JP4061401B2 - Ｄｎａの自己組織化によるｄｎａナノケージ及びその製造方法、並びにそれを用いたｄｎａナノチューブ、分子キャリアー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配列設計された三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡの自己組織化による新規な分子集合体であるＤＮＡナノケージ及びその製造方法、並びにそれを用いたＤＮＡナノチューブ、分子キャリアーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノテクノロジー分野において、ＤＮＡの自己組織性を利用したモレキュラーマシーン(molecular machine)の開発が活発に行われている。
ＤＮＡは情報がヌクレオチドの一次配列にその塩基単位アデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）及びチミン（Ｔ）によってコードされている。ＤＮＡの一本鎖はハイブリダイゼーションによってそれらの相補鎖を認識し結合して二本鎖核酸二重らせん構造を形成するというユニークな性質を持っている。これはＡがＴを認識し、ＧがＣを認識するという核酸固有の塩基対形成性によって起こり得る。与えられた配列は正確且つ相補的な配列にのみハイブリダイズするので、原子・分子レベルで高い塩基配列特異性を有する。このように、ＤＮＡはその機能性だけでなく、構造形態も非常に興味深く、「ヒトゲノム計画」等の生命情報化学において研究が進められてきた。
N. C. Seemanらは、１０種類のオリゴヌクレオチドを用いて、５段階からなる組織化・連結・精製・再構築・連結反応により、ＤＮＡからなる立方体（DNA cube）を合成した（J. Chen, N. C .Seeman, Nature, 350, 631-633(1991)、N. C. Seeman, Acc. Chem. Res., 30, 357-363(1997)）。
しかしながら、SeemanらによるDNA cubeの合成方法は、複雑かつ煩雑な操作を必要とし、高コストを招来するという問題点がある。また、DNA cubeの一辺が約１０ｎｍ程度の立方体であるため、内部に蛋白質等のナノ粒子を内包し難く、その輸送担体として利用することが困難であるという問題点がある。
【０００３】
一方、このような輸送担体として用いられる分子キャリアー、特に標的性があり温度やＤＮＡ分子認識に応答して薬物を徐放するドラッグデリバリーシステム等のドラッグギャリアーとしては、主に脂質分子からなるリポソーム(liposome)が広く用いられてきた。
しかしながら、リポソームを調製する際には、超音波照射等のエネルギーの摂動が必要であるという問題点がある。
【０００４】
本発明者は、オリゴヌクレオチドとガラクトースからなるコンジュゲートを半分ずらした相補鎖と二重鎖形成させることにより、自己組織的に一次元ＤＮＡ集合体に沿った糖クラスターを構築する技術を確立した（特開２００１−２４７５９６号公報、K. Matsuura, M. Hibino, Y. Yamada and K. Kobayashi, J. Am. Chem. Soc., 123, 357-358 (2001)）。
このように、塩基対形成による分子認識性と、ハイブリダイゼーションによる自己組織性というＤＮＡ分子に固有の特性を利用し、自己組織的に一段階で、しかも殆どエネルギーを要さずに構築できるとともに、その内部空間にナノ粒子を内包できるＤＮＡナノケージの開発が切望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、わずか三種類のオリゴヌクレオチドを混合するだけで殆どエネルギーを要さずに作成できるＤＮＡからなるナノケージを提供すること、並びに一段階の操作で簡便に且つ経済的にＤＮＡナノケージを構築できるＤＮＡナノケージの製造方法を提供すること、及びＤＮＡナノケージを一次元方向に連結したＤＮＡナノチューブ、内部空間に可逆的に金属微粒子や蛋白質等のナノ粒子を複数包接することができる分子キャリアーを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、１次元ＤＮＡを自己組織的に集合させるという発想を２次元および３次元に拡張することにより、球状のＤＮＡナノケージが得られ、その内部空間に可逆的に金属微粒子や蛋白質等を包接できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［６］に記載した事項により特定される。
［１］三種のオリゴヌクレオチドからなり、各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と３’末端に自己相補一本鎖領域を有する１０量体〜１００量体の長さの三種のオリゴヌクレチドを、ハイブリダイズすることにより形成される、各末端に自己相補一本鎖領域を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを、自己組織化して形成されることを特徴とするＤＮＡナノケージ。
【０００８】
〔２〕該ナノケージが球状に形成されることを特徴とする〔１〕に記載のＤＮＡナノケージ。
【０００９】
［３］各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と、３’末端に自己相補一本鎖領域を有する三種のオリゴヌクレチドをハイブリダイゼーションにより２次元的に集合させ、各末端に自己相補一本鎖を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを形成する工程と、得られた三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化する工程と、を有することを特徴とするＤＮＡナノケージの製造方法。
【００１０】
〔４〕三種のオリゴヌクレオチドを０〜１０℃で混合しハイブリダイズすることを特徴とする［３］に記載のＤＮＡナノケージの製造方法。
【００１１】
［５］［１］又は［２］に記載のＤＮＡナノケージを一次元方向に連結し融合したことを特徴とするＤＮＡナノチューブ。
【００１２】
［６］［１］又は［２］に記載のＤＮＡナノケージに金属微粒子や蛋白質を包接したことを特徴とする分子キャリアー。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、図１に示すように、三種のオリゴヌクレオチドをハイブリダイゼーションにより２次元的に集合させ、末端に自己相補鎖を有する三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを形成し、この三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化することによりＤＮＡナノケージを製造することができる。
