京大と英国オックスフォード大、ＤＮＡ分子モーターの動きをナノスケールでコントロールする事に成功

ＤＮＡ分子モーターの動きをナノスケールでコントロールする事に成功
−ナノ・メゾ空間での分子ロボットの開発へ−


　科学技術振興機構（ＪＳＴ）課題達成型基礎研究の一環として、京都大学（総長：松本紘）と英国オックスフォード大学（総長：クリス・パッテン）は、約１００ｎｍのＤＮＡ平面構造上に作成した経路で、ＤＮＡで作成した分子モーターの進行をナノスケールの精度で人為的にコントロールする技術を世界で初めて実現しました。これらの人為的な分子の運動の操作は、狙った所への分子の運搬や分子ロボットの基礎に役立つ技術となります。

　杉山弘　物質−細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ＝アイセムス）・理学研究科教授、遠藤政幸　ｉＣｅＭＳ准教授らの研究グループは、ＤＮＡ　オリガミと呼ばれる１辺１００ｎｍ程度の長方形平面構造体に進行方向のガイドとなるＤＮＡでできた「レール」が複数分岐したものを作成し、そのレールに沿ってＤＮＡ分子モーターを思った位置に移動させることに成功しました。さらに分岐点で、進行方向を人為的にコントロールし、ナノスケール下での分子の動きを制御し、高速原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使って数ナノメートルの解像度で観察することに成功しました。本成果により、あらかじめ設計したナノ・メゾ空間での分子の動作のコントロールが可能となり、ナノ・メゾ空間での分子の輸送や分子ロボットの開発につながるものと期待されます。

　本研究は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「プロセスインテグレーションに向けた高機能ナノ構造体の創出」研究領域における研究課題「生体分子情報−構造−機能統合ナノシステムの構築」（研究代表者：杉山弘）の一環として行われました。この成果は、ロンドン時間２０１２年１月２２日午後４時（日本時間２３日午前３時）に英科学誌「ネイチャー・ナノテクノロジー」オンライン版で公開される予定です。

１．背景
　分子の大きさの世界であるナノメートルスケール（１ｎｍは１０億分の１ｍ）で、分子を思ったとおりに並べて動かすテクノロジーは、化学の分野だけでなく、生物や物理など科学全般に重要なテーマです。分子は生物を構成する最も小さな単位であり、その分子が遺伝情報などのプログラムに従って規則的に集合し、組織化されることで高度に機能する生物に組みあがっていきます。こうした、規則に従って分子が集合する現象である自己集合を人為的に行うためには、あらかじめ分子に指令（プログラム）を書いておき、その指令に従って集合させる必要があります。ＤＮＡは四つの塩基がテープ状に配列された分子であり、塩基配列というプログラムにしたがって、２重らせんの形成を行います。同研究グループは、ＤＮＡの配列を設計することでさまざまな構造体を作成して、その上にさらに分子を思ったとおりに並べる技術を開発しています。この技術はＤＮＡオリガミ法と呼ばれます（図１Ａおよび用語解説参照）。この技術を使えば、一つ一つの分子を作成した構造上の好きな場所にナノメートル単位で正確に置くことができます（図１Ａ）。分子を見る装置は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で、数ナノメートルの大きさの分子を見分けることができます。同研究グループでは、分子モーターが動く様子をＡＦＭで直接観察する方法も開発してきました。さらにこれを応用して、複雑な経路をＤＮＡオリガミ上に作成し、あらかじめ組み込んだプログラムに従って、ＤＮＡモーターの進行方向をナノスケールでコントロールできる手法を開発し、この動きをＡＦＭで捉えることに挑戦しました。


