JP4433658B2 - Electronic equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機能材料およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法ならびに量子装置およびその製造方法に関し、特に、新規な手法による高機能材料の合成およびその応用に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現代の科学技術を支える電子素子や記憶媒体を作製する材料にはシリコンや磁性体の結晶性材料が多く用いられ、その微細化や純粋化の技術によって素子の高速化やメモリの大容量化が図られてきた。そして、それらの素子や媒体の特徴的なサイズがナノメートル(以下、単にナノという)のオーダーになるに至って、それまでのバルクの性質からは考えられなかった問題が生じることも明らかとなってきた。そこで、従来技術の改良という方向以外にも、ナノオーダーに適した材料の必要性が認識され、その探索が精力的に行われてきた。そうした中で現実の物質としても、ナノオーダー固有の性質を持つと考えられる材料が開発され始めている。
【0003】
最近、従来の結晶を基本とした材料と全く異なる高次構造を持つ材料として多重化階層構造が本出願人により提案された((1)R.Ugajin,C.Ishimoto,S.Hirata,and Y.Mori:Int.J.Mod.Phys.B,14,1825,(2000) (2)R.Ugajin,A.Ishibashi,S.Hirata,C.Ishimoto,and Y.Mori:Phys.Lett.A,275,467,(2000) (3)R.Ugajin,C.Ishimoto,Y.Kuroki,S.Hirata,and S.Watanabe:Physica A,292,437,(2001) (4)R.Ugajin:"Anderson Transition in a Multiply-Twisted Helix",J.Nanosci.Nanotech.,1,227-235,(2001)) 。その中でこの構造は従来の材料と全く異なる物性を持つことが示された。
【0004】
多重化階層構造の一例として多重巻きらせん構造を定義する(上記文献(1))。q重(fold) の多重巻きらせん構造は、(q−1)重の多重巻きらせんを一本の紐とみなし、それを用いてらせんにしたものとして定義される。q=0を直線の紐、q=1を周期Nの通常のらせんとすると、q重の多重巻きらせんはNq の周期を持つ。この場合、始めの1次元の紐が、ある要素とその間の結合によって構成されていると考えると、多重巻きらせん構造は多重化のために新たに生じる要素間の結合を加えることで定義される。ここでは結合は次のいずれかの条件
|q−p|=1
|q−p|=N
q−p=N2 かつmod(p,N)=0
q−p=N3 かつmod(p,N2 )=1 (1)
q−p=N4 かつmod(p,N3 )=2


を満たす要素p,q間に定める。ただし、mod(a,b)とは、aをbで割ったときの余りである。即ち、1次元鎖から見た最近接要素間の結合に加えて、全ての要素に1重らせんによるN離れた要素との結合が、またN要素ごとにN2 先の要素との結合が、更にN2 要素ごとにN3 先の要素との結合が、という具合に結合が決められている。ただし、N2 以上の長周期で結合する要素は異なる長周期の要素とは別の要素となるように取っている。この構造は周期Nを変化させることで制御することができる。そして、その構造の変化によって、これまで物質を構成する要素によって決まっていると考えられていた次元性などに依存する物性を大きく変化させることができることが、モット転移(上記文献(1))や強磁性転移(上記文献(2))、アンダーソン転移(上記文献(3)(4)) を調べることで確かめられた。また、結合間にも要素を加えて一般化した構造も調べられている((5)R.Ugajin,Y.Watanabe,and Y.Mori:"Multiply-twisted helices of various inter-round couplings",Int.J.Mod.Phys.B,16,1225-1239,(2002))。
【0005】
この構造の重要性は、物質そのものを変化させることなく構造を変化させることで、磁性や伝導性などの物性を制御することが可能であるという点にある。このため、この多重化階層構造を実現することは非常に重要な課題となっている。これまでの例としては、量子ドットアレイやカーボンナノコイルの多重化などによる実現方法が示されてきたが、大量に安定に作製することは現状では困難である。
【0006】
また、別のタイプの結晶とは異なる構造を持つ材料としては、フラクタル((6)B.B.Mandelbrot:The Fractal Geometry of Nature,(Freeman,San Francisco,1982) (7)A.Erzan,L.Pietronero,and A.Vespignani:Rev.Mod.Phys.,67,545,(1995)) やデンドリマー((8)S.Hecht and J.M.J.Frechet:"Dendritic Encapsulationof Function:Applying Nature's Site Isolation Principle from Biomimeticsto Materials Science",Angew.Chem.Int.Ed.,40,74-91,(2001) (9)A.Rajca,J.Wongsriratanakul,S.Rajca,and R.Cerny:"A Dendritic Macrocyclic Organic Polyradical with a Very High Spin S =10",Angew.Chem.Int.Ed.,37,1229-1232,(1998) (10)D.-L.Jiang and T.Aida:"Morphology-Dependent Photochemical Events in Aryl Ether Dendrimer Porphyrins:Cooperation of Dndron Subunits forSinglet Energy Transition",J.Am.Chem.Soc.,120,10895-10901,(1998) (11)M.Enomoto and T.Aida:"Self-Assembly of a Copper-Ligating Dendrimer that Provides a New Non-Heme Metalloprotein Mimic:"Dendrimer Effects" of Stability of the Bis ( μ-oxo)dicopper(III)Core",J.Am.Chem.Soc.,121,874-875,(1999))などの分岐構造を持つものも知られている。更に、フラクタル次元を成長の途中で変更することで作られる複合フラクタル構造も本出願人により提案されており、アンダーソン転移や強磁性転移、モット転移などの研究を通じて新規な物性が出現することが確かめられている((12)R.Ugajin,S.Hirata,and Y.Kuroki:"Anderson transition driven by running fractal dimension in a fractal-shaped structure",Physica A,278,312-326,(2000) (13)R.Ugajin:"Anderson transition in a fractal-based complexes",Physica A,301,1-16,(2001) (14)R.Ugajin,S.Hirata,and Y.Mori:"Ferromagnetic and Mott transitions modulated byvarying fractal dimensions in fractal-shaped nanostructures",Int.J.Mod.Phys.B,15,2025-2044,(2001))。
【0007】
こういった結晶と異なる構造を持つことを特徴とする物質としてはDNA(デオキシリボ核酸)やタンパク質、神経細胞などの生体物質が知られている。DNAに関しては、その選択的な結合性を用いて複雑な構造を作る試みや、分子デバイスにおける分子配線への応用を考えた電気的特性の測定などが研究されている((15)C.Dekker and M.A.Ratner:"Electric properties of DNA",Physics World,14,(2001)(宮野健次郎訳:「DNAは電気を通すか」,パリティ,17,4-11,(2002-3))。別の1本鎖DNA中の相補的な部分列同士を結合させることにより、絡み合った環や結び目、1・2次元の周期構造、3次元の立方体などを作製することができることが報告されている((16)E.Winfree,F.Liu,L.A.Wenzler,and N.C.Seeman:"Design and self-assembly of two dimensional DNA crystal",Nature,394,539-544,(1998)) 。また、伝導性に関しては、数nmまでの距離においては電荷移動を行うことができることが確かめられている。DNA中の正孔(ホール)はA−T(アデニン−チミン)塩基対上よりも、G−C(グアニン−シトシン)塩基対上の方がエネルギー的に安定である。そのため、G−C対に対してA−T対はエネルギー障壁となり、G−C対間の距離が短い場合はトンネル効果によりコヒーレントな電荷移動、距離が長い場合は熱励起によるホッピング伝導であると理解されている。しかしながら、配線を考える場合に必要なより長い距離での伝導に関しては未だに決着がついていないが、良導体ではないと考えられている。そのため、DNAによって多重化階層構造のような構造を作ることができても、計算で得られている新規な物性を発現するとは考えられない。また、DNAを金原子で修飾した場合は良導体であることが知られているが、その際も構造は多数の1本鎖DNAを複雑に組み合わせる工程によって作る必要があり、安定に作製することは困難と考えられる。
【0008】
タンパク質は、α−ヘリックスやβ−シートなどの2次構造やそれらの空間的な配置である3次構造など多彩な立体構造を取ることで機能を発現することが知られており、その構造と物性との関係も精力的に研究されている。タンパク質の立体構造を担う骨格は、アミノ基とカルボキシル基とが脱水重合してできるペプチド結合の主鎖で構成されている。電気伝導に関しては、プロリンのオリゴマー((17)S.S.Isied,M.Y.Ogawa,and J.F.Wishart:"Peptide-Madiated Intramolecular Electron Transfer:Long-Range Distance Dependence",Chem.Rev.,92,381-394,(1992)) やα−ヘリックス((18)H.B.Gray and J.R.Winkler:"Electron tunneling in structurally engineered protein",J.Electroanal.Chem.,438,43-47,(1997)) ではトンネリングによる伝導の存在が知られている。しかしながら、タンパク質分子全体にわたる長距離の伝導に関しては良導体ではないと考えられている。タンパク質を構成する各アミノ酸の側鎖に注目しても、それぞれでは電荷や極性を持つものもあるが、それらが全体としてネットワークを構成し、伝導性や磁性を示すものは知られていない。また、これまでに多重化階層構造で特徴的であった伝導性や磁性に関する新しい物性を示すタンパク質も報告されていない。
【0009】
ところが最近、任意のアミノ酸を任意の位置に組み込んだタンパク質を設計するための新しい手法が開発された((19)I.Hirano,T.Ohtsuki,T.Fujiwara,T.Matsui,T.Yokogawa,T.Okuni,H.Nakayama,K.Takio,T.Yabuki,T.Kigawa,K.Kodama,T.Yokogawa,K.Nishikawa,and S.Yokoyama:"An unnatural base pair for coupled transcription-translation in a cel-free system",Nature Biotechnol.,20,177-182,(2002))。タンパク質の任意の位置に目的の側鎖を持ったアミノ酸を挿入するためには色々な手法が考えられるが、彼らは目的のアミノ酸配列を生成することのできる遺伝情報転写−翻訳系を構成することによりそれを達成した。この手法の最も新しい点は、非天然のアミノ酸を含む任意のアミノ酸を扱えることとそれを遺伝情報として書き込むことができるということにある。そのため、目的の非天然アミノ酸を任意の位置に含んだ人工タンパク質を大量に安定的に合成することが可能となる。
【0010】
これを行うために二つの鍵となる技術が開発された。一つは、非天然のアミノ酸を含めたアミノ酸を指定するコドンを形成するために必要な新たな塩基対の導入である。この塩基対x,yはそれら同士は高い確率で対を作る必要があるが、それ以外の天然の塩基対A,T(U)(Uはウラシル),G,Cとはほぼ対を作らないことが必要とされる。そのため彼らはxとして2-amino-6-(N,N-dimethylamino)purine を、yとしてprydin-2-oneを導入し((20)M.Ishikawa.I.Hirano,and S.Yokoyama:"Synthesis of 3-(2-deoxy- β-D-ribofuranosyl)pyridin-2-one and 2-amino-6- (N,N-dimethylamino)-9-(2-deoxy- β-D-ribofuranosyl)purinederivatives for an unnatural base pair",Tetrahedron Lett.41,3931-3934,(2000)) 、実際にxをDNA中に埋め込んで転写を行うとRNA(リボ核酸)ではxの相補的な位置に選択的にyが取り込まれていることを確かめた((21)T.Ohtsuki,M.Kimoto,M.Ishikawa,T.Matsui,and S.Yokoyama:"Unnatural base pairs for specific transcription",Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,98,4922-4925,(2001))。天然の塩基とは対とならない性質は、xに含まれる6-dimethylamino による立体障害によりもたらされると理解される。そこで、更に確実に立体障害を起こす構造である6-(2-Thienyl)purine(sと呼ぶ)がxに代えて導入され、実際に高精度で対となることが確かめられている((22)T.Fujiwara,M.Kimoto,H.Sugiyama,I.Hirano,and S.Yokoyama:"Synthesis of 6-(2-Thienyl)purine Nucleoside Derivatives That Form Unnatural Base Pair with Pyridin-2-one Nucleosides",Bioorg.Med.Chem.Lett.,11,2221-2223,(2001)) 。また、この新しい塩基を導入したDNAは、正しくタンパク質合成の鋳型となるかを確かめるため、まず非天然アミノ酸である3-chlorotyrosineと結合し、アンチコドンとしてCUxを持ったtRNA(転移RNA)を作製し、続いてRas遺伝子の32番目のコドンに新たにyAGコドンを導入したものを作製し、それらを入れた試験管内の転写−翻訳系を構成し、実際に3-chlorotyrosineが選択的に取り込まれることを示した(上記文献(19)) 。
【0011】
二つ目は、目的の非天然アミノ酸とx(s),yを含むコドンを選択的に認識することができるtRNAを作製する技術である。これを示すために、大腸菌由来のtRNA合成酵素(Escherichia coli arginyl-tRNA synthetase) の変異体の中で、天然型アミノ酸であるtyrosineよりも非天然型アミノ酸である3-iodinetyrosineを選択的に抑制tRNA(suppressor tRNA)に結合させるものが作製され((23)D.Kiga,K.Sakamoto,S.Sato,I.Hirano,and S.Yokoyama:"Shifted positioning of the anticodon nucleotide residues of amber suppressor tRNA species by Escherichiacoli arginyl-tRNA synthetase",Eur.J.Biochem.,268,6207-6213,(2001)) 、実際に試験管内タンパク質合成系で任意の位置に3-iodinetyrosineを導入することができることが確かめられた。更に、培養細胞中に非天然型アミノ酸を選択的に取り込むことにも成功している(上記文献(23)) 。
【0012】
一方、DNAやタンパク質などの生体分子に対し、適切なリンカー(linker)を用いることで金や銀などの金属ナノパーティクルや半導体量子ドットを結合することができることが知られている((24)Christof M.Niemeyer:"Nanoparticles,Proteins,and Nucleic Acids:Biotechnology Meets Materials Science",Angew.Chem.Ed.,40,4128-4158,(2001))。特にDNA鎖に限っても、金のナノパーティクルの結合((25)W.-L.Shaiu,D.D.Larson,J.Vesenka,and E.Henderson:Nucleic Acids Res.,21,99-103,(1993) (26)C.A.Mirkin,R.L.Lestinger,R.C.Mucic,and J.J.Storhoff:Nature(London),382,607-609,(1996) (27)A.Bardea,A.Dagan,I.Ben-Dov,B.Amit,and I.Willner:Chem.Commun.,839-840,(1998) (28)F.Patolsky,K.T.Ranjit,A.Lichtenstein,and I.Willner:Chem.Commun.,1025-1026,(2000) (29)R.L.Lestinger,R.Elghanian,G.Viswanadham,and C.A.Mirkin:"Use of a Steroid Cyclic Disulfide Anchor in Constructing Gold Nanoparticle-Oligonucleotide Conjugates",Bioconjugate Chem.,11,289-291,(2000))、半導体量子ドットの結合((30)R.Mahtab,J.P.Rogers,and C.J.Murphy:J.Am.Chem.Soc.,117,9099-9100,(1995) (31)G.P.Mitchell,C.A.Mirkin,and R.L.Lestinger:"Programmed Assembly of DNA Functionalized Quantum Dots",J.Am.Chem.Soc.,121,8122-8123,(1999)) が可能である。金属を結合する場合は、1本のDNA鎖を鋳型と考えて、配置したい場所に対応した短い相補鎖と結合したナノパーティクルを入れることで、そのナノパーティクルの配列を作ることを目的とし((32)X.Yang,L.A.Wenzler,J.Qi,X.Li,and N.C.Seeman:J.Am.Chem.Soc.,120,9779-9786,(1998)および上記文献(16)) 、その伝導特性なども良く調べられている((33)E.Braun,Y.Eichen,U.Sivan,and G.Ben-Yoseph:"DNA-templated assembly and electrode attachment ofa conducting silver wire",Nature(London),391,775-778,(1998) (34)S.-J.Park,A.A.Lazarides,C.A.Mirkin,P.W.Brazis,C.R.Kannewulf,and R.L.Lestinger:"The Electrical Properties of Gold Nanoparticle Assemblies Linked by DNA",Angew.Chem.Int.Ed.,39,3845-3848,(2000)) 。また、量子ドットの結合は主として生体内での生体分子のマーカーとして使用することを目的としており((35)W.C.W.Chan and S.Nie:"Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive Nonisotopic Detection",Science,281,2016-2018,(1998) (36)M.Bruchez Jr.,M.Moronne,P.Gin,S.Weiss,and A.P.Alivisatos:"Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels",Science,281,2013-2016,(1998) (37)H.Mattoussi,J.M.Mauro,G.Goldman,G.P.Anderson,V.C.Sundar,F.V.Mikulec,and M.G.Bawendi:"Self-Assembly of CdSe-ZnS Quantum Dot Bioconjugates Using an Engineered Recombinant Protein",J.Am.Chem.Soc.122,12142-12150,(2000) (38)Barbera-Guillem:"Functionalized nanocrystals as visual tissue-specific imaging agents,and methods for fluorescence imaging",US Patent 6,333,110(December25,2001) (39)Bawendi,et al.:"Biological applications of quantum dots",US Patent 6,326,144(December4,2001) (40)Barbera-Guillem:"Fluorescence filter cube for fluorescence detection and imaging",US Patent 6,252,664(June26,2001) (41)Siiman,et al.,:"Semiconductor nanoparticles for analysis of blood cell populations and methods of making same",US Patent 6,235,540(May27,2001))、量子ドットの親水性を高めることや蛍光の強度なども重要な技術となっている((42)Bawendi,et al.:"Highly luminescent color-selective nano-crystalline materials",US Patent 6,322,901(November20,2001) (43)Bawendi,et al.:"Water-soluble fluorescent semiconductor nanocrystals",US Patent 6,319,426(November20,2001) (44)Weise,et al.:"Semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes",US Patent 6,207,392(March27,2001) (45)Castro,et al.:"Functionalized nanocrystals and their use in detection systems",US Patent 6,114,038(September5,2000))。
【0013】
DNA鎖は通常、相補的な塩基配列を持つDNA鎖同士が2本結合して2重らせん構造を取ることが知られている。しかし最近、複数のDNA鎖に対して相補的な部分列同士を結合させることにより、絡み合った環や結び目、1・2次元の周期構造、3次元の立方体などを作製する手法が見出された((46)Nadrian C.Seeman:"Nucleic Acid Nanostructures and Topology",Angew.Chem.Int.Ed.,37,3220-3238,(1998) (47)T.H.LaBean,H.Yan,J.Kopatsch,F.Liu,E.Winfree,J.H.Reif,and N.C.Seeman:"Construction,Analysis,Litigation,and Self-Assembly of DNA Triple Crossover Complexes",J.Am.Chem.Soc.,122,1848-1860,(2000))。これらの技術は、異なる形やトポロジーを持つDNA鎖間を、化学的な手続きによりスイッチさせる分子デバイス((48)P.J.Kuekes,R.S.Williams,and J.R.Heath:"Molecular-Wire Crossbar Interconnect(MWCI) for Signal Routing and Communications",US Patent 6,314,019,(November6,2001) (49)P.J.Kuekes,R.S.Williams,and J.R.Heath:"Molecular Wire Crossbar Interconnect Memory",US Patent6,128,214,(October3,2000))や、DNA鎖同士の結合で計算を行うDNA計算((50)L.M.Adleman:"Molecular computation of solutions to combinatorial problems",Science,226,1012-1024,(1994) (51)R.J.Lipton:"Using DNA to solve NP-complete problems",Science,268,542-545,(1995))を目的として開発された((52)C.Mao,T.H.LaBean,J.H.Reif,and N.C.Seeman:"Logical computation usingalgorithmic self-assembly of DNA triple-crossover molecules",Nature(London),407,493-496,(2000) (53)H.Yan,X.Zhang,Z.Shen,and N.C.Seeman:"A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology",Nature(London),415,62-65,(2002)) 。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、多重化階層構造などの新規な構造を実現する上で従来技術が有する上記の課題を解決することを目的とするものである。
即ち、この発明が解決しようとする課題は、豊富な物性を発現する機能材料を安価に大量に得ることができる機能材料およびその製造方法を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の機能材料を用いた電子装置およびその製造方法ならびに量子装置およびその製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、本出願人が先に提案した多重化階層構造やフラクタル構造などの新規な構造を安価に大量に実現するためには、分子生物学的手法を用いることが最も有効であると考え、種々検討を行った。その結果、非天然塩基対を含む拡大された遺伝情報転写−翻訳系を用いて、非天然アミノ酸を組み入れたペプチド結合鎖として実現する方法、あるいは、部分的に相補鎖の関係になっている複数のポリヌクレオチド鎖を組み合わせた構造により実現する方法を考えた。より詳細には、前者については、非天然タンパク質の生合成の手法を用いて、目的に応じた側鎖を持った非天然アミノ酸を適切な立体構造中に配置し、その側鎖に、物性発現に必要な要素として例えば半導体量子ドットに代表されるナノ構造体を結合することにより、多重化階層構造やフラクタル構造のような新規な構造を持つ材料を安定に大量に実現することができると考えられる。また、後者については、部分鎖が相補鎖となっている複数のDNA鎖を組み上げたものを土台として、適切な場所に物性を発現させるためのナノ構造体を結合させる。
【0016】
これまで、何らかの意味で構造を持たせる技術として「自己組織化」を用いる方法があるが、上記の手法はこの自己組織化技術を超えたものと言える。すなわち、自己組織化では、複雑な構造を取らせることのできる材料は決まっていて、物性として興味のある材料(ナノパーティクルなど)を自由に配列することは現状ではできていない。これに対し、ここでは、典型的に自己組織化、自己構造化する材料である生体分子の力で目的のナノパーティクルなどを構造化することができる。
この発明は本発明者による上記検討に基づいて案出されたものである。
【0017】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、
ペプチド結合鎖の取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている
ことを特徴とする機能材料である。
【0018】
この発明の第2の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるようにした
ことを特徴とする機能材料の製造方法である。
【0019】
この発明の第3の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている
ことを特徴とする機能材料である。
【0020】
この発明の第4の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるようにした
ことを特徴とする機能材料の製造方法である。
【0021】
この発明の第5の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、ペプチド結合鎖の取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする電子装置である。
【0022】
この発明の第6の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする電子装置の製造方法である。
【0023】
この発明の第7の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする電子装置である。
【0024】
この発明の第8の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする電子装置の製造方法である。
【0025】
この発明の第9の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、ペプチド結合鎖の取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする量子装置である。
【0026】
この発明の第10の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする量子装置の製造方法である。
【0027】
この発明の第11の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする量子装置である。
【0028】
この発明の第12の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする量子装置の製造方法である。
【0029】
この発明において、機能材料は、典型的には微小構造体を複数有し、それらのうちの少なくとも2つの微小構造体が互いに結合し、あるいは、これらの複数の微小構造体が互いに結合している。ここで、結合とは、微小構造体が直接接触している場合と、微小構造体が直接接触してはいないが量子力学的トンネル効果により結合している場合との両者を含む。これらの複数の微小構造体は種々の配置を取ることができ、具体的には、一次元鎖状、らせん状、分岐構造、フラクタル構造、多重化階層構造などを取るように配置される。また、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸は、典型的には非天然のアミノ酸、言い換えれば人工のアミノ酸が用いられる。微小構造体は一般的にはナノ構造体であり、具体的には、量子ドット、特に半導体量子ドットであり、その一例を挙げるとZnSで周りを覆われたCdSeからなる半導体量子ドットである。また、微小構造体が選択的に結合する側鎖の一例を挙げると、メルカプト酢酸である。この側鎖は特に、上記のZnSで周りを覆われたCdSeからなる半導体量子ドットの結合に好適に用いられる。
【0030】
機能材料は、最も単純には、ペプチド結合鎖あるいはポリヌクレオチド鎖のみからなるが、必要に応じ、それに持たせる機能に応じて、他の材料を所要の混合比および分布の仕方で複合化してもよい。電子装置の例を挙げると、強磁性を利用した磁気素子や金属−絶縁体転移を利用したスイッチング素子などである。また、量子装置の例を挙げると、量子計算装置などである。なお、量子装置は、電子装置と見ることができる場合もある。
【0031】
上述のように構成されたこの発明によれば、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖あるいは微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖は、生合成の手法で安価に大量に製造することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について説明する。
第1の実施形態
第1の実施形態においては、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を少なくとも含み、そのペプチド結合鎖の取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料について説明する。
【0033】
(1)量子ドットと結合するアミノ酸
立体構造を構成する微小構造体として、ここでは量子ドット(半導体ナノクリスタル)を取る。具体的には、図1に示すように、ZnS1で周りを覆われたCdSe2からなる量子ドット、即ちCdSe/ZnS量子ドットを考える。半導体CdSe2のエネルギーギャップは約1.7eV、半導体ZnS1のエネルギーギャップは約3.8eVであるので、このCdSe/ZnS量子ドットのポテンシャルの構造は1.1eV程度のエネルギー差を持つ井戸型ポテンシャルとなる(図2)。また、2つのCdSe/ZnS量子ドット同士が十分に近づいた場合には、図3に示すように、トンネル効果によりドープされた電子は伝導することができることもわかる。アミノ酸に結合したCdSe/ZnS量子ドット同士がどの程度近づくかは、CdSe/ZnS量子ドットの大きさとこのCdSe/ZnS量子ドットが結合するアミノ酸の立体配置の関係とによる。CdSe/ZnS量子ドットの大きさは1nm程度から数十nmまで望みの大きさのものを作製することができるので、後で述べる数種の設計の際にはそれに必要な大きさを取ることができる。CdSe/ZnS量子ドットを生体分子に結合させる方法はいくつか知られている(上記文献(36)(37)(42)(43)) 。また、生体内での生体分子の機能を調べるためのマーカーとしての応用も報告されている(上記文献(38) (39) (40) (41) (44) (45))。ここでは、その中で、メルカプト酢酸(mercaptoacetic acid)−S−CH2 −CO−NH−による結合(上記文献(35)) を行うこととする。この場合、メルカプト酢酸のSがCdSe/ZnS量子ドットの外周のZnS1と結合し、またNHがアミノ酸と結合する。そこで、ここでは側鎖としてHS−CH2 −CO−NH−を持った非天然のアミノ酸(ここではLnkと呼ぶ)を準備して、それがアミノ酸配列の適切な場所に組み入れられた人工のタンパク質を合成する。そしてその人工タンパク質が合成され立体構造を取った後に、そのタンパク質にCdSe/ZnS量子ドットを化学的な手段で結合させる(上記文献(35)) 。その際、CdSe/ZnS量子ドットは図1に示すように周りが−S−CH2 COOHで覆われており、これがCdSe/ZnS量子ドットを結合させるのに障害となることから、CdSe/ZnS量子ドットの外周を覆う−S−CH2 COOHのうちアミノ酸との結合以外の部分を化学的に取り除く。こうすることで望みの立体構造を持った結合量子ドットを構築することができる。
【0034】
(2)アミノ酸の認識
新たな非天然のアミノ酸をタンパク質中に導入する場合、tRNAがそのアミノ酸を選択的に認識し、かつそのアミノ酸を指定するコドンに対応したアンチコドンを持つ必要がある。特に、tRNAが正しく目的のアミノ酸と結びつくためには、対応したアミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)を必要とする。つまり、非天然アミノ酸を導入するためには、新たなaaRSを作製する必要があることがわかる。
【0035】
こういった操作が原理的に可能であることは既に実証されている(上記文献(23)) ので、ここでの伝導性や磁性を考えた側鎖を持った非天然アミノ酸に対しても設計可能であると考えることができる。
【0036】
そこで、ここではLnkをコードするDNA、RNAを作製するために横山らによって導入された非天然の塩基対s、y(上記文献(22)) を導入する。そしてLnkをコードするコドンとしてyAG(A,Gは天然の塩基対アデニン、グアニン)を、それを認識するtRNAのアンチコドンとしてCUsを取ることとする。これらを任意の位置に組み込むことも可能であることが実証されている(上記文献(19)) 。
【0037】
(3)1次元鎖状結合構造
まず、構造を構築する上で基本的な1次元鎖状結合構造を持った量子ドットを具体的に作製する。この系は単純であるが理論的に興味深い結果も得られている((54)R.Ugajin:"Hubbard gap tunneling in quantum dot chain:an investigation using absorption spectra",Phys.Rev.Lett.80,572-575,(1998) (55)R.Ugajin:"Hubbard-gap tunneling in disordered quantum-dot chains",Phys.Rev.B59,4952-4960,(1999))。ここでは、長いα−ヘリックスを持つ代表的なタンパク質として、インフルエンザウイルス赤血球凝集素を取り上げて、そのアミノ酸配列の一部を非天然アミノ酸であるLnkに変更することを考える。以下タンパク質は表1の略号を使う。
【0038】

Figure 0004433658
【0039】
このタンパク質の立体構造はBulloughらによってX線構造解析を用いて決定されており((56)P.A.Bullough,F.M.Hughson,J.J.Skehel,and D.C.Wiley:"Structure of influenza haemagglutinin at the Ph of membrane fusion",Nature(London),371,37-43,(1994)) 、その情報はProtein Data Bank(PDB,http://www.rcsb.org/pdb/)に登録されている(登録ID:1HTM)。このタンパク質は3本の長い(10nm程度)α−ヘリックスを含んでいる。ここでは41番目の残基Thrから104番目の残基Asnまでの64残基で構成されている1本のα−ヘリックスを取り上げ、その一部のアミノ酸をLnkに変更することを考える。
【0040】
α−ヘリックスは1巻きを3.6残基で構成しており、そのピッチは0.54nmである。そこで、7残基ごとにアミノ酸をLnkに変更し、その側鎖に直径1nm程度のCdSe/ZnS量子ドットを結合すると、図4に示すように、そのCdSe/ZnS量子ドットは互いに近接して鎖状に並んだ構造を取ることがわかる。この場合、9箇所の残基を変更することができて、具体的には(42:Gln)、(49:Asn)、(56:Ile)、(63:Phe)、(70:Phe)、(77:Ile)、(84:Val)、(91:Leu)、(98:Leu)の各アミノ酸残基を全てLnkに変更する。α−ヘリックスは比較的安定な構造であり、少数の残基の変更では構造を保つことが期待できる。
【0041】
この設計に基づいて、上記の転写−翻訳による生合成および側鎖と量子ドットとの結合手法を用いることで、1次元鎖の構造を持つ結合量子ドットを構築することができる。
【0042】
(4)らせん構造
次に、らせん構造を持つ結合量子ドットを構築する。元となるタンパク質としてラクトース結合破傷風毒素のHcフラグメントを取る。そのPDBのIDは1DLLである。このタンパク質の立体構造はEmsleyらによって決定された((57)P.Emsley,C.Fotinou,I.Black,N.F.Fairweather,I.G.Charles,C.Watts,E.Wewitt,and N.W.Isaacs:"The structures of the H(C)fragment of tetanus toxin with carbohydrate subunit complexes provide insight into canglioside binding",J.Biol.Chem.275,8889,(2000))。このタンパク質は典型的な2次構造モチーフの一つである、ゼリーロール・バレルを取る。その様子を図5の破線囲み部に示す。これは、安定な2次構造のβ−ストランドが17本集まってバレルを形成している構造で、少数のアミノ酸の入れ替えに対して比較的安定と考えられる。この2次構造モチーフは、885番目の残基から1092番目の残基までで構成されている。注目するβ−ストランドは15本で、アミノ酸配列のN末端からC末端の方向で現れる順に2次構造に付けた番号でそれぞれ、4(885−888),5(889−892),7(895−898),9(905−908),15(933−936),21(950−957),25(973−978),27(990−996),29(999−1005),31(1011−1017),33(1032−1038),35(1043−1048),37(1051−1057),39(1069−1075),41(1084−1092)(括弧内はストランドを構成する残基の番号)である。
【0043】
図5に示すように、らせん状に量子ドットを配置するために、4のβ−ストランドから始めて、4→41→21→33→35→37→31→29→27→25→39→15→9→7→5→41213335373129272539(下線はらせんの2巻き目で通るストランドを表す)のようならせん構造を構築することを考える。そのため各ストランドで、4(886:Ile),41(1085:Ser,1091:Ile),21(951:Thr,955:Trp),33(1033:Phe,1037:Thr),35(1044:Ala,1048:Ile),37(1052:Leu,1056:Ala),31(1012:Arg,1016:Phe),29(1000:Leu,1004:Leu),27(991:Trp,995:Leu),25(974:Tyr,978:Ser),39(1070:Ile,1074:Leu),15(934:Ile),9(906:Val),7(896:Ile),5(890:Asp)、の各残基をそれぞれLnkへと変更したアミノ酸配列を設計する。
【0044】
この設計から上記と同様に、生合成および量子ドットの結合を行うことでらせん構造を持った結合量子ドット系を作製することができる。この手法を用いて量子細線の周りにらせん構造を持った結合量子ドットを配置することで、新規な機能を持ったデバイス((58)R.Ugajin:"Charge transfer device",US Patent 5,828,090(October27,1998))を実現することもできる。
【0045】
(5)分岐構造
次に、分岐構造を構築する。元のタンパク質としては、ペニシリンに作用するDD−ペプチダーゼ酵素を取る。この立体構造は、Kelly ら((59)J.A.Kelly,J.R.Knox,H.Zhao,J.M.Frere,and J.M.Ghuysen:"The refined crystallographic structure of a DD-peptidase penicillin-target enzyme at 1.6Å resolution",J.Mol.Biol.,254,223,(1995))によって決定されている(PDB ID:3PTE)。上記と同様な手順で2次構造に付けた番号で、54(317−323)、4(25−32)、6(35−42)(括弧内はストランドを構成する残基の番号)のβ−ストランドを考えて、54−4で1分岐、4−6で2分岐となる構造を設計する(図6)。
【0046】
具体的には各ストランドで、54(320:Thr)、4(26:Ala,30:Val)、6(35:Thr,37:His,39:Leu,41:Glu)、の各残基をそれぞれLnkに変更したアミノ酸配列を設計する。
これより、上記と同様の手続きで分岐構造を持った結合量子ドットを作製することができる。
【0047】
(6)高次構造
代表的な高次構造である多重化階層構造やフラクタル構造は、前節までの3つの基本構造、らせん構造、分岐構造、1次元鎖状構造を組み合わせることで構成することができ、具体例を挙げると、多重巻きらせん構造は、らせん構造を基として遠方との結合として結合させる両要素に分岐を入れてその間を1次元鎖で結合すればよいことがわかる。また、フラクタル構造も分岐と1次元鎖とを自己相似的に組み合わせることで実現することができる。よってこれらの高次構造もここでの手法により作製可能であることがわかる。
【0048】
第2の実施形態
この第2の実施形態においては、微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、その複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む少なくとも一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料について説明する。
【0049】
(1)DNA鎖と量子ドットとの結合
ここでは、図7に示すように、DNA鎖4に対して、CdSe/ZnS量子ドットを結合させることを考える。このCdSe/ZnS量子ドットの詳細は第1の実施形態で述べたとおりである。この場合、リンカーとして−S−(CH2 6 −を用いることで、CdSe/ZnS量子ドットをDNA鎖の末端に結合させることができる(上記文献(31)) 。
【0050】
DNA鎖4の任意の位置にCdSe/ZnS量子ドットを結合させるためには、DNA鎖4が相補的な塩基配列を持ったDNA鎖と対を作ることを利用する。1本の長いDNA鎖を準備して、その目的の位置に相補的な塩基配列を持つ短いDNA鎖を持ってくる。そして、図8に示すように、その短いDNA鎖の末端に上記のリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットを結合し、それを長いDNA鎖に結合させるという手順を取ればよい。短いDNA鎖の長さと本数とを変化させることにより、任意の個数のCdSe/ZnS量子ドットを長いDNA鎖の塩基配列の任意の位置に置くことができることもわかる。
【0051】
(2)1次元鎖状結合構造
まず、構造を構築する上で基本的な1次元鎖状結合構造を持った量子ドットを具体的に作製する。既に述べたように、この系は単純であるが理論的に興味深い結果も得られている(上記文献(54)(55)) 。
【0052】
通常の2本の相補的なDNA鎖よりなる2重らせんを考える。DNA分子は細胞内では主としてB型と呼ばれる構造を取ることが知られている((60)T.A.Brown:"Genomes" (BIOS Scientific Publishers,Oxford,1999))。この構造では、らせんの直径は2.37nmで、10塩基対で1ピッチ(3.4nm)となる。また、ここで用いるCdSe/ZnS量子ドットの典型的なサイズは1nmから十数nmである。そこで、長いDNA鎖として100塩基の長さのものを取り、短いDNA鎖として10塩基の長さで、その5´−末端にCdSe/ZnS量子ドットを結合したものを10本取ることとする。図9に示すように、ここでは、短いDNA鎖はそれぞれ適切な塩基配列を取り、長いDNA鎖と相補的に塩基対との結合で並べることができるものとする。
【0053】
こうしてできた2重鎖は10周期のらせん構造を取り、その時上記のように結合したCdSe/ZnS量子ドットは図10に示すように1次元鎖状構造となることがわかる。この時、CdSe/ZnS量子ドット間の中心間の距離は約3.4nmとなるので、典型的なCdSe/ZnS量子ドットのサイズの範囲内で結合させることが可能であることもわかる。
【0054】
(3)らせん構造
次に、CdSe/ZnS量子ドットをらせん構造に配置することを考える。そこで、上記(2)と同じ状況の下、長いDNA鎖として110塩基の長さのものを取り、短いDNA鎖として11塩基の長さで、その5´−末端にCdSe/ZnS量子ドットを結合させたものを10本取ることとする。
【0055】
こうしてできた2重鎖が11周期のらせん構造を取るとき、上記のように結合したCdSe/ZnS量子ドットは図11に示すように1周期のらせん構造となることがわかる。この時、CdSe/ZnS量子ドット間の中心間の距離は約4.03nmとなるので、この場合も典型的なCdSe/ZnS量子ドットのサイズの範囲内で結合させることが可能である。
【0056】
また、1塩基長のDNA鎖ごとにCdSe/ZnS量子ドットを結合させることにすれば、量子ドットの中心間の距離が約1.53nmのらせん構造となることもわかる。
【0057】
更に、異なるDNA分子の立体構造であるA型(らせんの直径2.55nm、ピッチは11塩基対で3.2nm)に対しても同様にらせん構造を設計することができる。
【0058】
(4)分岐構造
次に、分岐構造を構築する。ここでは、2分岐を持ったDNA分子の足の先端にCdSe/ZnS量子ドットを結合させたものを部品として、それをつなぎ合わせて分岐構造を構成することとする。
【0059】
まず、図12に示すように、2分岐を持ったDNA分子を設計する。通常の2重らせんを構成するために必要となる2本のDNA鎖に加えて、更にもう1本DNA鎖を準備する。それらのDNA鎖をA,B,Cと名づける。また、それぞれのDNA鎖を二つの部分に分け、それぞれをA(B,C)1 ,A(B,C)2 と表すこととする。この3本のDNA鎖が部分相補鎖同士結合し、うまく1つの構造を作るためには、次の条件を満たせばよいことがわかる。
【0060】
1 =B2 バー
1 =C2 バー (2)
1 =A2 バー
ここで、Xバーは部分鎖Xの相補鎖であることを表している。具体的には、分岐部分からそれぞれ10塩基対の長さの2重らせんが出ているものとする。その先端にCdSe/ZnS量子ドットを結合させたとすると、量子ドットの中心間の距離は約5.88nmとなり、設計可能なサイズである。また、実際上はDNA鎖同士を選択的に結合させるために、ある部分鎖は目的の部分鎖以外とは相補鎖の関係にならないように設計する。
【0061】
上記の手法で2分岐DNAを作る際に10塩基に一つCdSe/ZnS量子ドットを結合させることにすれば、CdSe/ZnS量子ドットの2分岐構造を作ることができる。
【0062】
更に、このCdSe/ZnS量子ドットの結合した2分岐DNAを7つ準備して、Zhang and Seeman((61)J.Am.Chem.Soc.,114,2656-2663,(1992)) に述べられている手法によってそれらを図13のように結合することで、3段の2分岐構造を作製することができる。
【0063】
この手法では、平面的な分岐構造だけが構成可能であるが、実際には2分岐以外の3分岐、4分岐の構造も構成可能であるため、それらを結合し、かつ前節で述べたらせん構造を適宜途中に導入することにより、3次元空間中の分岐構造も構成可能であることがわかる。これによりフラクタル構造も作製することができる。
【0064】
(5)多重巻きらせん構造
従来技術の項で述べたように、多重巻きらせん構造は、基本となる1次元鎖とらせん構造とに加えて、長周期の要素間結合を取ることで構成されている。そこで、上記(3)で構成したらせん構造を基本として、上記(4)の2分岐構造を長周期で導入して、その分岐間を1次元鎖状構造で結合すれば、2重巻きらせん構造を構成することができる。同様に、更に高次の長周期構造を導入することは可能で、一般の多重巻きらせん構造も構成することができる。
【0065】
(6)応用
ここでの技術を用いることで、半導体量子ドットを、空間的に構造を持った状態に配置した結合量子ドットを作製することができる。例えば、量子細線の周りにらせん構造を持った結合量子ドットを配置することで、新規な機能を持ったデバイスを実現することができることが知られている(上記文献(39))。
【0066】
また、結合量子ドットは量子計算((62)P.Benioff:"The Computer as a Physical System:A Microscopic Quantum Mechanical Hamiltonian Model of Computers as Represented by Turing Machines",J.Stat.Phys.,22,563-591,(1980) (63)R.Feynman:"Quantum Mechanical Computers",Opt.News,11,11-20,(1985) (64)D.Deutsch:"Quantum Theory,the Church-Turing Principle,and the Universal Quantum Computer",Proc.Roy.Soc.London,Ser.A400,97-117,(1985) (65)M.A.Nielsen and I.L.Chuang:"Quantum Computation and Quantum Information",(Cambridge University Press,Cambridge,UK,2000)) の実現が期待される系としても良く研究されている((66)A.Barenco,D.Deutsch,and A.Ekert:Phys.Rev.Lett.,74,4083,(1995) (67)D.Loss and D.P.DiVincenzo:"Quantum Computation with Quantum Dots",Phys.Rev.A57,120,(1998) (68)V.N.Golvach and D.Loss:"Electron Spins in Artificial Atoms and Molecules for Quantum Computing",Special Issue of Semiconductor Science and Technology,"Semiconductor Spintronics",ed.H.Ohno,(2002))。ここで述べた技術を用いることにより、1次元的な結合だけでなく高次の結合構造を持った結合量子ドットを構成することができるため、従来知られている量子アルゴリズム((69)D.Deutsch and R.Jozsa:"Rapid Solution of Problems by Quantum Computation",Proc.Roy.Soc.London,A439,553-558,(1992) (70)P.W.Shor:" Algorithms for Quantum Computation:Discrete Logarithms and Factoring",Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundation of Computer Science,124-134,(1994) (71)L.K.Grover:"A fast quantum mechanical algorithm for database search",Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on the Theory of Computing,212-219,(1996))だけでなく、結合の幾何学的な性質を活かした全く新しい量子アルゴリズムの実現が期待できる。
【0067】
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0068】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状などはあくまでも例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造、形状などを用いてもよい。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決め、あるいは、微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、これらの複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により1つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるので、豊富な物性を発現する機能材料を安価に大量に得ることができ、この機能材料を用いて高機能の各種の電子装置あるいは量子装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態において用いるCdSe/ZnS量子ドットの構成を示す略線図である。
【図2】この発明の第1の実施形態において用いるCdSe/ZnS量子ドットのエネルギーバンドを示す略線図である。
【図3】この発明の第1の実施形態において二つのCdSe/ZnS量子ドットが近接したときのトンネル効果を説明するための略線図である。
【図4】この発明の第1の実施形態においてα−ヘリックスの7アミノ酸残基ごとにCdSe/ZnS量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図5】この発明の第1の実施形態においてゼリーロール・バレルにらせん状にCdSe/ZnS量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図6】この発明の第1の実施形態においてゼリーロール・バレルにらせん状にCdSe/ZnS量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図7】この発明の第2の実施形態においてCdSe/ZnS量子ドットにDNA鎖が結合した様子を示す略線図である。
【図8】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図9】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図10】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図11】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図12】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図13】この発明の第2の実施形態においてDNA鎖にリンカーを用いてCdSe/ZnS量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【符号の説明】
1・・・ZnS、2・・・CdSe[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a functional material, a manufacturing method thereof, an electronic device, a manufacturing method thereof, a quantum device, and a manufacturing method thereof, and particularly to synthesis of a high-performance material by a novel technique and its application.
[0002]
[Prior art]
Silicon and magnetic crystalline materials are often used as materials for making electronic devices and storage media that support modern science and technology, and miniaturization and purification technologies can increase device speed and memory capacity. It has been planned. It has also become clear that the characteristic size of these devices and media has reached the order of nanometers (hereinafter simply referred to as “nano”), and problems that could not be considered from the bulk properties up to that point have arisen. It was. Therefore, in addition to the improvement of the prior art, the necessity of a material suitable for the nano-order has been recognized and the search has been vigorously performed. Under such circumstances, materials that are considered to have properties unique to the nano-order are being developed as real substances.
[0003]
Recently, a multiplexed hierarchical structure has been proposed by the present applicant as a material having a higher-order structure that is completely different from conventional crystal-based materials ((1) R. Ugajin, C. Ishimoto, S. Hirata, and Y .Mori: Int. J. Mod. Phys. B, 14, 1825, (2000) (2) R. Ugajin, A. Ishibashi, S. Hirata, C. Ishimoto, and Y. Mori: Phys. Lett. A, 275,467, (2000) (3) R.Ugajin, C.Ishimoto, Y.Kuroki, S.Hirata, and S.Watanabe: Physica A, 292,437, (2001) (4) R.Ugajin: "Anderson Transition in a Multiply -Twisted Helix ", J. Nanosci. Nanotech., 1,227-235, (2001)). Among them, this structure was shown to have completely different physical properties from conventional materials.
[0004]
A multiple spiral structure is defined as an example of a multiplexed hierarchical structure (the above document (1)). The q-fold multi-winding spiral structure is defined as a (q-1) -fold multi-winding spiral that is regarded as a single string and is used as a spiral. If q = 0 is a straight string and q = 1 is a normal helix with a period N, then q multiple-fold helix is NqWith a period of In this case, assuming that the first one-dimensional string is composed of an element and a connection between them, a multi-helix structure is defined by adding a connection between elements newly generated for multiplexing. . Here, join is one of the following conditions
| Q-p | = 1
| Q-p | = N
qp = N2And mod (p, N) = 0
qp = NThreeAnd mod (p, N2) = 1 (1)
qp = NFourAnd mod (p, NThree) = 2
:
:
Between elements p and q that satisfy However, mod (a, b) is the remainder when a is divided by b. That is, in addition to the connection between the nearest elements as seen from the one-dimensional chain, all elements are connected to elements separated by N by a single helix, and N elements for each N element.2The combination with the previous element is further N2N per elementThreeThe connection is determined such that the connection with the previous element is. However, N2The elements coupled with the above long period are different from the elements with different long periods. This structure can be controlled by changing the period N. And, due to the change in the structure, it is possible to greatly change the physical properties that depend on the dimensionality, which has been thought to be determined by the elements that make up the substance so far, the Mott transition (above document (1)) and This was confirmed by examining the ferromagnetic transition (the above document (2)) and the Anderson transition (the above documents (3) and (4)). In addition, generalized structures by adding elements between couplings have also been investigated ((5) R. Ugajin, Y. Watanabe, and Y. Mori: "Multiply-twisted helices of various inter-round couplings", Int J. Mod. Phys. B, 16, 1225-1239, (2002)).
[0005]
The importance of this structure is that physical properties such as magnetism and conductivity can be controlled by changing the structure without changing the substance itself. Therefore, realizing this multiplexed hierarchical structure is a very important issue. As an example so far, a realization method by multiplexing a quantum dot array or carbon nanocoils has been shown, but it is difficult to manufacture a large amount stably at present.
[0006]
In addition, as a material having a structure different from another type of crystal, fractal ((6) BB Mandelbrot: The Fractal Geometry of Nature, (Freeman, San Francisco, 1982) (7) A. Erzan, L. Pietronero, and A. Vespignani: Rev.Mod.Phys., 67,545, (1995)) and dendrimers ((8) S.Hecht and JMJFrechet: "Dendritic Encapsulationof Function: Applying Nature's Site Isolation Principle from Biomimeticsto Materials Science", Angew.Chem Int. Ed., 40, 74-91, (2001) (9) A. Rajca, J. Wongsriratanakul, S. Rajca, and R. Cerny: "A Dendritic Macrocyclic Organic Polyradical with a Very High Spin S = 10" , Angew.Chem.Int.Ed., 37,1229-1232, (1998) (10) D.-L.Jiang and T.Aida: "Morphology-Dependent Photochemical Events in Aryl Ether Dendrimer Porphyrins: Cooperation of Dndron Subunits forSinglet Energy Transition ", J. Am. Chem. Soc., 120, 10895-10901, (1998) (11) M. Enomoto and T. Aida:" Self-Assembly of a Copper-Ligating Dendrimer that Provides a New Non-Heme Metalloprotein Mimic: "Dendrimer Effects" of Stability of the Bis (μ-oxo) dic Opper (III) Core ", J. Am. Chem. Soc., 121, 874-875, (1999)) are also known. Furthermore, the applicant has also proposed a composite fractal structure created by changing the fractal dimension in the middle of growth, and it has been confirmed that new physical properties will emerge through research such as the Anderson transition, the ferromagnetic transition, and the Mott transition. ((12) R.Ugajin, S.Hirata, and Y.Kuroki: "Anderson transition driven by running fractal dimension in a fractal-shaped structure", Physica A, 278,312-326, (2000) (13) R .Ugajin: "Anderson transition in a fractal-based complexes", Physica A, 301,1-16, (2001) (14) R.Ugajin, S.Hirata, and Y.Mori: "Ferromagnetic and Mott transitions modulated byvarying fractal dimensions in fractal-shaped nanostructures ", Int. J. Mod. Phys. B, 15, 2025-2044, (2001)).
[0007]
Biological substances such as DNA (deoxyribonucleic acid), proteins, and nerve cells are known as substances characterized by having a structure different from such crystals. With regard to DNA, research has been conducted on attempts to create complex structures using its selective binding properties, and measurement of electrical properties considering application to molecular wiring in molecular devices ((15) C. Dekker). and MARatner: "Electric properties of DNA", Physics World, 14, (2001) (translated by Kenjiro Miyano: "Does DNA conduct electricity ?, Parity, 17, 4-11 (2002-3)). It has been reported that entangled circles and knots, 1- and 2-dimensional periodic structures, 3-dimensional cubes and the like can be produced by bonding complementary partial sequences in single-stranded DNA (( 16) E. Winfree, F. Liu, LA Wenzler, and NCSeeman: "Design and self-assembly of two dimensional DNA crystal", Nature, 394, 539-544, (1998)). It has been confirmed that charge transfer can be carried out at a distance up to 1. A hole (hole) in DNA is AT (adhesive). N-thymine) is more energetically stable on the GC (guanine-cytosine) base pair than on the G-C pair, so that the AT pair is an energy barrier relative to the GC pair. It is understood that when the distance between the -C pair is short, it is a coherent charge transfer due to the tunnel effect, and when the distance is long, it is a hopping conduction by thermal excitation. Although conduction has not yet been settled, it is thought that it is not a good conductor, so even if a structure such as a multiplexed hierarchical structure can be created by DNA, new physical properties obtained by calculation are expressed. In addition, it is known that when DNA is modified with a gold atom, it is a good conductor, but the structure is also a complex combination of many single-stranded DNAs. That must be created by a process, be made stable is considered difficult.