すなわち、本発明の製造方法により得られるＤＮＡナノケージは、ハイブリダイゼーションにより集合化させることで、末端に自己相補鎖を有する三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを得て、それらがさらに末端を全て消費するように集合化してナノケージを構築するように設計されている。
【００１４】
したがって、このような配列設計条件を満たすものであれば、ＤＮＡ配列は任意である。一例として、図２にＤＮＡナノケージを作製するオリゴヌクレオチドの配列を示す。各３’末端に自己相補一本鎖ＤＮＡを有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを形成するように設計した三種のオリゴヌクレオチド鎖を合成する。すなわち、例えば、グアニンとシトシンの相補対から、主に三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡであるトリゴナルスポーク型複合体を形成させ、さらにアデニンとチミンによるｐａｓｔｅ部位でＤＮＡの高次元構造の形成を可能とするような塩基配列を設計する。
【００１５】
本発明において自己相補末端とは、５’末端側から読んだ場合の配列と３’末端側から読んだ場合の配列が相補的な（Ａに対してＴ、Ｇに対してＣを相補的という）ＤＮＡ配列を持つ一本鎖ＤＮＡ末端を言う。このような配列は、自分自身で二重鎖ＤＮＡを形成することができる。例えば、5’-GCTTCGATCGAAGC-3’ は自己相補性配列である。
【００１６】
本明細書中、オリゴヌクレオチドとは、デオキシリボースと核酸塩基からなるヌクレオシドが、リン酸ジエステル結合で繋がった数量体から数十量体の化合物をいい、二重鎖ＤＮＡとは、オリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションして二重らせんを形成した複合体をいう。
本発明における三種のオリゴヌクレオチド鎖の合成方法は問わないが、一般にホスホロアミダイト法を用いた自動合成機等で合成される。
【００１７】
本発明におけるＤＮＡナノケージの製造方法においては、二重鎖ＤＮＡが解離する温度（融離温度）より低い温度で行うのが好ましい。融解温度は、オリゴヌクレオチドの配列に依存する。例えば、図２に示す長さ・配列のヌクレオチドの場合は、約３５℃で二重鎖が解離し一本鎖となる。
本発明における三種のオリゴヌクレオチドを温度０〜１０℃で混合しハイブリダイズするのが好ましい。ここで、温度がこの範囲外になるにつれ、三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡは形成されるが、自己相補末端が組織化してケージとならない傾向が見られる。
【００１８】
本発明における三種のオリゴヌクレオチドの長さは、１０量体〜１００量体程度が好ましい。ここで、長さが１０量体より短くなるにつれ、融解温度が低下するために、ＤＮＡ鎖のハイブリダイゼーションが起こりにくく、ケージが形成されないという傾向がみられ、長さが１００量体より長くなるにつれ、明確な構造体が観察されにくくなるという傾向がみられる。尚、三種のオリゴヌクレオチドの長さは、同一であっても、それぞれ異なっていても構わない。同一であると対称性の高い集合体が得られるので、球状のケージを得るには好ましい。長さを変えて、例えば卵型等の非対称な構造体を構築することも可能である。
【００１９】
本発明における三種のオリゴヌクレオチドの全濃度は、１μＭ以上が好ましい。ここで、１μＭより低くなるにつれ、ＤＮＡ同士の水素結合が十分に起こる機会が無いために、ハイブリダイズせず集合体形成が見られず、ＤＮＡナノケージが観察されないという傾向がみられる。
【００２０】
本発明に係るＤＮＡナノケージの製造方法において、三種のオリゴヌクレオチド水溶液の塩強度は、０．２５Ｍ〜１．０Ｍが好ましい。ここで、０．２５Ｍより低くなるにつれ、静電反発のため二重鎖形成が起こりにくくなり、ＤＮＡナノケージが観察されにくいという傾向がみられ、１．０Ｍより高くなるにつれ、ＤＮＡナノケージ同士が接着するという傾向がみられる。従って、独立のナノケージを観察するには、約０．５Ｍ程度の塩強度が好適である。
本発明に係るＤＮＡナノケージの製造方法において、用いられる塩は特に限定されるものではない。一価の金属塩であれば、特に塩の種類には関係なく製造可能であり、中でも、ＮａＣｌが好適に用いられる。
【００２１】
本発明における三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡ（図３参照）がさらに３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化することにより、ＤＮＡナノケージを得ることができる。ＤＮＡナノケージモデルを図４に示す。その大きさや形状は、ＤＮＡ配列、長さ、濃度、塩強度等により適宜調整可能である。
本発明においてＤＮＡ分子集合体の自己組織化は、水溶液中で行うことが好ましいが、気液界面で行うことも可能である。
【００２２】
本発明に係るＤＮＡナノケージは、ＤＮＡのみから構成され、内部が中空の籠状集合体である。その形状は、多面体構造、例えば、球状、卵型等が挙げられるがこれらに限定されるものではなく、条件を変えることによって様々な形態へと変化する。特に、ケージ内部にナノ粒子を内包しやすくするため、球状が好適である。また、オリゴヌクレオチドの濃度を変化させることにより、チューブ状のＤＮＡナノチューブを形成することも可能である。例えば、オリゴヌクレオチド濃度を２μＭで塩強度１Ｍとすると５０ｎｍ程度の球状集合体がさらに組織化してネットワーク構造を形成し、オリゴヌクレオチド濃度５μＭで塩強度０．５Ｍとすると、５０〜２００ｎｍ程の大きな球状集合体が形成される。さらに、オリゴヌクレオチド濃度５０μＭ以上で塩強度０．５Ｍとすると、直径２０ｎｍ程度で長さ１μmにも及ぶＤＮＡナノチューブが形成される。
【００２３】
本発明において球状に形成されたＤＮＡナノケージは、直径２０〜２００ｎｍが好ましい。直径は、ＤＮＡナノケージを利用する目的によって適宜変更することができる。例えば、タンパク質を２、３個包接する場合には、径小のケージが好ましく、ウイルスのような大きなものを包接する場合には、径大のケージが好ましい。
【００２４】
本発明に係るＤＮＡナノチューブは、ＤＮＡナノケージが一次元方向に連結・融合された構造を有する。すなわち、ＤＮＡナノチューブが融けてより大きな分子集合体であるＤＮＡナノチューブに成長すると考えられる。なお、連結されたＤＮＡナノケージの数は特に限定されない。
ＤＮＡナノチューブモデルを図５に示す。
