JP2009091467A - 機能性素材 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＮＡ（有機物）の機能を保持し、無機物の強さを有した機能性素材を提供する。
【解決手段】ＤＮＡと無機物とが結合した機能性素材。当該機能性素材がＤＮＡと無機性のカップリング剤（シランカップリング剤または金属アルコキシドなど）を混合して得られたもので、ＤＮＡに対し無機性のカップリング剤を５〜６０質量％混合、好ましくは１０〜５０質量％、更に好ましくは２０〜４０質量％で混合することにより作製された機能性素材。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＤＮＡを含有する機能性素材に関し、環境浄化材料、医療材料、電子材料、光材料、衣料用素材等として利用できる有機無機ハイブリッド材料に関する。

デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）は、生体内で遺伝子情報を司る物質であり、遺伝子解析やゲノム研究等の研究が盛んに行われてきた。一方、ＤＮＡを別の視点から見ると超高分子物質としてとらえることができる。ＤＮＡは自然界に大量に存在し、また二重らせんという特殊な構造により様々な物質と特異的、選択的に相互作用をする機能性材料でもある。
機能性材料としてのＤＮＡは、環境ホルモンや重金属を選択的に除去するといった環境浄化材料、医療材料、電子材料、光材料、衣料用素材などへの利用が期待されている（非特許文献１〜３）。また、無機物でＤＮＡをカプセル化する（非特許文献４）といったことも行われている。

西則雄，山田真路，劉向東；高分子52，134-137 (2003) 西則雄；機能材料 19，5-12 (1999) 山田真路，西則雄；放射線と産業90，13-18 (2001) A.Pierre，J.Bpnnet，A.Vekris，J.Portier， J.Mater.Sci.，12，51-55(2001).

前述したようなＤＮＡの機能性材料としての適用にあたって、いくつかの問題点が指摘されている。
例えば、ＤＮＡは水へ容易に溶解し、自然界に存在するＤＮＡ分解酵素により分解されてしまうといった欠点のため材料化は難しいとされている（非特許文献１）。

また、ＤＮＡを機能性材料として利用する多くのハイブリッド体は、ＤＮＡと有機物（非特許文献２ではアルギン酸、非特許文献３ではコラーゲン）との組み合わせであった。
さらに、無機物でＤＮＡをカプセル化する研究（非特許文献４）であっても、無機物中に低分子ＤＮＡを閉じ込めるというものであった。
このように、ＤＮＡ（有機物）の機能を保持し、無機物の強さを有した有機無機ハイブリッド材料は未だ知られていない。

本発明の目的は、ＤＮＡの機能を保持し、無機物の強さを有した有機無機ハイブリッド材料として利用できる機能性素材を提供することにある。

本発明は以下の（１）〜（９）に関する。
（１） ＤＮＡと無機物とが結合したことを特徴とする機能性素材。
（２） 上記（１）に記載した機能性素材において、無機物と結合する前記ＤＮＡが生物由来のＤＮＡであることを特徴とする機能性素材。
（３） 上記（１）または上記（２）に記載した機能性素材において、前記無機物が無機性のカップリング剤由来であることを特徴とする機能性素材。
（４） 上記（３）に記載した機能性素材において、前記無機性のカップリング剤がシランカップリング剤または金属アルコキシドであることを特徴とする機能性素材。
（５） 上記（４）に記載した機能性素材において、無機性のカップリング剤である前記シランカップリング剤が、ビス（トリメトキシシリルプロピル）アミンまたはビス［３‐（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミンであることを特徴とする機能性素材。

（６） 上記（４）に記載した機能性素材において、無機性のカップリング剤である前記金属アルコキシドの金属種が、ゲルマニウム、鉛、スズ、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、タングステン、マンガン及びホウ素から選ばれる金属アルコキシドであることを特徴とする機能性素材。
（７） 上記（３）から上記（６）の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を５〜６０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。
（８） 上記（３）から上記（６）の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を１０〜５０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。
（９） 上記（３）から上記（６）の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を２０〜４０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。

本発明によれば、ＤＮＡの機能を保持し、無機物の強さを有した有機無機ハイブリッド材料を提供することができる。

本発明は、機能性素材であって、ＤＮＡと無機物とが結合したことを特徴とする。
このような本発明では、ＤＮＡと無機物とが結合した機能性素材（ＤＮＡ−無機ハイブリッド体）とすることで、ＤＮＡの機能を保持しつつ、無機物の強さを有する、そのような材料を提供することができる。