２．研究内容と成果
　ナノメートルの世界で機械的な動きを再現できる分子機械は、反復運動や回転運動、移動など様々な運動ができるものが開発されています。今回の研究で用いたのはＤＮＡを使って作成したＤＮＡ分子モーターと呼ばれるもので、１方向へ移動していきます（図１Ｂ）。この中で、１列に並んだ１本鎖ＤＮＡ（図１Ｂ　緑色のＤＮＡ）に対してその相補鎖ＤＮＡ（ＤＮＡモーター、図１Ｂ　赤色のＤＮＡ）が結合し、２本鎖ＤＮＡとなると、この塩基配列で酵素が切断し、１本鎖ＤＮＡが短くなります。これによって、ＤＮＡモーターはより安定に結合できる隣の長い１本鎖ＤＮＡへ移動していきます。この反応が繰り返されれば、ＤＮＡモーターは１列に並べた１本鎖ＤＮＡ　に沿って順次移動していくことになります。次に、このＤＮＡモーターが動くためのレールとなる部分を作る必要があります。これには数ナノメートルの精密さで分子を決められた場所に並べる技術が必要になります。ここでは、ＤＮＡオリガミを使って平面構造を作り、その上に設計したとおりのＤＮＡモーターが動く１本鎖ＤＮＡからなる経路（レール）を作成しました（図２）。今回の研究では、経路が複数分岐したところを作り、指令に従って、ＤＮＡモーターの進行方向がコントロールできるか試みました。

　※図１、図２は添付の関連資料を参照

　ＤＮＡオリガミ法で作成した長方形の構造体の上に、１本鎖のＤＮＡを等間隔に並べ、三つの分岐点がある経路を作成します（図２　および図３Ａ）。ＡＦＭ画像では作成した経路の形をその通りに見ることができます（図３Ｂ）。この経路のスタートの位置にＤＮＡモーターを配置します。酵素反応により、ＤＮＡモーターはこの位置から順次隣のＤＮＡ鎖に移動していきます。まず、最初の分岐点でＤＮＡモーターは右か左かのどちらかに移動します。ここに、ＤＮＡモーターの進行を妨げる分子を導入しておけば、そちらの方向へは進めなくなります。つまり、ゲートの役割を果たすことができます。ゲートの仕組みは図３Ｃのようになり、あらかじめ、両側のゲートに２本鎖を形成させておけば、ＤＮＡモーターはどちらにも通過することができなくなります。このゲートの片側を開く、つまり、ゲートを形成している２本鎖から相補鎖を引き抜けば、そちらを通過できることになります。これにはゲートの相補鎖に余分な配列をつけておき、それと完全に相補的なＤＮＡを加えて結合させれば、引き抜くことが可能です。そうすれば、開いた方は１本鎖となり、そちらにＤＮＡモーターが進行できるようになります（図３Ｃ）。このようにあらかじめ設計した配列のＤＮＡでゲートを開くことができ進行方向をコントロールできます。

　ここでは、三つの分岐点の左右両側にゲートを設け、ＤＮＡモーターは二つの分岐点を通過して、最終的に四つの終着点までたどり着き、そこで停止します。１番目と２番目の分岐点でゲートを両方とも左に開いておけば、ＤＮＡモーターは最も左の終着点（Ｌ，Ｌ）の位置に到達します。同様に１番目の右のゲートと３番目の左のゲートを開いておけば、終着点（Ｒ，Ｌ）の位置にＤＮＡモーターを誘導できます（図３Ａ）。このＤＮＡモーターの動きをＡＦＭで時間を追って観察していきます。ＤＮＡモーターにはビオチンと呼ばれる分子が結合してあり、酵素反応後にタンパクであるストレプトアビジンをビオチンに結合することで、ＤＮＡモーターの位置をＡＦＭによって観察します（図４）。ＤＮＡモーターが最終的に到達した位置を調べると、ゲートの開いた方向へ、ＤＮＡモーターが進行していくことが明らかとなりました。つまり、分岐点でのゲートの開閉によって、ＤＮＡモーター分子の進行をコントロールでき、最終地点への誘導が可能であることが確かめられました。また、水溶液中でもこのＤＮＡモーターの進行方向のコントロールを確認しました。ＤＮＡオリガミ上の終着点に異なる蛍光基をあらかじめ配置しておき、ＤＮＡモーターに消光基（接近したときに蛍光が出ないようにする分子）を結合し、同じようにゲート操作とＤＮＡモーターの進行を行うと、ゲートの開いている経路の最終地点の蛍光だけが弱くなる（消光される）ことがわかりました（図４）。つまり、この系はＡＦＭ測定のような表面に固定した１分子観察だけでなく、水溶液中でも同様に進行することが確認できました。

　このように、本研究ではＤＮＡで作成した分子モーターをＤＮＡオリガミで作成した構造上に作成した経路でその進行をナノスケールの精度で人為的にコントロールする方法を世界で初めて実現しました。

　※図３、図４は添付の関連資料を参照


３．今後の期待
　今回の研究では、ＤＮＡオリガミ上にナノスケールのレールを敷き、複雑に分岐した経路と進行方向を決められるゲートを使って、分子モーターを思った通りの位置に動かす技術を開発しました。ナノスケールの精密さで分子の移動をコントロールする技術は開発段階であり、まだまだ展開していく可能性を秘めています。ここで示したとおり、ナノメートル単位で分子を思ったとおりに並べ操る技術や分子の動きをコントロールする技術はナノテクノロジーの重要課題であります。この研究のように思った通りに分子を組み上げ、ＤＮＡの配列、つまりプログラムに応じた分子の動きの操作が可能となり、ナノ・メゾ空間での輸送型の分子ロボットなどの開発につながるものと期待されます。


＜用語解説・注釈＞
●ＤＮＡオリガミ
　ＤＮＡから自己集合によって作成されるナノ構造体。２００６年にカリフォルニア工科大学のＰａｕｌ　Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄ（ポール・ロスムンド）博士によって開発された。鋳型となる長い１本鎖ＤＮＡ（７，２４９塩基）に設計した短い相補鎖ＤＮＡを加え、加熱、ゆっくり冷却することで、あらかじめ設計したＤＮＡナノ構造体と同じ形に自己集合させることができる。この方法で、長方形、三角形、星型、スマイルマークなどを作成することが可能である。

●原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
　走査プローブ顕微鏡の一つ。試料と鋭い探針の間に働く原子間力を利用して、試料表面の形状を測定する。探針はカンチレバー（板状のバネ）の先端に取り付けてあり、試料との間に原子間力が働くとカンチレバーがたわむので、その変位をカンチレバー背面へのレーザー照射とその反射光の検出によって測定する。試料台に取り付けられた圧電素子の制御によって試料をナノメートルスケールで走査することが可能である。今回の実験で使用したＡＦＭは１秒間に１５画像を取り込むことができる高速ＡＦＭである。

●メゾ
　「中間」を意味し、主に数ナノメートルから数百ナノメートルの領域を指す。分子は大きくても数ナノメートルであり、一方で細胞などの機能はマイクロメートルで発現する。その中間に存在するメゾスコピック領域は、生命現象の理解や結晶中における分子の「協同的な」動きといった、様々な課題において重要となる。メゾ科学は、幹細胞（ＥＳ／ｉＰＳ細胞など）研究と並び、ｉＣｅＭＳのキーコンセプトである。

●ネイチャー・ナノテクノロジー（Ｎａｔｕｒｅ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
　ナノテクノロジーに関する全ての領域において、特に秀逸で影響力の高い論文を掲載する学際的ジャーナル。化学・物理学・物質科学・バイオメディカル・工学といった、幅広い分野間の学際的な研究を奨励する。


＜関連リンク＞
・論文は以下に掲載されております。
　http://dx.doi.org/10.1038/NNANO.2011.253
　http://hdl.handle.net/2433/152384　（京都大学学術情報リポジトリ（ＫＵＲＥＮＡＩ））

【書誌情報】
“Ａ　ＤＮＡ−ｂａｓｅｄ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ｎａｖｉｇａｔｅ　ａｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｒａｃｋｓ”
　Ｓｈｅｌｌｅｙ　Ｆ．Ｊ．Ｗｉｃｋｈａｍ，Ｊｏｎａｔｈａｎ　Ｂａｔｈ，ＹｏｕｓｕｋｅＫａｔｓｕｄａ，Ｍａｓａｙｕｋｉ　Ｅｎｄｏ，Ｋｕｍｉ　Ｈｉｄａｋａ，Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ａｎｄｒｅｗ　Ｊ．Ｔｕｒｂｅｒｆｉｅｌｄ
Ｎａｔｕｒｅ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１１．２５３


・京都新聞（１月２３日　２５面）に掲載されました。