2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum mechanism and regulation of radiation damage to DNA
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20H04338
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
横谷 明徳 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 統括グループリーダー (10354987)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒川 悠索 認定NPO法人量子化学研究協会, 研究所, 研究員 (30590731)
鵜飼 正敏 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80192508)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ハロゲン化DNA塩基 / 放射線増感効果 / シンクロトロンX線 / 光電子分光 / 価電子帯 / バンドギャップ / 量子化学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハロゲン原子であるBrやIをDNAに取り込ませると、放射線に対する細胞致死などの影響が大幅に増感することが知られており、がんの放射線治療における増感剤としての活用が期待されている。本研究の大きな目的は、この放射線増感メカニズムがハロゲン化によるDNAの局所の電子物性変化という量子事象に根差している可能性を探る点にある。昨年度まで実施してきたBrを含むDNA塩基（BrU）試料に加え、他のハロゲン化塩基である5-フッ化ウラシル（FU）、5-塩化ウラシル(ClU)、5-ヨウ化ウラシル（IU）、およびハロゲンを含まないウラシル（U）を新たに試料とし、単色のシンクロトロン放射を分光して得られる2.0keVのＸ線を用いた光電子分光（XPS）測定を実施した。U、FU、ClU、IUのそれぞれのペレット（直径10 mm、厚さ0.3 mm）を試料とし、高エネルギー加速器研究機構・放射光実験施設（KEK・PF）のBL-27AでXPS測定を行った。得られた結果から、Uの価電子帯の最大エネルギー準位は真空準位から-2.2 eVと深く絶縁体であることを示したのに対し、FU、ClU、IUのそれはそれぞれ-1.4、-0.8、-0.2 eVとなり、ハロゲンの原子番号が大きくなるほどバンドギャップが小さくなる傾向にあることが分かった。特にIUでは０eVに近づき、昨年までに得られたBrUと同様にハロゲンの存在による金属に近い電子状態の実現が放射線増感に深く関わっていると推測された。またこれらのハロゲン化塩基の炭素、窒素、酸素の１s光電子スペクトルも測定することができた。汎用の量子化学計算ソフトウェア（Gaussia16）の密度半価数法B3LYP/DGDZVPにより分子構造の最適化を行うとともにDV-Xα法による第一原理計算を実施し、炭素1s光電子ピークのピーク分離を行い各ピークの帰属も推定することができた。
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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
ハロゲン化塩基である5-フッ化ウラシル（FU）、5-塩化ウラシル(ClU)、5-ヨウ化ウラシル（IU）、およびハロゲンを含まないウラシル（U）の各塩基に関して、ペレット試料がXPS測定に適していることを突き止めた。試料作製を進め、予定していたこれらハロゲン化塩基の全てについて価電子帯及び炭素、窒素、酸素の１sの光電子スペクトルの測定に成功した。一方、これらを含むヌクレオシド、ヌクレオチド分子の市販製品は、微量でかつ価格が非常に高価であるためペレット試料には適さないことが分かった。新たな試料入手法を検討したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
ハロゲン化ヌクレオシド・ヌクレオチド分子試料の作成方法を検討するとともに、さらにDNAに構造が近いハロゲンを含むオリゴヌクレオチドについても新たに試料作成を検討する。PCRを用いた自作か、あるいは分子設計と生産を専門業者に委託するふたつの方法の検討を行う。実験技術としてのXPS測定手法はほぼ確立しており、上記の試料分子の検討を今後重点的に行いたい。
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Research Products
(3 results)
