデミー
  • [国際共同研究] VU University Amsterdam(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      VU University Amsterdam
  • [雑誌論文] Benchmark Theoretical and Experimental Study on 15N NMR Shifts of Oxidatively Damaged Guanine2016

    • 著者名/発表者名
      Martin Dracinsky, Michal Sala, Blanka Klepetarova, Jakub Sebera, Jiri Fukal, Veronika Holeckova, Yoshiyuki Tanaka, Radim Nencka, and Vladimir Sychrovsky
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B

      巻: 120 ページ: 915-925

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.5b11428

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct Detection of the Mercury-Nitrogen Bond in the Thymine-HgII-Thymine Base-pair with 199Hg NMR Spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Takenori Dairaku, Kyoko Furuita, Hajime Sato, Jakub Sebera, Daichi Yamanaka, Hiroyuki Otaki, Shoko Kikkawa, Yoshinori Kondo, Ritsuko Katahira, F. Matthias Bickelhaupt, Celia Fonseca Guerra, Akira Ono, Vladimir Sychrovsky, Chojiro Kojima and Yoshiyuki Tanaka
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 51 ページ: 8488-8491

    • DOI

      10.1039/c5cc02423d

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploring a DNA sequence for the three-dimensional structure determination of a silver(I)-mediated C-C base pair in a DNA duplex by 1H NMR spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Takenori Dairaku, Kyoko Furuita, Hajime Sato, Yoshinori Kondo, Chojiro Kojima, Akira Ono and Yoshiyuki Tanaka
    • 雑誌名

      Nucleosides, Nucleotides & Nucleic Acids

      巻: 34 ページ: 877-900

    • DOI

      10.1080/15257770.2015.1088160

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-resolution crystal structure of AgI-RNA hybrid duplex containing Watson-Crick-like C-AgI-C metallo-base pairs2015

    • 著者名/発表者名
      Jiro Kondo, Yoshinari Tada, Takenori Dairaku, Hisao Saneyoshi, Itaru Okamoto, Yoshiyuki Tanaka, Akira Ono
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 54 ページ: 13323-13326

    • DOI

      10.1002/anie.201507894

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structures, physicochemical properties, and applications of T-HgII-T, C-AgI-C, and other metallo-base-pairs2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Tanaka, Jiro Kondo, Vladimir Sychrovsky, Jakub Sebera, Takenori Dairaku, Hisao Saneyoshi, Hidehito Urata, Hidetaka Torigoe and Akira Ono
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 51 ページ: 17343-17360

    • DOI

      10.1039/C5CC02693H

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] C-Ag(I)-C塩基対を含むメタロDNAの立体構造解析2015

    • 著者名/発表者名
      古板 恭子, 大樂 武範, 児嶋 長次郎, 田中 好幸
    • 学会等名
      第54回NMR討論会
    • 発表場所
      習志野市
    • 年月日
      2015-11-06 – 2015-11-08
  • [学会発表] Structure of C-Ag(I)-C metallo base pair in RNA duplex2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshinari Tada, Takenori Dairaku, Itaru Okamoto, Hisao Saneyoshi, Yoshiyuki Tanaka, Akira Ono, Jiro Kondo
    • 学会等名
      第42回国際核酸化学シンポジウム
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2015-09-23 – 2015-09-25
    • 国際学会
  • [学会発表] NMR structure of a DNA duplex containing a silver-mediated C-C base pair2015

    • 著者名/発表者名
      Kyoko Furuita, Takenori Dairaku, Chojiro Kojima, Yoshiyuki Tanaka
    • 学会等名
      第42回国際核酸化学シンポジウム
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2015-09-23 – 2015-09-25
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2017-01-06  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi