JP4431742B2 - 化学的に安定かつ導電性の調整が可能なｄｎａ複合体 - Google Patents

Description

この発明は、化学的に安定でかつ導電性の調整が可能なＤＮＡ複合体に関するものである。更に詳細には、この発明は、かかるＤＮＡ複合体として有用なレドックス修飾ソラレン化合物、ならびに導電性の制御（調整）が可能なナノ導電材料として利用できる導電性分子とＤＮＡとの安定した複合体に関するものである。

最近、単一分子エレクトロニクス、即ち１個の分子を機能の最小単位とするメモリーや論理回路が次世代半導体集積回路のパラダイムとして注目を集めている。
ＤＮＡは、デリケートな生体分子の中にあって、安定性が高く、化学合成も容易に行なうことができる。一方、ＤＮＡ二重ラセンは、機械的に剛直な円柱様構造をとり、塩基対数の増加に伴い、ほぼ真っ直ぐに伸びる性質がある。換言すれば、単一分子性のナノワイヤーということができ、ナノ領域での機械・電気回路網形成マッチした性質を備えている。

また、ＤＮＡは、天然のままでは単なる絶縁体であるに過ぎないので、ＤＮＡを改変して導電性を付与する試みが僅かになされている。

１つの試みとしては、配線したい電極間にＤＮＡを橋渡しして、これをテンプレート（逆鋳型）として用いて銀粒子を析出させて、電極間を配線する方法が提案されている。しかし、この方法では、電気伝導に寄与するのは、電極間で析出した銀粒子であって、ＤＮＡ固有のナノ構造が関与して電気伝導性が発現しているわけではない。（非特許文献１）

別の試みとしては、核酸塩基の水素結合の配位結合への置換、つまり、核酸塩基のイミノ水素イオンの亜鉛イオンへの交換反応によるＤＮＡ鎖の改変によって、ＤＮＡに電気伝導度を付与している。しかし、この方法では、電気伝導度に寄与する電荷のキャリア、つまり、亜鉛イオンの量を制御するのが困難である（非特許文献２）。

更に別の試みとして、ヨウ素ドーピングすることによって、ＤＮＡに電気伝導度を付与する方法が提案されている。この方法は、核酸塩基を高温下でヨウ素蒸気曝露によってＤＮＡ鎖を改変するものであるが、この方法でも、上記と同様に、電気伝導度に寄与する電荷のキャリア、つまり、ヨウ素イオンの量を制御するのが困難である（非特許文献３）。
Braun, E., et al., Nature, 391, 775 (1998) Rakitin, A., et al., Phys. Rev. Lett., 86, 3670 (2001) Taniguchi, M., et al., Jpn. J. App. Phys. Part 2, 42, L215 (2003)

上記したように、ＤＮＡそれ自体は電気伝導に関わる電荷のキャリアがないため、電気・電子材料として利用するには、化学修飾をする必要がある。
そこで、本発明者は、ＤＮＡ二重らせんをベースにして化学修飾をした分子素子について鋭意研究した結果、酸化還元活性部位となるレドックス成分をＤＮＡ二重らせんに組織的に配置するとともに、そのレドックス成分と共有結合的な固定化が可能な修飾剤としてソラレン化合物を使用して、ＤＮＡコンジュゲートを作成することによって、そのＤＮＡコンジュゲートが良好な導電性を示すことを見出すとともに、導電性の制御（調整）が可能なナノ導電材料として利用できる導電性分子とＤＮＡとの安定した複合体であるＤＮＡ複合体を得ることを見出して、この発明を完成した。

したがって、この発明は、化学的に安定でかつ導電性の調整が可能なＤＮＡ複合体として使用できるレドックス修飾ソラレン化合物を提供することを目的としている。
この発明は、ＤＮＡの高分子主鎖に沿って共有結合的に固定しているソラレン化合物とＤＮＡとの複合体であって、化学的に安定でかつ導電性の調整が可能なＤＮＡ複合体を提供することを別の目的としている。

この目的を達成するために、この発明は、ＤＮＡの高分子主鎖に沿ってレドックス成分を組織的に配置することができる共有結合的な固定化が可能なレドックス修飾ソラレン化合物を提供する。
また、この発明は、かかるレドックス修飾ソラレン化合物をＤＮＡの高分子主鎖に沿って組織的に配置したＤＮＡ複合体を提供する。

この発明に係るレドックス修飾ソラレン化合物は、ＤＮＡの高分子主鎖に沿ってレドックス成分が組織的に配置されることによって、化学的に安定で、かつＤＮＡに対して導電性を賦与することができる。
また、この発明のレドックス修飾ソラレン化合物は、そのレドックス成分がＤＮＡの高分子主鎖に対して共有結合的に固定化されて組織的に配置されるとともに、化学的に安定で、かつＤＮＡに対して導電性を賦与されたＤＮＡ複合体を提供することができる。

この発明に係るレドックス修飾ソラレン化合物は、下記一般式[I]：

（式中、Ｒ¹、Ｒ²およびＲ³はそれぞれ独立して水素原子または炭素原子数が１個〜６個の直鎖状または分枝状の低級アルキル基もしくは低級アルケニル基を意味し、
Ｒ⁴は炭素原子数が１個〜６個のアルキレン基を意味し、
Ｒはレドックス基を意味する。）
で表されるレドックス修飾ソラレン化合物である。

上記一般式[I]で表されるレドックス修飾ソラレン化合物において、上記基Ｒは、下記一般式[II]：

（式中、Ｒ⁵は下記式[III]：

（式中、Ｒ⁸は炭素原子数が１〜３個のアルキレン基を意味する）
で表される基を意味し、
Ｒ⁶およびＲ⁷は、同じであってもまたは異なっていてもよい炭素原子数が１〜３個のアルキル基を意味する）
で表されるレドックス基である。

更に具体的には、上記一般式[I]で表されるレドックス修飾ソラレン化合物において、上記基Ｒ⁴−Ｒは、下記式[IV]:

で表されるフェロセン化合物である。

また、下記式[V]として表されるルテニウム錯体化合物なども使用することができる。

更に、Ｒ⁵で表されるレドックス成分としては、その他の金属錯体、芳香族キノン、レドックス性オリゴマー分子などが挙げられる。

上記方法による化学修飾は、核酸の基本骨格そのものの構造を改変するものではなく、ポステリオリ（ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉ）の操作のためフレキシブルかつ多彩な機能が賦与可能であり、しかも単純なインターカレーションやグルーブバインデイングとは異なり共有結合を介した化学修飾のため、ＤＮＡコンジュゲート単独で、かつ安定した状態で用いることができる。

ソラレン化合物とＤＮＡとの反応を詳細に検討する過程で、原子力間顕微鏡（AFM）による単一分子イメージングを基礎とした分子長の測長により、インターカレーションに伴う二重らせんの巻戻し・伸張を定量的に評価できることを見出した。
AFMイメージから測定したＤＮＡの分子長（試料は直鎖状としたプラスミドpBR322 ＤＮＡであり、20〜30分子の平均長さとして決定）とインターカレーター分子の結合量との間には比例関係が成り立つことを利用して、インターカレーター１分子当たりの巻戻し角を決定することに成功した。インターカレーションは、多環芳香族化合物が生物に及ぼす催奇性・変異原性との関連で重要である。また、この発明によって、AFMでの伸張量測定によって結合量との定量的な関係を明らかにすることができたことと、巻戻し角を始めて決定することができた。

AFMを用いたイメージングと局所領域での電気伝導度測定について説明する。
図1は、AFMを用いたイメージングと局所領域での電気伝導度測定の模式図を示す。まず、未修飾の金基板に対するAFM像（凹凸像，またはトポ像）では、（111）面に対応するテラス構造が確認できる。このとき同時に行った電気伝導度測定では、基板とAFM探針（金コート）との間で良好な伝導性が確認され、また電流像は基板のテラス構造を反映している。
基板表面にＤＮＡを固定化すると、トポ像には目立った変化が認められないものの、電流像は絶縁性薄膜に類似した結果となる。局所的な電流測定においても、基板とAFM探針間で有意の電流は観測されなかった。これに対し、同じ基板をフェロセセニル修飾ソラレン化合物（FcPso）にて処理すると、再び明瞭な電流像が観察される。
以上の結果は、天然のＤＮＡは、絶縁性であるものの、FcPsoとのコンジュゲート形成により電気伝導性が発現することを意味する。

以下にこの発明を要約すると次のようになる。
この発明は、天然のままであれば、ＤＮＡは単なる絶縁体に過ぎないが、有意の電気抵抗を持つものの導電性材料に機能転換する方法を提供する。さらに、レドックス活性分子の結合量と調節することで抵抗率を変化させる、または他のレドックス分子からのコンジュゲート形成を組み合わせればギャップ構造、すなわちＤＮＡダイオードの実現も期待できる。

更に、ソラレン化合物によるposterioriな化学修飾とAFM探針の機械的操作、これにＤＮＡのネットワーク形成を組み合わせることで全く新しいアプローチが可能になることが期待される。
具体的には、ソラレン化合物を担持させたAFM探針を操作してネットワーク化したＤＮＡを「なぞる」処理を行い、ターゲット二重らせんにソラレン化合物を染み込ませて修飾する方法、いわゆる「Dip−Pen」型のナノリソグラフィーである。例えば二重らせんの１分子内にソラレン修飾部位と未処理の部位を混在させれば、それは電気抵抗（R）と電気容量（C）の直列回路と等価になる。ネットワーク化したＤＮＡを対象にすれば、これはRCの並列回路に他ならない。

レドックス活性部位としてフェロセニル基を導入したソラレン誘導体の合成
（ａ）クロロメチルソラレンの合成は下記反応スキームに従って行なった。以下の操作は全て遮光下で行った。

まず、トリメチルソラレン3.0ｇ(13.2ｍｍｏｌ)を氷酢酸345ｍｌに加えて懸濁した。次に、この懸濁液を450℃まで撹拌しながら昇温した。完全に溶解したことを確認し、ゆっくり室温まで冷やした。更に、氷水で１０分程度冷却した後、クロロメチルメチルエーテルを11,4ｃｍ³加えて２４時間室温で放置した。２４時間後、再度クロロメチルメチルエーテルを11.4ｃｍ³加えて４８時間室温で放置した。白色沈澱物の析出を確認した後、５℃で２４時間放置して結晶を析出させた。濾過により析出成分を取り出した。この物質は酢酸を含んでいるので、エーテルに懸濁して濾過することにより酢酸を取り除いた。真空乾燥させた後、ＮＭＲ測定を行った(図２)。収量は2.00ｇ(7.26ｍｍｏｌ)であった。

（ｂ）フェロセン修飾ソラレンを下記反応スキームに従って合成した。

４’−クロロメチル−４，５’，８−トリメチルソラレン0.500ｇ(1.81ｍｍｏｌ)をクロロホルム8ｃｍ³に溶解した。それとは別に、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノメチルフェロセン0.44Oｇ(1.81ｍｍｏｌ)をクロロホルム8ｃｍ³に溶解した。これら２つの溶液を混合し、湯浴温度75℃で還流を４時間行った。室温で一晩放置したところ黄白色の沈殿が生じた。濾過により沈殿物を取り出した。真空乾燥させた後、ＮＭＲ測定を行った(図３)。

ＤＮＡへのインターカレーションにより結合するソラレンは、320〜400ｎｍの光を照射すると、相対するピリミジン塩基と環化付加反応を起こし、ＤＮＡ二重らせんに共有結合した。