本発明に係るＤＮＡナノチューブの大きさは、特に限定されないが、直径１〜５０ｎｍ程度で、長さ１００ｎｍ〜１０μｍが好ましい。この範囲から外れるとナノオーダー領域から逸脱し、かつチューブ形状であるとは言い難くなる。
【００２５】
本発明に係るＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブは、ナノケージの内部空間に金、銀、白金、パラジウム等の金属微粒子、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化亜鉛等の半導体微粒子、酸化チタン等の光触媒微粒子、酸化鉄等の磁性微粒子、シリカ粒子、ヘテロポリ酸、プラスチック微粒子、ウイルス、タンパク質、ペプチド、多糖、他のＤＮＡ等のナノ粒子を複数内包し、分子キャリアーとして利用でき、温度などの環境変化に応答して、内包物を放出することができる。
【００２６】
具体的には、カチオン性およびアニオン性の金微粒子や、蛋白質フェリチンがこのＤＮＡナノケージ、すなわちＤＮＡからなる籠に複数内包され得る。このＤＮＡ集合体は温度やイオン強度によって解離・再構築が制御できることから、蛋白質医薬を内包したＤＮＡ集合体を用いて熱に応答した薬物放出システムを構築できると考えられる。また、ＤＮＡ集合体を構成している一つのＤＮＡ鎖の完全相補鎖の存在によっても、ＤＮＡ集合体を解離させることができるため、ある特定遺伝子配列に応答した薬物放出システムを構築することも可能である。更に、オリゴヌクレオチドに糖鎖等を付加させ細胞特異性を付与することにより、新規なドラッグデリバリーシステムとしても有用である。
【００２７】
一方、金属微粒子は、量子サイズ効果によりバルク金属とは違った光学的・電気的・磁気的性質を示すことが知られている。
本発明に係るＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブは、金属微粒子の集合状態を制御して複数内包できる。微粒子が集合することによって単独の微粒子とは違う物性が発現される。例えば、金微粒子のプラズモン吸収は、集合体となることで長波長側にシフトすることが明らかである。蛋白質内包ＤＮＡ集合体の場合と同様に、この金微粒子内包ＤＮＡ集合体は、温度や特異的分子認識によって解離・再構築が制御できることから、温度や特異的分子認識によって光学的特性を変化させるデバイスを構築できる。また、このＤＮＡ集合体存在下で微粒子作成を行えば、特異なサイズおよび形状の微粒子を作成できる。これらの手法は、半導体および磁性微粒子にも適用可能である。
【００２８】
本発明においてＤＮＡナノケージ内あるいはＤＮＡナノチューブ内に内包できるナノ粒子の大きさは、２ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。ここで、２ｎｍより小さくなるにつれ、ＤＮＡナノケージの隙間からナノ粒子が漏洩する恐れがあり、２００ｎｍより大きくなるにつれ、大きすぎてナノ粒子がＤＮＡナノケージに内包しにくくなるという恐れがある。
本発明においてＤＮＡナノケージ内あるいはＤＮＡナノチューブ内に内包できるナノ粒子の数は、ナノ粒子の大きさにより適宜変更することができる。
本発明におけるナノ粒子のＤＮＡナノケージへの結合を容易にするために、カチオン性やアニオン性の保護剤分子を用いてナノ粒子を作成することが可能である。
【００２９】
本発明におけるナノ粒子は、その表面電荷によりＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブの付着場所が異なる。例えば、正電荷の場合はＤＮＡナノケージの表面（内部・外部）に付着していると考えられるが、中性および負電荷の場合はＤＮＡナノケージの内水相に存在しており、ＤＮＡとは直接相互作用していないものと考えられる。
ＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブへのナノ粒子の包接方法は、特に限定されるものではないが、ナノ粒子存在下、ＤＮＡナノケージの水溶液を一旦約７０℃に加熱し、ナノケージを解離させた後、１０℃にまで温度を下げることによりナノケージが再構築されるに伴いナノ粒子が包接される。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例をもって本発明を更に詳細に説明するが、これらの例は単なる実例であって本発明を限定するものではなく、また本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更させてもよい。
【００３１】
実施例１
図２に示すような配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図６に示す。
図６より、直径２０〜７０ｎｍ程度の球状集合体が観察された。
また、動的光散乱（ＤＬＳ）測定によっても、図７に示すように、直径２０〜７０ｎｍの集合体が構築されていることが確認された。図中、２０〜７０ｎｍ以外にも７００ｎｍ付近にピークがあるが、これはケージ同士が会合して見かけ上現れているものと思われる。
これらの実験結果から、図６で観察されたＤＮＡの球状集合体は、三種のオリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションし、末端に自己相補鎖を持つ三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを形成した後、自己相補末端を全て消費するように集合化することで構築されていると考えられる。
次に、ＤＮＡ末端から切断するヌクレアーゼによる切断活性を調べ、ＤＮＡ球状集合体の構造を確認した。
すなわち、上記で得られたＤＮＡ球状集合体をリガーゼで連結、マンビーンヌクレアーゼ(Mung Bean Nuclease)で余分な一本鎖ＤＮＡを除いた後、３’末端から２本鎖を特異的に切断するエキソヌクレアーゼ(Exonuclease) IIIにより切断活性を調べた。その結果を図８に示す。
図８より、末端の存在する２本鎖ＤＮＡが切断される条件（６６０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ ｂｕｆｆｅｒ、６．６ｍM ＭｇＣｌ２、 ｐＨ８、エンザイム７０ユニット(enzyme 70 unit)、３７℃）において、ライゲーションしたＤＮＡ集合体は全く切断されなかった。従って、本実施例で得られたＤＮＡ球状集合体は、ナノケージ状であることが証明された。
【００３２】
実施例２
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が２μＭとなるように１Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図９に示す。
図９より、直径３０〜５０ｎｍ程度の球状集合体がさらに組織化してネットワーク構造を形成していることがわかる。
【００３３】
実施例３