本発明で用いるデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）としては、生物由来ＤＮＡ、組換えＤＮＡ、合成ＤＮＡのいずれであってもよい。
ＤＮＡとしては、一本鎖のものおよび二本鎖のもののいずれも用いることができるが、二本鎖のものが好ましい。

本発明において、ＤＮＡが生物由来のＤＮＡであることが望ましい。
生物由来のＤＮＡとしては生物由来であればとくに限定されず、例えばサケ、ニシン、タラ等の魚類の白子（精巣）から得られるＤＮＡ、ウシ、ブタ、ニワトリ等の哺乳動物あるいは鳥類の胸腺から得られるＤＮＡ等をあげることができる。
これらＤＮＡをそのまま用いることができるが、ハイブリッド体作製に適するように化学修飾したＤＮＡを用いてもよい。

本発明において、無機物として無機性のカップリング剤を用い、無機性のカップリング剤とＤＮＡとを混合して機能性素材とすることが望ましい。
本発明の機能性素材（ＤＮＡ−無機ハイブリッド体）を作製するために用いることのできるカップリング剤は、無機性のカップリング剤であればいずれも用いることができる。
なかでも、前記無機性のカップリング剤としては、シランカップリング剤または金属アルコキシドをあげることができる。
シランカップリング剤としては、シランカップリング剤であればいずれも用いることができ、例えばビス（トリメトキシシリルプロピル）アミン（ＳｉＮＳｉ）

あるいは、ビス［３‐（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン（ＳｉＮＮＳｉ）

等をあげることができる。
このほか、シランカップリング剤として、両末端にトリメトキシシリル基やトリエトキシシリル基等のアルコキシ基を有したシランカップリング剤やトリクロロシリル基のように加水分解するとシラノール基を生成するシランカップリング剤を用いることができる。

シランカップリング剤以外の無機性カップリング剤としては、例えば両末端にトリメトキシシリル基やトリエトキシシリル基等のアルコキシ基を有したゲルマニウム、鉛、スズ、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、タングステン、マンガン、ホウ素をあげることができる。

金属アルコキシドとしては、金属アルコキシドであればいずれも用いることができ、例えば金属アルコキシドの金属種が、ゲルマニウム、鉛、スズ、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、タングステン、マンガン及びホウ素から選ばれる金属アルコキシドをあげることができる。

本発明の機能性素材は、前述したＤＮＡおよび無機性のカップリング剤を適切な比率で混合することにより作製することができる。
ＤＮＡと無機性のカップリング剤との最適重量比は、使用する無機性のカップリング剤に応じて好ましい重量比より決定すればよい。
本発明においては、ＤＮＡ（例えば１０ｍｇ／ｍＬのＤＮＡ溶液）に対して無機性のカップリング剤を５〜６０質量％混合することが望ましい。なかでも、１０〜５０質量％混合することが更に望ましく、２０〜４０質量％混合するものが最も好ましい。

ＤＮＡと無機性のカップリング剤との混合にあたり、ＤＮＡを水に完全溶解させたＤＮＡ溶液を用いることが好ましい。通常、ＤＮＡを水に混合して室温で１２時間以上放置することにより、ＤＮＡが完全に溶解した溶液とすることができる。このようなＤＮＡ水溶液を用いることで、適切な成分比率のもとで無機物との混合を確実に行うことができる。

ＤＮＡと無機物との混合液は、テフロン（登録商標）板上等に滴下し、室温で１２時間放置することにより乾燥させることができる。
このようにして作製されたＤＮＡ−無機ハイブリッド体は、その素材内にＤＮＡの構造や機能を保持し、かつ無機物の強さを有した機能性素材であり、環境浄化材料、医療材料、電子材料、光材料、衣料用素材等として用いることができる。

以下、具体的な実施例により本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下に述べる実施例の内容に何ら限定されるものではない。

本発明に基づく機能性素材（ＤＮＡ−無機ハイブリッド体）を次の手順で作製した。
まず、サケ白子由来のＤＮＡ（分子量５００万以上、二本鎖）に純水を添加し、１２時間、室温で放置し、１０ｍｇ／ｍＬのＤＮＡ溶液を調製した。
次に、当該ＤＮＡ溶液に、ＳｉＮＳｉ（ビス（トリメトキシシリルプロピル）アミン、Ｇｅｌｅｓｔ社製）またはＳｉＮＮＳｉ（ビス［３‐（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、Ｇｅｌｅｓｔ社製）を５質量％，９質量％，２３質量％，３３質量％または５０質量％となるように添加した。