ソラレン修飾ピピリジンの合成
（１）クロロメチルソラレンの合成
クロロメチルソラレンを実施例１と同様にして得た。

（２）ブロモメチルビピリジンの合成
（ａ）４−トリメチルシリルメチルー４’−メチル−２，２’−ビピリジンの合成を下記反応スキームに従って行った。この反応系は脱気窒素置換下で行った。

まず、４，４’−ジメチルー２，２’−ビピリジン(Ｂｐｙ)2.00ｇ(10.86ｍｍｏｌ)を乾燥ＴＨＦ50ｃｍ³に溶かして撹拌した。これを氷浴に浸け、そこに２Ｎリチウムジイソプロピルアミド(ＬＤＡ)溶液7.Oｃｍ³(14ｍｍｏｌ、1.3 eq/Bpy)を乾燥ＴＨＦ10ｃｍ³に溶かした溶液をゆっくり滴下した。滴下終了後、塩化トリメチルシラン1.9ｃｍ³ (12ｍｍｏｌ、1.1 eq/Bpy)を加えた。その後、直ぐに過シリル化を防ぐためエタノール3ｃｍ³を加えた。次に、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液200ｃｍ³を加え、エチルエチニルエーテル100cm3で２回分液抽出した。更に、有機相を飽和塩化ナトリウム100ｃｍ³で分液洗浄した。有機相に硫酸ナトリウムを加えて脱水した後、濾過して真空乾燥させた。ＮＭＲ測定を行った。ＮＭＲスペクトルのプロトン比より、収率は74％であると算出した。

（ｂ）４−ブロモメチルー４’−メチル−２，２’−ビピリジンの合成は下記反応スキームに従って脱気窒素置換下で行った。

まず、４−トリメチルシリルメチルー４’−メチル−２，２’−ビピリジン (Bpy-TMS) 1.76ｇ(6.86ｍｍｏｌ)を乾燥ＤＭＦ90cm3に溶かし、湯浴温度25℃で撹拝した。そこに１，２−ジブロモテトラフルオロエタン1.63ｃｍ³(13.72ｍｍｏｌ、２ eq/Bpy-TMS)を加えた。次に、オーブンで焼いたフッカセシウム2.08ｇ(13.72ｍｍｏｌ、２ eq/Bpy-TMS)を加えて１．５時間撹拝した。ＴＬＣにより反応終了を確認したのち、水100ｃｍ³を加えて酢酸エチル100ｃｍ³で分液抽出を３回行った。更に、有機相を水100ｃｍ³と飽和塩化ナトリウム100ｃｍ³で分液洗浄した。有機相を回収し、硫酸ナトリウムを加えて脱水した。濾過して減圧乾燥によりゆっくり固化させた後、残留ＤＭＦをヘキサンで洗浄し、0.6gの固形物を得た。NMR測定を行った。ＮＭＲスペクトルのプロトン比より、収率は５２％であると算出した。

（３）ジエチレングリコール修飾ビピリジンは、下記反応スキームに従って、脱気窒素置換下で合成した。

まず、ジエチレングリコール1.45ｃｍ³(15.2ｍｍｏｌ、１０ eq/Bpy-Br)を乾燥ＴＨＦ100ｃｍ³に溶かして撹拝した。そこに60％水素化ナトリウム1.8ｇ(45.6ｍｍｏｌ、３０ eq/Bpy-Br)を加え、湯浴温度83℃で還流を３０分間行った。次に、４−ブロモメチルー４’−メチル−２，２’−ビピリジン (Bpy-Br) 400ｍｇ(1.52ｍｍｏｌ)を乾燥ＴＨＦ50ｃｍ³に溶かしたものを１．５時間かけてゆっくり滴下した。滴下終了後、１７時間還流を行った。ＴＬＣにより反応終了を確認し、室温で放置した。水を加えて過剰水素化ナトリウムを潰した後、濾過して減圧乾燥した。水を100ｃｍ³加えて、クロロホルム100ｃｍ³で分液抽出を3回行った。更に有機相を水100ｃｍ³で分液洗浄した。有機相に硫酸ナトリウムを加えて脱水した後、濾過して真空乾燥させた。残留物は無色オイル状の相と茶褐色オイル状の相に分離した状態であった。ＮＭＲ測定を行った。

（４）ソラレン修飾ビピリジンの合成は、脱気窒素置換下および遮光下の反応系で行った。

まず、ジエチレングリコール修飾ビピリジン(Bpy-DEG)180ｍｇ(0.624ｍｍｏｌ)を乾燥ＴＨＦ50ｃｍ³に溶かして撹拝した。そこに60％水素化ナトリウム50ｍｇ(1.25ｍｍｏｌ、２eq/Bpy-DEG)を加え、湯浴温度83℃で還流を３０分間行った。次に、４’−クロロメチル−４，５’，８−トリメチルソラレン260ｍｇ(0.936ｍｍｏｌ、１．５eq/Bpy-DEG)を乾燥ＴＨＦ30ｃｍ³に溶かしたものをゆっくり滴下した。滴下終了後、還流を行った。ＴＬＣにより反応追跡を行うと、目的物と思われるスポットは確認されるものの非常に薄く、また原料であるBpy-DEGが多く残っているのが確認された。還流を止め水を加えて水素化ナトリウムを潰した後、マススペクトル測定を行って、上記化合物を確認した。

得られた生成物に、ルテニウム−ビスビピリジン錯体を反応（錯形成反応）こさせるとによって、最終生成物である上記式[III]で表されるルテニウム−ビスビピリジン錯体−ソラレン化合物を得ることができる。

図４は、原子間力顕微鏡を用いた単一の二重鎖ＤＮＡレベルでの電流−電圧特性を示している。図中、白丸印は、金（１１１）基板に固定化した５量体アデニンと５量体チミンからの二重鎖ＤＮＡについての結果を示し、黒丸印は、この基板をフェロセニルソラレンで処理し、基板表面に存在するＤＮＡをコンジュゲート形成させた飼料についての測定結果を示している。なお、試料はＡ−Ｔ５量体オリゴヌクレオチド（分子長２．７ｎｍ）にフェロセンが２分子ないしは３分子結合した構造を持っており、このようなＤＮＡコンジュゲート１分子あたり３．７ kW cmの抵抗率を持っていた。
この結果から、天然のＤＮＡ二重らせんは絶縁体であること、およびフェロセニルソラレンとの複合体形成によりＤＮＡに電気伝導度が発現することを確認した。

以上、この発明は、「１分子ＤＮＡワイヤー」の実現にとどまらず、近い将来の１分子ＤＮＡ回路の実現に決定的な意味を持っている。そのようなＤＮＡ回路は、例えば、遺伝子スイッチ（プロモータータンパクの結合による遺伝情報の発現と抑制）の働きを模倣した人工のシステムやバイオセンサー、ひいては論理演算モデルやそのコンピュータ応用などの多様な展開の足がかりとなるものである。
また、この発明は、化学的に安定なナノオーダーの導電性材料、配線の容易なナノオーダーの導電性材料およびセンサー機能（スイッチング機能）を持つナノオーダーの導電性材料として適用することができる。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた単一の二重鎖ＤＮＡレベルでの電気伝導度測定に関する実験スキームを示す模式図。 クロロメチルソラレンのＮＭＲ測定結果を示す図。 フェロセン修飾ソラレンのＮＭＲ測定結果を示す図。 単一の二重鎖ＤＮＡレベルでの電流−電圧特性を示すグラフ。

Claims (1)

1. 一般式 [I]:
   

   

   （式中、R1、R2およびR3はそれぞれ独立して水素原子または炭素原子数が１個〜６個の直鎖状または分岐状の低級アルキル基もしくは低級アルケニル基を意味し、
   R4は炭素原子数が１個〜６個のアルキレン基を意味し、
   Rは構造式 [VI]:
   

   

   で表されるルテニウム−ビスジピリジン錯体残基を意味する）
   で表されることを特徴とするルテニウム−ビスジピリジン錯体−ソラレン化合物。

Images