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が５μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図１０に示す。
図１０より、直径５０〜２００ｎｍ程度の球状集合体が観察された。
【００３４】
実施例４
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が５０μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図１１に示す。
図１１より、直径２０ｎｍ程度で長さ１μｍにも及ぶＤＮＡナノチューブが形成されることがわかる。
【００３５】
比較例１
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に３０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を３０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、３種のオリゴヌクレオチドを混合する温度が３０℃であるため、自己相補末端部分のＤＮＡ二重鎖が解離し、球状集合体は観察されなかった。
【００３６】
比較例２
実施例１と同様の配列のオリゴヌクレオチドのうち２種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５M ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、実施例１にような球状集合体は観察されなかった。
【００３７】
比較例３
自己相補末端を持たない３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５M ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、実施例１のような球状集合体は観察されなかった。
【００３８】
実施例５
四級アンモニウム塩で保護されたカチオン性金微粒子（平均粒径２．２ｎｍ）１．４ｍＭ存在下、実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチド １μＭを０．５ｍＭ ＮａＣｌ水溶液中で１０℃で組織化し、分子キャリアーを作成した。
その後、染色せずにＴＥＭ観察を行った。その結果を図１２に示す。
図１２より、金微粒子が２０〜７０ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、金微粒子が集合している部分と一致することがわかった。
また、金微粒子のプラズモン吸収は、組織化することで２６ｎｍ程レッドシフトした。これは、金微粒子がＤＮＡナノケージに内包されているために起こったものと考えられる。
【００３９】
実施例６
ＤＮＡナノケージの内部空間に包接するゲスト分子をアニオン性の金微粒子とした他は、実施例５と同様にして、分子キャリアーを作成した。
実施例５と同様にして、ＴＥＭ観察を行った。その結果を図１３に示す。
図１３より、金微粒子が２．５〜３０ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、金微粒子が集合している部分と一致することがわかった。
【００４０】
実施例７
ＤＮＡナノケージの内部空間に包接するゲスト分子を金属蛋白質であるフェリチンとした他は、実施例５と同様にして、分子キャリアーを作成した。
実施例５と同様にして、ＴＥＭ観察を行った。その結果を図１４に示す。
図１４より、フェリチンが８〜２５ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、フェリチンが集合している部分と一致することがわかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば以下の有利な効果を奏することができる。
本発明に係るＤＮＡナノケージは、ＤＮＡから一段階の過程で簡便に作成でき、内部空間にナノ粒子を内包できるため、ＤＮＡを利用した機能性材料の開発への効果は絶大である。更に、ナノ領域からメソスコピック領域へと幅広いテクノロジー分野へと展開できる可能性を有しており、次世代の多機能性マテリアルとして利用できる。また、ＤＮＡナノケージ内部に蛋白質医薬を内包させ、ケージ表面に細胞標的性分子を結合させることにより、標的性があり且つ温度やＤＮＡ分子認識に応答して薬物を徐放するドラッグデリバリーシステムの新規キャリヤーとしても利用できる。
また、本発明に係るＤＮＡナノケージは、混合するだけで殆どエネルギーを要さずに作成できるため、分子キャリヤーとしての利用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＤＮＡナノケージの製造工程図
【図２】本発明における三種のオリゴヌクレオチドの配列の一例
【図３】本発明における三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡの一例
【図４】本発明におけるＤＮＡナノケージモデル
【図５】本発明におけるＤＮＡナノチューブモデル
【図６】本発明の実施例１におけるＤＮＡナノケージの透過型電子顕微鏡像
【図７】本発明の実施例１におけるＤＮＡナノケージの動的光散乱による粒径分布を示すグラフ
【図８】エキソヌクレアーゼ(Exonuclease) IIIによるＤＮＡナノケージの切断反応の経時変化を示すグラフ
【図９】本発明の実施例２におけるＤＮＡナノケージネットワークの透過型電子顕微鏡像
【図１０】本発明の実施例３におけるＤＮＡナノケージの透過型電子顕微鏡像
【図１１】本発明の実施例４におけるＤＮＡナノチューブの透過型電子顕微鏡像
【図１２】本発明の実施例５におけるＤＮＡナノケージに内包されたカチオン性金微粒子の透過型電子顕微鏡像
【図１３】本発明の実施例６におけるＤＮＡナノケージに内包されたアニオン性金微粒子の透過型電子顕微鏡像
【図１４】本発明の実施例７におけるＤＮＡナノケージに内包された金属蛋白質フェリチンの透過型電子顕微鏡像
【発明の属する技術分野】
本発明は、配列設計された三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡの自己組織化による新規な分子集合体であるＤＮＡナノケージ及びその製造方法、並びにそれを用いたＤＮＡナノチューブ、分子キャリアーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノテクノロジー分野において、ＤＮＡの自己組織性を利用したモレキュラーマシーン(molecular machine)の開発が活発に行われている。
ＤＮＡは情報がヌクレオチドの一次配列にその塩基単位アデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）及びチミン（Ｔ）によってコードされている。ＤＮＡの一本鎖はハイブリダイゼーションによってそれらの相補鎖を認識し結合して二本鎖核酸二重らせん構造を形成するというユニークな性質を持っている。これはＡがＴを認識し、ＧがＣを認識するという核酸固有の塩基対形成性によって起こり得る。与えられた配列は正確且つ相補的な配列にのみハイブリダイズするので、原子・分子レベルで高い塩基配列特異性を有する。このように、ＤＮＡはその機能性だけでなく、構造形態も非常に興味深く、「ヒトゲノム計画」等の生命情報化学において研究が進められてきた。
N. C. Seemanらは、１０種類のオリゴヌクレオチドを用いて、５段階からなる組織化・連結・精製・再構築・連結反応により、ＤＮＡからなる立方体（DNA cube）を合成した（J. Chen, N. C .Seeman, Nature, 350, 631-633(1991)、N. C. Seeman, Acc. Chem. Res., 30, 357-363(1997)）。
しかしながら、SeemanらによるDNA cubeの合成方法は、複雑かつ煩雑な操作を必要とし、高コストを招来するという問題点がある。また、DNA cubeの一辺が約１０ｎｍ程度の立方体であるため、内部に蛋白質等のナノ粒子を内包し難く、その輸送担体として利用することが困難であるという問題点がある。
【０００３】
一方、このような輸送担体として用いられる分子キャリアー、特に標的性があり温度やＤＮＡ分子認識に応答して薬物を徐放するドラッグデリバリーシステム等のドラッグギャリアーとしては、主に脂質分子からなるリポソーム(liposome)が広く用いられてきた。
しかしながら、リポソームを調製する際には、超音波照射等のエネルギーの摂動が必要であるという問題点がある。
【０００４】
本発明者は、オリゴヌクレオチドとガラクトースからなるコンジュゲートを半分ずらした相補鎖と二重鎖形成させることにより、自己組織的に一次元ＤＮＡ集合体に沿った糖クラスターを構築する技術を確立した（特開２００１−２４７５９６号公報、K. Matsuura, M. Hibino, Y. Yamada and K. Kobayashi, J. Am. Chem. Soc., 123, 357-358 (2001)）。
このように、塩基対形成による分子認識性と、ハイブリダイゼーションによる自己組織性というＤＮＡ分子に固有の特性を利用し、自己組織的に一段階で、しかも殆どエネルギーを要さずに構築できるとともに、その内部空間にナノ粒子を内包できるＤＮＡナノケージの開発が切望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、わずか三種類のオリゴヌクレオチドを混合するだけで殆どエネルギーを要さずに作成できるＤＮＡからなるナノケージを提供すること、並びに一段階の操作で簡便に且つ経済的にＤＮＡナノケージを構築できるＤＮＡナノケージの製造方法を提供すること、及びＤＮＡナノケージを一次元方向に連結したＤＮＡナノチューブ、内部空間に可逆的に金属微粒子や蛋白質等のナノ粒子を複数包接することができる分子キャリアーを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、１次元ＤＮＡを自己組織的に集合させるという発想を２次元および３次元に拡張することにより、球状のＤＮＡナノケージが得られ、その内部空間に可逆的に金属微粒子や蛋白質等を包接できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［６］に記載した事項により特定される。
［１］三種のオリゴヌクレオチドからなり、各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と３’末端に自己相補一本鎖領域を有する１０量体〜１００量体の長さの三種のオリゴヌクレチドを、ハイブリダイズすることにより形成される、各末端に自己相補一本鎖領域を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを、自己組織化して形成されることを特徴とするＤＮＡナノケージ。
【０００８】
〔２〕該ナノケージが球状に形成されることを特徴とする〔１〕に記載のＤＮＡナノケージ。
【０００９】
［３］各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と、３’末端に自己相補一本鎖領域を有する三種のオリゴヌクレチドをハイブリダイゼーションにより２次元的に集合させ、各末端に自己相補一本鎖を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを形成する工程と、得られた三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化する工程と、を有することを特徴とするＤＮＡナノケージの製造方法。
【００１０】
〔４〕三種のオリゴヌクレオチドを０〜１０℃で混合しハイブリダイズすることを特徴とする［３］に記載のＤＮＡナノケージの製造方法。
【００１１】
［５］［１］又は［２］に記載のＤＮＡナノケージを一次元方向に連結し融合したことを特徴とするＤＮＡナノチューブ。
【００１２】
［６］［１］又は［２］に記載のＤＮＡナノケージに金属微粒子や蛋白質を包接したことを特徴とする分子キャリアー。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、図１に示すように、三種のオリゴヌクレオチドをハイブリダイゼーションにより２次元的に集合させ、末端に自己相補鎖を有する三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを形成し、この三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化することによりＤＮＡナノケージを製造することができる。
すなわち、本発明の製造方法により得られるＤＮＡナノケージは、ハイブリダイゼーションにより集合化させることで、末端に自己相補鎖を有する三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを得て、それらがさらに末端を全て消費するように集合化してナノケージを構築するように設計されている。
【００１４】
したがって、このような配列設計条件を満たすものであれば、ＤＮＡ配列は任意である。一例として、図２にＤＮＡナノケージを作製するオリゴヌクレオチドの配列を示す。各３’末端に自己相補一本鎖ＤＮＡを有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを形成するように設計した三種のオリゴヌクレオチド鎖を合成する。すなわち、例えば、グアニンとシトシンの相補対から、主に三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡであるトリゴナルスポーク型複合体を形成させ、さらにアデニンとチミンによるｐａｓｔｅ部位でＤＮＡの高次元構造の形成を可能とするような塩基配列を設計する。
【００１５】
本発明において自己相補末端とは、５’末端側から読んだ場合の配列と３’末端側から読んだ場合の配列が相補的な（Ａに対してＴ、Ｇに対してＣを相補的という）ＤＮＡ配列を持つ一本鎖ＤＮＡ末端を言う。このような配列は、自分自身で二重鎖ＤＮＡを形成することができる。例えば、5’-GCTTCGATCGAAGC-3’ は自己相補性配列である。
【００１６】
本明細書中、オリゴヌクレオチドとは、デオキシリボースと核酸塩基からなるヌクレオシドが、リン酸ジエステル結合で繋がった数量体から数十量体の化合物をいい、二重鎖ＤＮＡとは、オリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションして二重らせんを形成した複合体をいう。
本発明における三種のオリゴヌクレオチド鎖の合成方法は問わないが、一般にホスホロアミダイト法を用いた自動合成機等で合成される。
【００１７】
本発明におけるＤＮＡナノケージの製造方法においては、二重鎖ＤＮＡが解離する温度（融離温度）より低い温度で行うのが好ましい。融解温度は、オリゴヌクレオチドの配列に依存する。例えば、図２に示す長さ・配列のヌクレオチドの場合は、約３５℃で二重鎖が解離し一本鎖となる。
本発明における三種のオリゴヌクレオチドを温度０〜１０℃で混合しハイブリダイズするのが好ましい。ここで、温度がこの範囲外になるにつれ、三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡは形成されるが、自己相補末端が組織化してケージとならない傾向が見られる。
【００１８】
本発明における三種のオリゴヌクレオチドの長さは、１０量体〜１００量体程度が好ましい。ここで、長さが１０量体より短くなるにつれ、融解温度が低下するために、ＤＮＡ鎖のハイブリダイゼーションが起こりにくく、ケージが形成されないという傾向がみられ、長さが１００量体より長くなるにつれ、明確な構造体が観察されにくくなるという傾向がみられる。尚、三種のオリゴヌクレオチドの長さは、同一であっても、それぞれ異なっていても構わない。同一であると対称性の高い集合体が得られるので、球状のケージを得るには好ましい。長さを変えて、例えば卵型等の非対称な構造体を構築することも可能である。
【００１９】
本発明における三種のオリゴヌクレオチドの全濃度は、１μＭ以上が好ましい。ここで、１μＭより低くなるにつれ、ＤＮＡ同士の水素結合が十分に起こる機会が無いために、ハイブリダイズせず集合体形成が見られず、ＤＮＡナノケージが観察されないという傾向がみられる。
【００２０】
本発明に係るＤＮＡナノケージの製造方法において、三種のオリゴヌクレオチド水溶液の塩強度は、０．２５Ｍ〜１．０Ｍが好ましい。ここで、０．２５Ｍより低くなるにつれ、静電反発のため二重鎖形成が起こりにくくなり、ＤＮＡナノケージが観察されにくいという傾向がみられ、１．０Ｍより高くなるにつれ、ＤＮＡナノケージ同士が接着するという傾向がみられる。従って、独立のナノケージを観察するには、約０．５Ｍ程度の塩強度が好適である。
本発明に係るＤＮＡナノケージの製造方法において、用いられる塩は特に限定されるものではない。一価の金属塩であれば、特に塩の種類には関係なく製造可能であり、中でも、ＮａＣｌが好適に用いられる。
【００２１】
本発明における三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡ（図３参照）がさらに３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化することにより、ＤＮＡナノケージを得ることができる。ＤＮＡナノケージモデルを図４に示す。その大きさや形状は、ＤＮＡ配列、長さ、濃度、塩強度等により適宜調整可能である。
本発明においてＤＮＡ分子集合体の自己組織化は、水溶液中で行うことが好ましいが、気液界面で行うことも可能である。
【００２２】
本発明に係るＤＮＡナノケージは、ＤＮＡのみから構成され、内部が中空の籠状集合体である。その形状は、多面体構造、例えば、球状、卵型等が挙げられるがこれらに限定されるものではなく、条件を変えることによって様々な形態へと変化する。特に、ケージ内部にナノ粒子を内包しやすくするため、球状が好適である。また、オリゴヌクレオチドの濃度を変化させることにより、チューブ状のＤＮＡナノチューブを形成することも可能である。例えば、オリゴヌクレオチド濃度を２μＭで塩強度１Ｍとすると５０ｎｍ程度の球状集合体がさらに組織化してネットワーク構造を形成し、オリゴヌクレオチド濃度５μＭで塩強度０．５Ｍとすると、５０〜２００ｎｍ程の大きな球状集合体が形成される。さらに、オリゴヌクレオチド濃度５０μＭ以上で塩強度０．５Ｍとすると、直径２０ｎｍ程度で長さ１μmにも及ぶＤＮＡナノチューブが形成される。
【００２３】
本発明において球状に形成されたＤＮＡナノケージは、直径２０〜２００ｎｍが好ましい。直径は、ＤＮＡナノケージを利用する目的によって適宜変更することができる。例えば、タンパク質を２、３個包接する場合には、径小のケージが好ましく、ウイルスのような大きなものを包接する場合には、径大のケージが好ましい。
【００２４】
本発明に係るＤＮＡナノチューブは、ＤＮＡナノケージが一次元方向に連結・融合された構造を有する。すなわち、ＤＮＡナノチューブが融けてより大きな分子集合体であるＤＮＡナノチューブに成長すると考えられる。なお、連結されたＤＮＡナノケージの数は特に限定されない。
ＤＮＡナノチューブモデルを図５に示す。
本発明に係るＤＮＡナノチューブの大きさは、特に限定されないが、直径１〜５０ｎｍ程度で、長さ１００ｎｍ〜１０μｍが好ましい。この範囲から外れるとナノオーダー領域から逸脱し、かつチューブ形状であるとは言い難くなる。
【００２５】
本発明に係るＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブは、ナノケージの内部空間に金、銀、白金、パラジウム等の金属微粒子、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化亜鉛等の半導体微粒子、酸化チタン等の光触媒微粒子、酸化鉄等の磁性微粒子、シリカ粒子、ヘテロポリ酸、プラスチック微粒子、ウイルス、タンパク質、ペプチド、多糖、他のＤＮＡ等のナノ粒子を複数内包し、分子キャリアーとして利用でき、温度などの環境変化に応答して、内包物を放出することができる。
【００２６】