各々の添加液については、タッチミキサー（ボルテックス）で３０秒以上激しく攪拌、混合した。
そして、得られた各混合溶液を、テフロン板上に滴下し、室温で１２時間乾燥させ、各混合比率のＤＮＡ−無機ハイブリッド体を作製した。
このようにして得られたＤＮＡ−無機ハイブリッド体の各々に対して、以下に示す試験を行い、その特定を確認した。

［試験例１］水への安定性に関する試験
先に作製したＤＮＡ−無機ハイブリッド体を純水中（２０ｍＬ）に浸漬させ、時間経過ごとに２６０ｎｍのＡｂｓ（吸光度）を測定し、溶出するＤＮＡ量を求めることで、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の水への安定性を確認した。

試験例１の結果を図１及び図２に示す。
図１及び図２から明らかなように、ＤＮＡ−無機（ＳｉＮＳｉ、ＳｉＮＮＳｉ）ハイブリッド体を形成させることにより、ＤＮＡの溶出量を大幅に減少させることができ、無機物の濃度を濃くすることによりその効果を高めることができた。

［試験例２］生化学的な安定性に関する試験
先に作製したＤＮＡ−無機ハイブリッド体を２０ｍｌの緩衝溶液（２０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、５ｍＭ ＮａＣｌ、２．５ｍＭ ＣａＣｌ_２ ｐＨ７．４）に浸漬させ、１５ｕｎｉｔ／μｌのマイクロコッカルヌクレアーゼを１３．３μｌ添加し、３７℃で反応させた。当該反応液を経時的にサンプリングし、２６０ｎｍのＡｂｓを測定し、溶出したＤＮＡ量を求めることで、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の生化学的な安定性を確認した。

試験例２の結果を図３に示す。
図３から解るように、ＤＮＡのみの場合ではわずか２０分でほぼ完全に分解されてしまうが、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体では、分解時間を大幅に増加させることができた。
このことより、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体は、ヌクレアーゼ耐性を有していることが解る。

［試験例３］膨潤性に関する試験
実施例１で作製したＤＮＡ−無機ハイブリッド体をエタノール濃度０〜１００体積％の水溶液中に５分間浸漬させ、浸漬させる前と後での重量を測定した。
試験例３の結果を図４に示す。
図４から明らかなように、使用するカップリング剤によりＤＮＡ−無機ハイブリッド体の膨潤性をコントロールできることが解る。本試験において、ＳｉＮＳｉハイブリッド体よりＳｉＮＮＳｉハイブリッド体で膨潤性の大きいことが解る。

［試験例４］熱的安定性に関して
先に作製したＤＮＡ−無機ハイブリッド体を用い、示差熱分析（Differential Thermal Analysis、ＤＴＡ）及び熱重量分析（Thermo Gravimetric Analysis、ＴＧＡ）を行った。
試験例４の結果を図５及び図６に示す。
図５に示すように、ＤＮＡのみ及びＤＮＡ−無機ハイブリッド体においては、ＤＮＡの水分蒸発による６５℃付近の吸熱ピーク及びＤＮＡの燃焼による２３５℃付近での発熱ピークが認められた。しかしながらカップリング剤のみではこれらのピークは認められなかった。

図６に示すように、ＤＮＡのみ及びＤＮＡ−無機ハイブリッド体においては２３５℃付近でのＤＮＡ重量の減少が認められたが、カップリング剤のみではこれらのピークは認められなかった。
以上、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体はＤＮＡの物性に近いことが解る。つまり、元のＤＮＡの物性を保持しつつ、無機物の強さを併せ持つ機能性素材とすることができることが解る。

［試験例５］電子材料としての物性に関して
アガロースをＴＡＥ溶液１７ｍＬ中で１％になるように調整し、アガロースゲルを作製し、通常の方法で電気泳動を行った。
レーン１（図中では丸付き数字１で表示）にマーカー（マイクロチューブにＴＡＥ溶液９μＬ、染色液ＢＰＢ−ＸＣを２μＬ、Ｍａｒｋｅｒ６を１μＬ加え攪拌し作製）を入れた。
レーン２（図中では丸付き数字２で表示）に標準サンプル（ＴＡＥ溶液９μＬ、染色液ＢＰＢ−ＸＣを２μＬ、ｐＢＲ３２２プラスミドＤＮＡを１μＬ加え作製）を入れた。