[0008]
Proteins are known to express their functions by taking a variety of three-dimensional structures such as secondary structures such as α-helix and β-sheet and tertiary structures that are spatial arrangements of them. The relationship with physical properties is also energetically studied. The skeleton responsible for the three-dimensional structure of the protein is composed of a peptide bond main chain formed by dehydration polymerization of an amino group and a carboxyl group. Regarding electrical conduction, oligomers of proline ((17) SSIsied, MYOgawa, and JFWishart: "Peptide-Madiated Intramolecular Electron Transfer: Long-Range Distance Dependence", Chem. Rev., 92, 381-394, (1992)) And α-helix ((18) HBGray and JRWinkler: "Electron tunneling in structurally engineered protein", J. Electroanal. Chem., 438, 43-47, (1997)), the existence of conduction by tunneling is known. Yes. However, it is thought that it is not a good conductor for long-distance conduction across the entire protein molecule. Even if attention is paid to the side chain of each amino acid constituting a protein, some of them have electric charges and polarities, but those constituting a network as a whole and showing conductivity and magnetism are not known. In addition, there has been no report of a protein exhibiting new physical properties related to conductivity and magnetism, which has been characteristic of a multiplexed hierarchical structure.
[0009]
Recently, however, a new method for designing proteins incorporating arbitrary amino acids at arbitrary positions has been developed ((19) I. Hirono, T. Ohtsuki, T. Fujiwara, T. Matsui, T. Yokogawa, T .Okuni, H.Nakayama, K.Takio, T.Yabuki, T.Kigawa, K.Kodama, T.Yokogawa, K.Nishikawa, and S.Yokoyama: "An unnatural base pair for coupled transcription-translation in a cel- free system ", Nature Biotechnol., 20, 177-182, (2002)). Various methods can be used to insert an amino acid having a target side chain at an arbitrary position in a protein, but they constitute a genetic information transcription-translation system capable of generating a target amino acid sequence. Achieved that. The newest point of this method is that it can handle any amino acid including unnatural amino acids and write it as genetic information. Therefore, it becomes possible to stably synthesize a large amount of an artificial protein containing the target unnatural amino acid at an arbitrary position.
[0010]
Two key technologies have been developed to do this. One is the introduction of new base pairs necessary to form codons that specify amino acids, including unnatural amino acids. These base pairs x and y need to be paired with a high probability, but they almost do not form a pair with other natural base pairs A, T (U) (U is uracil), G, and C. Is needed. Therefore, they introduced 2-amino-6- (N, N-dimethylamino) purine as x and prydin-2-one as y ((20) M.Ishikawa.I.Hirano, and S.Yokoyama: "Synthesis of 3- (2-deoxy- β-D-ribofuranosyl) pyridin-2-one and 2-amino-6- (N, N-dimethylamino) -9- (2-deoxy- β-D-ribofuranosyl) purinederivatives for an unnatural base pair ", Tetrahedron Lett. 41, 3931-3934, (2000)), when x is actually embedded in DNA and transcription is performed, RNA (ribonucleic acid) selectively produces y at a position complementary to x. (21) T. Ohtsuki, M. Kimoto, M. Ishikawa, T. Matsui, and S. Yokoyama: "Unnatural base pairs for specific transcription", Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98,4922-4925, (2001)). It is understood that the property that does not pair with a natural base is caused by steric hindrance by 6-dimethylamino contained in x. Therefore, 6- (2-Thienyl) purine (called s), which is a structure that causes steric hindrance more reliably, was introduced in place of x, and it has been confirmed that it actually forms a pair with high precision ((22 ) T.Fujiwara, M.Kimoto, H.Sugiyama, I.Hirano, and S.Yokoyama: "Synthesis of 6- (2-Thienyl) purine Nucleoside Derivatives That Form Unnatural Base Pair with Pyridin-2-one Nucleosides", Bioorg Med. Chem. Lett., 11, 2221-2223, (2001)). In addition, in order to confirm whether the DNA introduced with this new base is correctly used as a template for protein synthesis, first, it binds to 3-chlorotyrosine, which is a non-natural amino acid, to produce tRNA (transfer RNA) having CUx as an anticodon. Subsequently, a new yAG codon introduced into the 32nd codon of the Ras gene is prepared, and an in vitro transcription-translation system containing them is constructed, and 3-chlorotyrosine is actually selectively incorporated. (Reference (19) above).
[0011]
The second is a technique for producing a tRNA capable of selectively recognizing a target non-natural amino acid and a codon including x (s) and y. To show this, among the mutants of Escherichia coli arginyl-tRNA synthetase derived from Escherichia coli, the tRNA that selectively suppresses 3-iodinetyrosine, which is a non-natural amino acid, is more selective than the natural amino acid, tyrosine. ((23) D.Kiga, K.Sakamoto, S.Sato, I.Hirano, and S.Yokoyama: "Shifted positioning of the anticodon nucleotide residues of amber suppressor tRNA species by Escherichiacoli arginyl-tRNA synthetase ", Eur.J.Biochem., 268,6207-6213, (2001)), it was confirmed that 3-iodinetyrosine can be introduced at any position in the in vitro protein synthesis system. . Furthermore, it has succeeded in selectively incorporating non-natural amino acids into cultured cells (the above-mentioned document (23)).
[0012]
On the other hand, it is known that metal nanoparticles such as gold and silver and semiconductor quantum dots can be bound to biomolecules such as DNA and proteins by using an appropriate linker ((24) Christof M. Niemeyer: “Nanoparticles, Proteins, and Nucleic Acids: Biotechnology Meets Materials Science”, Angew. Chem. Ed., 40, 4128-4158, (2001)). In particular, even for DNA strands only, gold nanoparticle binding ((25) W.-L. Shaiu, DL Darson, J. Vesenka, and E. Henderson: Nucleic Acids Res., 21, 99-103, (1993 (26) CAMirkin, RLLestinger, RCMucic, and JJStorhoff: Nature (London), 382, 607-609, (1996) (27) A. Bardea, A. Dagan, I. Ben-Dov, B. Amit, and I. Willner: Chem. Commun., 839-840, (1998) (28) F. Patolsky, KTRanjit, A. Lichtenstein, and I. Willner: Chem. Commun., 1025-1026, (2000) (29 ) RLLestinger, R. Elghanian, G. Viswanadham, and CAMirkin: "Use of a Steroid Cyclic Disulfide Anchor in Constructing Gold Nanoparticle-Oligonucleotide Conjugates", Bioconjugate Chem., 11, 289-291, (2000)), ((30) R.Mahtab, JPRogers, and CJMurphy: J.Am.Chem.Soc., 117,9099-9100, (1995) (31) GPMitchell, CAMirkin, and RLLestinger: "Programmed Assembly of DNA Functionalized Quantum Dots ", J. Am. Chem. Soc., 121, 8122-8123, (1999)). In the case of binding metal, the purpose is to create an array of nanoparticles by considering a single DNA strand as a template and inserting nanoparticles bound to a short complementary strand corresponding to the place to be placed (( 32) X. Yang, LA Wenzler, J. Qi, X. Li, and NCSeeman: J. Am. Chem. Soc., 120, 9779-9786, (1998) and the above literature (16)), their conduction characteristics ((33) E. Braun, Y. Eichen, U. Sivan, and G. Ben-Yoseph: "DNA-templated assembly and electrode attachment of a conducting silver wire", Nature (London), 391, 775) -778, (1998) (34) S.-J.Park, AALazarides, CAMirkin, PWBrazis, CRKannewulf, and RLLestinger: "The Electrical Properties of Gold Nanoparticle Assemblies Linked by DNA", Angew.Chem.Int Ed., 39, 3845-3848, (2000)). Quantum dot binding is mainly intended to be used as a biomolecule marker in vivo ((35) WCWChan and S. Nie: "Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive Nonisotopic Detection", Science, 281, 2016 -2018, (1998) (36) M. Bruchez Jr., M. Moronne, P. Gin, S. Weiss, and APAlivisatos: "Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels", Science, 281, 2013-2016, (1998 ) (37) H. Mattoussi, JMMauro, G. Goldman, GPAnderson, VC Sundar, FVMikulec, and MGBawendi: "Self-Assembly of CdSe-ZnS Quantum Dot Bioconjugates Using an Engineered Recombinant Protein", J. Am. Chem. Soc. 122, 12142-12150, (2000) (38) Barbera-Guillem: "Functionalized nanocrystals as visual tissue-specific imaging agents, and methods for fluorescence imaging", US Patent 6,333,110 (December 25, 2001) (39) Bawendi , et al .: "Biological applications of quantum dots", US Patent 6,326,144 (December 4, 2001) (40) Barbera-Guillem: "Fluorescence filter cube for fluorescence detection and imaging", US Patent 6,25 2,664 (June 26, 2001) (41) Siiman, et al.,: "Semiconductor nanoparticles for analysis of blood cell populations and methods of making same", US Patent 6,235,540 (May 27, 2001)), improving the hydrophilicity of quantum dots And fluorescence intensity are also important technologies ((42) Bawendi, et al .: “Highly luminescent color-selective nano-crystalline materials”, US Patent 6,322,901 (November 20, 2001) (43) Bawendi, et al. .: "Water-soluble fluorescent semiconductor nanocrystals", US Patent 6,319,426 (November20,2001) (44) Weise, et al.:"Semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes ", US Patent 6,207,392 (March27 (2001) (45) Castro, et al .: "Functionalized nanocrystals and their use in detection systems", US Patent 6,114,038 (September 5, 2000)).