具体的には、カチオン性およびアニオン性の金微粒子や、蛋白質フェリチンがこのＤＮＡナノケージ、すなわちＤＮＡからなる籠に複数内包され得る。このＤＮＡ集合体は温度やイオン強度によって解離・再構築が制御できることから、蛋白質医薬を内包したＤＮＡ集合体を用いて熱に応答した薬物放出システムを構築できると考えられる。また、ＤＮＡ集合体を構成している一つのＤＮＡ鎖の完全相補鎖の存在によっても、ＤＮＡ集合体を解離させることができるため、ある特定遺伝子配列に応答した薬物放出システムを構築することも可能である。更に、オリゴヌクレオチドに糖鎖等を付加させ細胞特異性を付与することにより、新規なドラッグデリバリーシステムとしても有用である。
【００２７】
一方、金属微粒子は、量子サイズ効果によりバルク金属とは違った光学的・電気的・磁気的性質を示すことが知られている。
本発明に係るＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブは、金属微粒子の集合状態を制御して複数内包できる。微粒子が集合することによって単独の微粒子とは違う物性が発現される。例えば、金微粒子のプラズモン吸収は、集合体となることで長波長側にシフトすることが明らかである。蛋白質内包ＤＮＡ集合体の場合と同様に、この金微粒子内包ＤＮＡ集合体は、温度や特異的分子認識によって解離・再構築が制御できることから、温度や特異的分子認識によって光学的特性を変化させるデバイスを構築できる。また、このＤＮＡ集合体存在下で微粒子作成を行えば、特異なサイズおよび形状の微粒子を作成できる。これらの手法は、半導体および磁性微粒子にも適用可能である。
【００２８】
本発明においてＤＮＡナノケージ内あるいはＤＮＡナノチューブ内に内包できるナノ粒子の大きさは、２ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。ここで、２ｎｍより小さくなるにつれ、ＤＮＡナノケージの隙間からナノ粒子が漏洩する恐れがあり、２００ｎｍより大きくなるにつれ、大きすぎてナノ粒子がＤＮＡナノケージに内包しにくくなるという恐れがある。
本発明においてＤＮＡナノケージ内あるいはＤＮＡナノチューブ内に内包できるナノ粒子の数は、ナノ粒子の大きさにより適宜変更することができる。
本発明におけるナノ粒子のＤＮＡナノケージへの結合を容易にするために、カチオン性やアニオン性の保護剤分子を用いてナノ粒子を作成することが可能である。
【００２９】
本発明におけるナノ粒子は、その表面電荷によりＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブの付着場所が異なる。例えば、正電荷の場合はＤＮＡナノケージの表面（内部・外部）に付着していると考えられるが、中性および負電荷の場合はＤＮＡナノケージの内水相に存在しており、ＤＮＡとは直接相互作用していないものと考えられる。
ＤＮＡナノケージあるいはＤＮＡナノチューブへのナノ粒子の包接方法は、特に限定されるものではないが、ナノ粒子存在下、ＤＮＡナノケージの水溶液を一旦約７０℃に加熱し、ナノケージを解離させた後、１０℃にまで温度を下げることによりナノケージが再構築されるに伴いナノ粒子が包接される。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例をもって本発明を更に詳細に説明するが、これらの例は単なる実例であって本発明を限定するものではなく、また本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更させてもよい。
【００３１】
実施例１
図２に示すような配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図６に示す。
図６より、直径２０〜７０ｎｍ程度の球状集合体が観察された。
また、動的光散乱（ＤＬＳ）測定によっても、図７に示すように、直径２０〜７０ｎｍの集合体が構築されていることが確認された。図中、２０〜７０ｎｍ以外にも７００ｎｍ付近にピークがあるが、これはケージ同士が会合して見かけ上現れているものと思われる。
これらの実験結果から、図６で観察されたＤＮＡの球状集合体は、三種のオリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションし、末端に自己相補鎖を持つ三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡを形成した後、自己相補末端を全て消費するように集合化することで構築されていると考えられる。
次に、ＤＮＡ末端から切断するヌクレアーゼによる切断活性を調べ、ＤＮＡ球状集合体の構造を確認した。
すなわち、上記で得られたＤＮＡ球状集合体をリガーゼで連結、マンビーンヌクレアーゼ(Mung Bean Nuclease)で余分な一本鎖ＤＮＡを除いた後、３’末端から２本鎖を特異的に切断するエキソヌクレアーゼ(Exonuclease) IIIにより切断活性を調べた。その結果を図８に示す。
図８より、末端の存在する２本鎖ＤＮＡが切断される条件（６６０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ ｂｕｆｆｅｒ、６．６ｍM ＭｇＣｌ２、 ｐＨ８、エンザイム７０ユニット(enzyme 70 unit)、３７℃）において、ライゲーションしたＤＮＡ集合体は全く切断されなかった。従って、本実施例で得られたＤＮＡ球状集合体は、ナノケージ状であることが証明された。
【００３２】
実施例２
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が２μＭとなるように１Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図９に示す。
図９より、直径３０〜５０ｎｍ程度の球状集合体がさらに組織化してネットワーク構造を形成していることがわかる。
【００３３】
実施例３
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が５μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図１０に示す。
図１０より、直径５０〜２００ｎｍ程度の球状集合体が観察された。
【００３４】
実施例４
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が５０μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。その結果を図１１に示す。
図１１より、直径２０ｎｍ程度で長さ１μｍにも及ぶＤＮＡナノチューブが形成されることがわかる。
【００３５】
比較例１