レーン３（図中では丸付き数字３で表示）にＤＮＡ−無機（ＳｉＮＳｉ）ハイブリッド体サンプル（ｐＢＲ３２２プラスミドＤＮＡを９μＬ、ＳｉＮＳｉを１μＬ、ＴＡＥ溶液を８μＬ加え攪拌し、風乾させた後、ＴＡＥ溶液で洗浄し作製）を入れた。
前述したマーカー、標準サンプル、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体サンプルを入れた後、電気泳動を行った。
電気泳動を終えたアガロースゲルを０．５μｇ／ｍＬの臭化エチジウム溶液に入れ、染色した後、紫外線照射によりバンドを検出した。

試験例５の結果を図７に示す。
図７から明らかなように、ＳｉＮＳｉでハイブリッド化したＤＮＡ−無機ハイブリッド体サンプルは電気泳動を行い、電気を流しても、ＤＮＡが溶出していないことが解る。
以上より、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体は電子材料としての利用も期待することができる。

［試験例６］インターカレート機能に関して
実施例１で作製したＤＮＡ−無機ハイブリッド体（２３質量％ＳｉＮＳｉ）をＤＮＡが溶出しなくなるまで純水に浸漬させた後、風乾させた。当該ＤＮＡ−無機ハイブリッド体を、インターカレートすることの知られている臭化エチジウム５μＭ，１０μＭ，２０μＭ，３０μＭまたは５０μＭの溶液中に２４時間浸漬させた後、当該ハイブリッド体の４８０ｎｍにおけるＡｂｓ（吸収スペクトル）を測定した。以下の式（１）〜式（３）により集積量を測定し、ＤＮＡに対する臭化エチジウムの結合定数を決定した。

試験例６の結果を図１２に示す。
図８から明らかなように、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体は臭化エチジウムにより赤色に染色されたことより、ＤＮＡのみと同様に集積能を保持していることが確認された。
更に、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体による集積量を示した図８及び式（１）〜式（３）を用いて非線形最小二乗法により臭化エチジウムの結合定数を決定した。

その結果、結合定数Ｋは、８．５×１０^４Ｍ^−１であり、ＤＮＡの塩基対２．７個につき臭化エチジウムが１個インターカレートすることが解った。ＮＭＲ（各磁気共鳴）測定、蛍光測定、ＵＶ／Ｖｉｓ（紫外光／可視光）測定より求められた二重らせんＤＮＡに対する臭化エチジウムの結合定数Ｋは６．０〜１２．０×１０^４Ｍ^−１であり、ＤＮＡの塩基対２．０〜２．８個につき臭化エチジウム（ＥＢ）が１個インターカレートすることが知られている。
従って、前述した結合定数とｎ（ＥＢ１個に対するＤＮＡ塩基対の個数）がほぼ一致していることより、ＤＮＡ−無機ハイブリッド体はＤＮＡと同等のインターカレート機能を有していることが解る。

本発明は、ＤＮＡを含有する機能性素材であり、有機無機ハイブリッド材料として環境浄化材料、医療材料、電子材料、光材料、衣料用素材等に利用できる。

ＤＮＡ−ＳｉＮＳｉハイブリッド体の水への安定性を示す図である。 ＤＮＡ−ＳｉＮＮＳｉハイブリッド体の水への安定性を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の生化学的な安定性を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の膨潤性を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の熱量変化を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の熱分析による重量変化を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体の電気泳動を行った結果を示す図である。 ＤＮＡ−無機ハイブリッド体による臭化エチジウムの集積量を示す図である。

Claims (9)

1. ＤＮＡと無機物とが結合したことを特徴とする機能性素材。
2. 請求項１に記載した機能性素材において、無機物と結合する前記ＤＮＡが生物由来のＤＮＡであることを特徴とする機能性素材。
3. 請求項１または請求項２に記載した機能性素材において、前記無機物が無機性のカップリング剤由来であることを特徴とする機能性素材。
4. 請求項３に記載した機能性素材において、前記無機性のカップリング剤がシランカップリング剤または金属アルコキシドであることを特徴とする機能性素材。
5. 請求項４に記載した機能性素材において、無機性のカップリング剤である前記シランカップリング剤が、ビス（トリメトキシシリルプロピル）アミンまたはビス［３‐（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミンであることを特徴とする機能性素材。
6. 請求項４に記載した機能性素材において、無機性のカップリング剤である前記金属アルコキシドの金属種が、ゲルマニウム、鉛、スズ、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、タングステン、マンガン及びホウ素から選ばれる金属アルコキシドであることを特徴とする機能性素材。
7. 請求項３から請求項６の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を５〜６０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。
8. 請求項３から請求項６の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を１０〜５０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。
9. 請求項３から請求項６の何れかに記載した機能性素材において、前記ＤＮＡに対して前記無機性のカップリング剤を２０〜４０質量％混合して得られることを特徴とする機能性素材。