[0013]
It is known that DNA strands usually have a double helix structure by binding two DNA strands having complementary base sequences. Recently, however, methods have been found to create intertwined rings and knots, 1- and 2-dimensional periodic structures, 3-dimensional cubes, etc. by joining complementary subsequences to multiple DNA strands. ((46) Nadrian C. Seeman: “Nucleic Acid Nanostructures and Topology”, Angew. Chem. Int. Ed., 37, 3220-3238, (1998) (47) THLaBean, H. Yan, J. Kopatsch, F .Liu, E. Winfree, JHReif, and NCSeeman: "Construction, Analysis, Litigation, and Self-Assembly of DNA Triple Crossover Complexes", J. Am. Chem. Soc., 122, 1848-1860, (2000) ). These technologies are molecular devices that switch between DNA strands with different shapes and topologies by chemical procedures ((48) PJKuekes, RSWilliams, and JRHeath: "Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications ", US Patent 6,314,019, (November6,2001) (49) PJKuekes, RSWilliams, and JRHeath:" Molecular Wire Crossbar Interconnect Memory ", US Patent 6,128,214, (October3, 2000)) and DNA strands DNA computations that perform calculations based on the bond between each other ((50) LMAdleman: "Molecular computation of solutions to combinatorial problems", Science, 226, 1012-1024, (1994) (51) RJLipton: "Using DNA to solve NP- complete problems ", Science, 268,542-545, (1995)) ((52) C.Mao, THLaBean, JHReif, and NCSeeman:" Logical computation usingalgorithmic self-assembly of DNA triple-crossover molecules ", Nature (London), 407,493-496, (2000) (53) H.Yan, X.Zhang, Z.Shen, and NCSeeman:" A robust DNA mechanical device controlled by hybridizat ion topology ", Nature (London), 415, 62-65, (2002)).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art in realizing a novel structure such as a multiplexed hierarchical structure.
That is, the problem to be solved by the present invention is to provide a functional material capable of obtaining a large amount of functional materials exhibiting abundant physical properties at a low cost and a method for producing the same.
Another problem to be solved by the present invention is to provide an electronic device using the functional material described above, a manufacturing method thereof, a quantum device, and a manufacturing method thereof.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor believes that it is most effective to use a molecular biological method in order to realize a novel structure such as a multiplexed hierarchical structure or a fractal structure previously proposed by the present applicant in large quantities at low cost. Various ideas were considered. As a result, a method for realizing a peptide-binding chain incorporating an unnatural amino acid using an expanded genetic information transcription-translation system including unnatural base pairs, or a plurality of partially complementary chains. The method realized by the structure which combined the polynucleotide chain of was considered. More specifically, for the former, unnatural amino acids having side chains according to the purpose are placed in an appropriate three-dimensional structure using a method of biosynthesis of unnatural proteins, and physical properties are expressed in the side chains. For example, by combining nanostructures such as semiconductor quantum dots as necessary elements, it is possible to stably realize a large amount of materials having a novel structure such as a multiplexed hierarchical structure or a fractal structure. It is done. As for the latter, a nanostructure for expressing physical properties is bound to an appropriate place on the basis of an assembly of a plurality of DNA strands whose partial strands are complementary strands.
[0016]
Up to now, there is a method of using “self-organization” as a technique for giving a structure in some sense, but it can be said that the above method goes beyond this self-organization technique. That is, in self-organization, materials that can have a complicated structure are determined, and it is currently impossible to freely arrange materials of interest (such as nanoparticles) as physical properties. On the other hand, here, the target nanoparticles and the like can be structured by the force of biomolecules, which are typically self-organized and self-structured materials.
The present invention has been devised based on the above examination by the present inventors.
[0017]
That is, in order to solve the above problem, the first invention of the present invention is:
Including a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence in which amino acids having side chains to which a microstructure is selectively bonded are incorporated at predetermined positions;
The spatial structure of one or more microstructures is determined by the three-dimensional structure of the peptide bond chain
It is a functional material characterized by this.
[0018]
The second invention of this invention is:
Incorporating an amino acid having a side chain to which a microstructure is selectively bonded at a predetermined position of a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence,
The arrangement of one or more microstructures in the space is determined by allowing the peptide bond chain to take a predetermined three-dimensional structure.
This is a method for producing a functional material.
[0019]
The third invention of the present invention is:
Comprising a plurality of polynucleotide strands comprising a polynucleotide strand associated with a microstructure;
In the space of one or a plurality of microstructures by a three-dimensional structure taken by a pair of polynucleotide strands including a polynucleotide strand bound to at least a microstructure in a plurality of polynucleotide strands joined by complementary base pairs Placement is decided
It is a functional material characterized by this.
[0020]
The fourth invention of the present invention is:
Preparing a plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain bound to a microstructure;
In a plurality of polynucleotide chains, a pair of polynucleotide chains including at least a polynucleotide chain bound to a microstructure are joined by complementary base pairs to obtain a predetermined three-dimensional structure, and one or a plurality of microstructures Decided the arrangement in the body space
This is a method for producing a functional material.
[0021]
The fifth invention of the present invention is:
Arrangement in space of one or a plurality of microstructures, including a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence in which amino acids having side chains to which the microstructures are selectively bonded are incorporated at predetermined positions, depending on the three-dimensional structure taken by the peptide bond chains Using functional materials for which
This is an electronic device.
[0022]
The sixth invention of the present invention is:
Incorporating an amino acid having a side chain to which a microstructure is selectively bonded at a predetermined position of a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence,
A step of producing a functional material by determining the arrangement of one or a plurality of microstructures in a space by causing a peptide bond chain to take a predetermined three-dimensional structure;
This is a method for manufacturing an electronic device.
[0023]
The seventh invention of the present invention is:
Comprising a plurality of polynucleotide strands comprising a polynucleotide strand associated with a microstructure;
In the space of one or a plurality of microstructures by a three-dimensional structure taken by a pair of polynucleotide strands including a polynucleotide strand bound to at least a microstructure in a plurality of polynucleotide strands joined by complementary base pairs Using functional materials whose arrangement is determined
This is an electronic device.
[0024]
The eighth invention of the present invention is:
Preparing a plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain bound to a microstructure;
In a plurality of polynucleotide chains, a pair of polynucleotide chains including at least a polynucleotide chain bound to a microstructure are joined by complementary base pairs to obtain a predetermined three-dimensional structure, and one or a plurality of microstructures It has a process of manufacturing functional materials by determining the arrangement in the body space
This is a method for manufacturing an electronic device.
[0025]
The ninth aspect of the present invention is:
Arrangement in space of one or a plurality of microstructures, including a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence in which amino acids having side chains to which the microstructures are selectively bonded are incorporated at predetermined positions, depending on the three-dimensional structure taken by the peptide bond chains Using functional materials for which
It is a quantum device characterized by this.
[0026]
The tenth aspect of the present invention is:
Incorporating an amino acid having a side chain to which a microstructure is selectively bonded at a predetermined position of a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence,
A step of producing a functional material by determining the arrangement of one or a plurality of microstructures in a space by causing a peptide bond chain to take a predetermined three-dimensional structure;
This is a method of manufacturing a quantum device.
[0027]
The eleventh aspect of the present invention is:
Comprising a plurality of polynucleotide strands comprising a polynucleotide strand associated with a microstructure;
In the space of one or a plurality of microstructures by a three-dimensional structure taken by a pair of polynucleotide strands including a polynucleotide strand bound to at least a microstructure in a plurality of polynucleotide strands joined by complementary base pairs Using functional materials whose arrangement is determined
It is a quantum device characterized by this.
[0028]
The twelfth aspect of the present invention is
Preparing a plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain bound to a microstructure;
In a plurality of polynucleotide chains, a pair of polynucleotide chains including at least a polynucleotide chain bound to a microstructure are joined by complementary base pairs to obtain a predetermined three-dimensional structure, and one or a plurality of microstructures It has a process of manufacturing functional materials by determining the arrangement in the body space
This is a method of manufacturing a quantum device.
[0029]
In this invention, the functional material typically has a plurality of microstructures, and at least two of these microstructures are bonded to each other, or the plurality of microstructures are bonded to each other. . Here, the term “bond” includes both a case where the microstructure is in direct contact and a case where the microstructure is not in direct contact but is bonded by the quantum mechanical tunnel effect. The plurality of microstructures can take various arrangements, and specifically are arranged to take a one-dimensional chain shape, a spiral shape, a branched structure, a fractal structure, a multiplexed hierarchical structure, and the like. In addition, as the amino acid having a side chain to which the microstructure is selectively bound, an unnatural amino acid, in other words, an artificial amino acid is used. The microstructure is generally a nanostructure, specifically, a quantum dot, particularly a semiconductor quantum dot. For example, the microstructure is a semiconductor quantum dot made of CdSe covered with ZnS. An example of a side chain to which a microstructure is selectively bonded is mercaptoacetic acid. This side chain is particularly suitably used for bonding semiconductor quantum dots made of CdSe covered with ZnS.
[0030]
The functional material is most simply composed of a peptide bond chain or a polynucleotide chain, but if necessary, other materials may be combined in the required mixing ratio and distribution depending on the function to be provided. Good. Examples of electronic devices include magnetic elements using ferromagnetism and switching elements using metal-insulator transition. An example of a quantum device is a quantum computing device. Note that a quantum device may be viewed as an electronic device.
[0031]
According to the present invention configured as described above, a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence in which an amino acid having a side chain to which a microstructure is selectively bound is incorporated at a predetermined position, or a polynucleotide chain bound to the microstructure. A plurality of polynucleotide chains containing can be produced in large quantities at low cost by a biosynthetic technique.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
First embodiment
In the first embodiment, at least a peptide bond chain consisting of an amino acid sequence in which amino acids having side chains to which a microstructure is selectively bonded is incorporated at a predetermined position is included. Alternatively, a functional material whose arrangement in a space of a plurality of microstructures is determined will be described.
