自己組織化科学研究分野

附属エネルギー複合機構研究センター 自己組織化科学研究分野
講師:Arivazhagan Rajendran 教授(兼):森井 孝
DNA ナノ構造体を利用して、位相を制御した超分子集合体を構築します。そのような集合体を利用することで、分子スイッチやモーターや論理素子などの機能性材料の構築を目指します。

DNA ナノテクノロジーを駆使して機能性ナノ構造体を創造する

DNA は単に遺伝情報を伝達するためだけでなく、ナノ材料として大変魅力のある分子です。DNA が持つ高い分子認識能と自己集合能を利用してボトムアップ的手法により作製できるナノサイズの構造体が非常に注目されています。これまでに、DNA オリガミ法により作製したDNA ナノ構造体をさらに自己組織化させることで、マイクロメートルサイズの構造体を作製してきました。これらの構造体は、さまざまな生体分子と組み合わせることにより新しい機能性デバイスとしての利用が期待できます。
現在、同じエネルギー利用過程研究部門生物機能化学研究分野の森井 孝 教授らと、韓国のEwha Womans University のYoungjooKwon 教授らの研究グループと共同で、DNA ナノ構造体を利用して位相を制御した超分子集合体を構築し、その特徴を生かした機能性材料を構築することを目指した研究をおこなっています。これまでにも位相を制御した構造体が、DNA やDNA ナノ構造体の自在な成形能を利用して創られました。例えば、大環状の分子の穴を棒状の分子が貫通したロタキサン構造や2つ以上の大環状の分子の輪が絡み合ったカテナン構造などもDNA ナノ構造体を利用して作り出されてきました。しかしながら、これまでの研究は、ロタキサンやカテナン構造を作製することに注視しており、ロタキサンやカテナン構造の機能については、ほとんど注目されてきませんでした。
最近我々は、DNA ナノ構造体のフレーム内で、DNA を利用してカテナン構造やロタキサン構造を作製することに成功しました。このような構造体は、生体内でDNA の位相構造を変化させる酵素の機能評価に
利用できると考えられます。DNA トポイソメラーゼは、位相の異なるDNA 構造体を変換する酵素で、生体内の様々な機能に関与していることが知られており、抗がん剤や抗生物質のターゲットとして注目されています。しかしながら、DNA トポイソメラーゼの阻害剤の作用機序は多様で、阻害剤がどの過程をどのように阻害することができるのかを詳細に調べることが必要です。DNA ナノ構造体のフレーム内に構築したカテナン構造やロタキサン構造のDNA をDNA トポイソメラーゼの基質として利用すると、これまでには観測できなかった阻害剤の作用機序を評価することができると考えています。
現在、我々はDNA ナノ構造体上に構築したカテナン構造DNA やロタキサン構造DNA にトポイソメラーゼが作用する過程を、高速原子間力顕微鏡(HS-AFM)を用いた1分子観測により、詳細に観察することを目指しています。そして阻害剤が、多段階の反応機構のどの過程に関与するのかを区別して観測することを目指します。その上で、より効果的なDNA トポイソメラーゼ阻害剤のスクリーニングに応用することに取り組みます。

2021Self-Assembly_Science.pngDNAオリガミフレーム内に構築されたロタキサン構造DNA(上)とカテナン構造DNA(下)のイメージ図(左)とAFM画像(右)

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