実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５Ｍ ＮａＣｌ水溶液中に３０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を３０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、３種のオリゴヌクレオチドを混合する温度が３０℃であるため、自己相補末端部分のＤＮＡ二重鎖が解離し、球状集合体は観察されなかった。
【００３６】
比較例２
実施例１と同様の配列のオリゴヌクレオチドのうち２種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５M ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、実施例１にような球状集合体は観察されなかった。
【００３７】
比較例３
自己相補末端を持たない３種の３０merオリゴヌクレオチドを、全オリゴヌクレオチド濃度が１μＭとなるように０．５M ＮａＣｌ水溶液中に１０℃で混合し、１２時間エージングした。
この溶液を１０℃でＴＥＭグリッドに滴下し、酢酸ウラニル染色を施して透過型電子顕微鏡観察を行った。
その結果、実施例１のような球状集合体は観察されなかった。
【００３８】
実施例５
四級アンモニウム塩で保護されたカチオン性金微粒子（平均粒径２．２ｎｍ）１．４ｍＭ存在下、実施例１と同様の配列の３種の３０merオリゴヌクレオチド １μＭを０．５ｍＭ ＮａＣｌ水溶液中で１０℃で組織化し、分子キャリアーを作成した。
その後、染色せずにＴＥＭ観察を行った。その結果を図１２に示す。
図１２より、金微粒子が２０〜７０ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、金微粒子が集合している部分と一致することがわかった。
また、金微粒子のプラズモン吸収は、組織化することで２６ｎｍ程レッドシフトした。これは、金微粒子がＤＮＡナノケージに内包されているために起こったものと考えられる。
【００３９】
実施例６
ＤＮＡナノケージの内部空間に包接するゲスト分子をアニオン性の金微粒子とした他は、実施例５と同様にして、分子キャリアーを作成した。
実施例５と同様にして、ＴＥＭ観察を行った。その結果を図１３に示す。
図１３より、金微粒子が２．５〜３０ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、金微粒子が集合している部分と一致することがわかった。
【００４０】
実施例７
ＤＮＡナノケージの内部空間に包接するゲスト分子を金属蛋白質であるフェリチンとした他は、実施例５と同様にして、分子キャリアーを作成した。
実施例５と同様にして、ＴＥＭ観察を行った。その結果を図１４に示す。
図１４より、フェリチンが８〜２５ｎｍ程度の集合体を形成していることがわかった。これを酢酸ウラニルでＤＮＡを染色すると、フェリチンが集合している部分と一致することがわかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば以下の有利な効果を奏することができる。
本発明に係るＤＮＡナノケージは、ＤＮＡから一段階の過程で簡便に作成でき、内部空間にナノ粒子を内包できるため、ＤＮＡを利用した機能性材料の開発への効果は絶大である。更に、ナノ領域からメソスコピック領域へと幅広いテクノロジー分野へと展開できる可能性を有しており、次世代の多機能性マテリアルとして利用できる。また、ＤＮＡナノケージ内部に蛋白質医薬を内包させ、ケージ表面に細胞標的性分子を結合させることにより、標的性があり且つ温度やＤＮＡ分子認識に応答して薬物を徐放するドラッグデリバリーシステムの新規キャリヤーとしても利用できる。
また、本発明に係るＤＮＡナノケージは、混合するだけで殆どエネルギーを要さずに作成できるため、分子キャリヤーとしての利用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＤＮＡナノケージの製造工程図
【図２】本発明における三種のオリゴヌクレオチドの配列の一例
【図３】本発明における三方向枝分かれ二重鎖ＤＮＡの一例
【図４】本発明におけるＤＮＡナノケージモデル
【図５】本発明におけるＤＮＡナノチューブモデル
【図６】本発明の実施例１におけるＤＮＡナノケージの透過型電子顕微鏡像
【図７】本発明の実施例１におけるＤＮＡナノケージの動的光散乱による粒径分布を示すグラフ
【図８】エキソヌクレアーゼ(Exonuclease) IIIによるＤＮＡナノケージの切断反応の経時変化を示すグラフ
【図９】本発明の実施例２におけるＤＮＡナノケージネットワークの透過型電子顕微鏡像
【図１０】本発明の実施例３におけるＤＮＡナノケージの透過型電子顕微鏡像
【図１１】本発明の実施例４におけるＤＮＡナノチューブの透過型電子顕微鏡像
【図１２】本発明の実施例５におけるＤＮＡナノケージに内包されたカチオン性金微粒子の透過型電子顕微鏡像
【図１３】本発明の実施例６におけるＤＮＡナノケージに内包されたアニオン性金微粒子の透過型電子顕微鏡像
【図１４】本発明の実施例７におけるＤＮＡナノケージに内包された金属蛋白質フェリチンの透過型電子顕微鏡像
Claims (6)
- 三種のオリゴヌクレオチドからなり、各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と３’末端に自己相補一本鎖領域を有する１０量体〜１００量体の長さの三種のオリゴヌクレチドを、ハイブリダイズすることにより形成される、各末端に自己相補一本鎖領域を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを、自己組織化して形成されることを特徴とするＤＮＡナノケージ。
- 該ナノケージが球状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡナノケージ。
- 各オリゴヌクレチドのそれぞれの５’末端に他の２種のオリゴヌクレチドとハイブリダイズして、二重鎖を形成するよう配列設計された領域と、３’末端に自己相補一本鎖領域を有する三種のオリゴヌクレチドをハイブリダイゼーションにより２次元的に集合させ、各末端に自己相補一本鎖を有する三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを形成する工程と、得られた三方向に枝分かれした二重鎖ＤＮＡを３次元的に自己相補末端を全て消費するように自己組織化する工程と、を有することを特徴とするＤＮＡナノケージの製造方法。
- 三種のオリゴヌクレオチドを０〜１０℃で混合しハイブリダイズすることを特徴とする請求項３に記載のＤＮＡナノケージの製造方法。
- 請求項１又は２に記載のＤＮＡナノケージを一次元方向に連結し融合したことを特徴とするＤＮＡナノチューブ。
- 請求項１又は２に記載のＤＮＡナノケージに金属微粒子や蛋白質を包接したことを特徴とする分子キャリアー。
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