[0033]
(1) Amino acids that bind to quantum dots
Here, quantum dots (semiconductor nanocrystals) are taken as microstructures constituting the three-dimensional structure. Specifically, as shown in FIG. 1, a quantum dot composed of CdSe2 covered with ZnS1, that is, a CdSe / ZnS quantum dot is considered. Since the energy gap of the semiconductor CdSe2 is about 1.7 eV and the energy gap of the semiconductor ZnS1 is about 3.8 eV, the potential structure of this CdSe / ZnS quantum dot is a well-type potential having an energy difference of about 1.1 eV. (FIG. 2). It can also be seen that when two CdSe / ZnS quantum dots are sufficiently close to each other, as shown in FIG. 3, electrons doped by the tunnel effect can be conducted. The degree to which CdSe / ZnS quantum dots bonded to amino acids are close to each other depends on the size of the CdSe / ZnS quantum dots and the relationship of the configuration of amino acids to which the CdSe / ZnS quantum dots bind. Since the CdSe / ZnS quantum dots can be produced in a desired size from about 1 nm to several tens of nm, it is necessary to take a size necessary for several kinds of designs described later. it can. Several methods for binding CdSe / ZnS quantum dots to biomolecules are known (the above references (36) (37) (42) (43)). In addition, application as a marker for examining the function of biomolecules in vivo has been reported (the above-mentioned documents (38) (39) (40) (41) (44) (45)). Here, among them, mercaptoacetic acid-S-CH2Bonding by —CO—NH— (the above document (35)) is performed. In this case, S of mercaptoacetic acid is bonded to ZnS1 on the outer periphery of the CdSe / ZnS quantum dot, and NH is bonded to an amino acid. Therefore, here, HS-CH is used as the side chain.2An unnatural amino acid (referred to herein as Lnk) with —CO—NH— is prepared and an artificial protein is synthesized that is incorporated at the appropriate place in the amino acid sequence. Then, after the artificial protein is synthesized and has a three-dimensional structure, CdSe / ZnS quantum dots are bound to the protein by chemical means (the above-mentioned document (35)). At that time, the CdSe / ZnS quantum dots are surrounded by -S-CH as shown in FIG.2Since it is covered with COOH, which becomes an obstacle to bonding the CdSe / ZnS quantum dots, the outer periphery of the CdSe / ZnS quantum dots is covered with -S-CH2The part of COOH other than the bond with amino acid is chemically removed. By doing so, a coupled quantum dot having a desired three-dimensional structure can be constructed.
[0034]
(2) Amino acid recognition
When a new unnatural amino acid is introduced into a protein, it is necessary for the tRNA to selectively recognize the amino acid and have an anticodon corresponding to the codon specifying that amino acid. In particular, the corresponding aminoacyl-tRNA synthetase (aaRS) is required for tRNA to be correctly associated with the target amino acid. That is, it is understood that a new aaRS needs to be produced in order to introduce an unnatural amino acid.
[0035]
Since it has already been demonstrated that such operations are possible in principle (reference (23) above), it is also designed for non-natural amino acids with side chains that consider conductivity and magnetism. It can be considered possible.
[0036]
Therefore, here, the non-natural base pair s, y introduced by Yokoyama et al. In order to produce DNA and RNA encoding Lnk (the above-mentioned document (22)) is introduced. Then, yAG (A and G are natural base pairs adenine and guanine) is used as a codon encoding Lnk, and CUs is used as an anticodon of tRNA that recognizes it. It has been demonstrated that these can be incorporated at any position (the above-mentioned document (19)).
[0037]
(3) One-dimensional chain structure
First, a quantum dot having a basic one-dimensional chain coupling structure for constructing a structure is specifically manufactured. This system is simple but has theoretically interesting results ((54) R. Ugajin: “Hubbard gap tunneling in quantum dot chain: an investigation using absorption spectra”, Phys. Rev. Lett. 80, 572-575. (1998) (55) R. Ugajin: “Hubbard-gap tunneling in disordered quantum-dot chains”, Phys. Rev. B59, 4952-4960, (1999)). Here, influenza virus hemagglutinin is taken up as a representative protein having a long α-helix, and a part of its amino acid sequence is changed to Lnk, which is an unnatural amino acid. Hereinafter, the abbreviations in Table 1 are used for proteins.
[0038]
Figure 0004433658
[0039]
The three-dimensional structure of this protein has been determined by X-ray structural analysis by Bullough et al. ((56) PABullough, FMHughson, JJSkehel, and DCWiley: "Structure of influenza haemagglutinin at the Ph of membrane fusion", Nature (London), 371, 37-43, (1994)), and the information is registered in Protein Data Bank (PDB, http://www.rcsb.org/pdb/) (Registration ID: 1HTM). This protein contains three long (about 10 nm) α-helices. Here, a single α-helix composed of 64 residues from the 41st residue Thr to the 104th residue Asn is taken up, and a part of the amino acids is considered to be changed to Lnk.
[0040]
The α-helix is composed of 3.6 residues per turn, and the pitch is 0.54 nm. Therefore, when the amino acid is changed to Lnk every 7 residues and a CdSe / ZnS quantum dot having a diameter of about 1 nm is bonded to the side chain, the CdSe / ZnS quantum dot is close to each other as shown in FIG. It can be seen that the structure is arranged in a line. In this case, nine residues can be changed, specifically (42: Gln), (49: Asn), (56: Ile), (63: Phe), (70: Phe), All amino acid residues (77: Ile), (84: Val), (91: Leu), and (98: Leu) are changed to Lnk. The α-helix is a relatively stable structure, and it can be expected to maintain the structure with a small number of residue changes.
[0041]
Based on this design, a combined quantum dot having a one-dimensional chain structure can be constructed by using the biosynthesis by transcription-translation and the method of combining side chains and quantum dots.
[0042]
(4) Spiral structure
Next, a coupled quantum dot with a helical structure is constructed. Take the Hc fragment of lactose-binding tetanus toxin as the underlying protein. The ID of the PDB is 1DLL. The conformation of this protein was determined by Emsley et al. ((57) P. Emsley, C. Fotinou, I. Black, NFFairweather, IGCharles, C. Watts, E. Wewitt, and NWIsaacs: "The structures of the H (C) fragment of tetanus toxin with carbohydrate subunit complexes provide insight into canglioside binding ", J. Biol. Chem. 275, 8889, (2000)). This protein takes a jellyroll barrel, one of the typical secondary structure motifs. This is shown in the boxed area in FIG. This is a structure in which 17 stable secondary structure β-strands are gathered to form a barrel, which is considered relatively stable with respect to the replacement of a small number of amino acids. This secondary structure motif is comprised from the 885th residue to the 1092nd residue. The number of β-strands of interest is 15, and the numbers given to the secondary structures in the order in which they appear in the direction from the N-terminal to the C-terminal of the amino acid sequence are 4 (885-888), 5 (889-892), 7 (895, respectively. -898), 9 (905-908), 15 (933-936), 21 (950-957), 25 (973-978), 27 (990-996), 29 (999-1005), 31 (1011- 1017), 33 (1032-1038), 35 (1043-1048), 37 (1051-1057), 39 (1069-1075), 41 (1084-1092) (the numbers in parentheses are the residues constituting the strand) It is.
[0043]
As shown in FIG. 5, in order to arrange quantum dots in a spiral shape, starting from 4 β-strands, 4 → 41 → 21 → 33 → 35 → 37 → 31 → 29 → 27 → 25 → 39 → 15 → 9 → 7 → 5 →41213335373129272539Consider building a helical structure such that the underline represents the strand that passes through the second turn of the helix. Therefore, in each strand, 4 (886: Ile), 41 (1085: Ser, 1091: Ile), 21 (951: Thr, 955: Trp), 33 (1033: Phe, 1037: Thr), 35 (1044: Ala) , 1048: Ile), 37 (1052: Leu, 1056: Ala), 31 (1012: Arg, 1016: Phe), 29 (1000: Leu, 1004: Leu), 27 (991: Trp, 995: Leu), 25 (974: Tyr, 978: Ser), 39 (1070: Ile, 1074: Leu), 15 (934: Ile), 9 (906: Val), 7 (896: Ile), 5 (890: Asp), An amino acid sequence in which each residue is changed to Lnk is designed.
[0044]
From this design, a coupled quantum dot system having a helical structure can be produced by biosynthesis and coupling of quantum dots in the same manner as described above. By using this method to place coupled quantum dots with a helical structure around quantum wires, a device with a new function ((58) R.Ugajin: "Charge transfer device", US Patent 5,828,090 (October27 , 1998)) can also be realized.
[0045]
(5) Branch structure
Next, a branch structure is constructed. As the original protein, a DD-peptidase enzyme acting on penicillin is taken. This conformation is described by Kelly et al. ((59) JAKelly, JRKnox, H. Zhao, JMFrere, and JMGhuysen: "The refined crystallographic structure of a DD-peptidase penicillin-target enzyme at 1.6Å resolution", J. Mol. Biol., 254, 223, (1995)) (PDB ID: 3PTE). The numbers assigned to the secondary structure in the same manner as described above, β (54 (317-323), 4 (25-32), 6 (35-42) (numbers of residues constituting the strands in parentheses) -Consider a strand and design a structure with one branch at 54-4 and two branches at 4-6 (FIG. 6).
[0046]
Specifically, in each strand, each residue of 54 (320: Thr), 4 (26: Ala, 30: Val), 6 (35: Thr, 37: His, 39: Leu, 41: Glu) Each amino acid sequence changed to Lnk is designed.
Thus, a coupled quantum dot having a branched structure can be produced by the same procedure as described above.
[0047]
(6) Higher order structure
A typical higher-order structure, such as a multiplexed hierarchical structure or fractal structure, can be configured by combining the three basic structures up to the previous section, a spiral structure, a branched structure, and a one-dimensional chain structure. Then, it can be seen that in the multi-winding spiral structure, it is only necessary to add a branch to both elements to be coupled as distant bonds based on the spiral structure and to couple them in a one-dimensional chain. A fractal structure can also be realized by combining a branch and a one-dimensional chain in a self-similar manner. Therefore, it can be seen that these higher-order structures can also be produced by the technique here.
[0048]
Second embodiment
The second embodiment includes a plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain bound to a microstructure, and at least a pair of the plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain bound to the microstructure. A functional material in which the arrangement of one or a plurality of microstructures in the space is determined by the three-dimensional structure taken by binding the polynucleotide strands by complementary base pairs will be described.
[0049]
(1) Bonding of DNA chain and quantum dot
Here, it is considered that CdSe / ZnS quantum dots are bonded to the DNA strand 4 as shown in FIG. The details of the CdSe / ZnS quantum dots are as described in the first embodiment. In this case, -S- (CH as a linker2)6By using-, CdSe / ZnS quantum dots can be bound to the ends of DNA strands (the above-mentioned document (31)).
[0050]
In order to bond a CdSe / ZnS quantum dot to an arbitrary position of the DNA strand 4, it is utilized that the DNA strand 4 is paired with a DNA strand having a complementary base sequence. One long DNA strand is prepared, and a short DNA strand having a complementary base sequence at the target position is brought. Then, as shown in FIG. 8, a procedure may be used in which CdSe / ZnS quantum dots are bonded to the ends of the short DNA strands using the linker described above and bonded to the long DNA strands. It can also be seen that by changing the length and number of the short DNA strands, any number of CdSe / ZnS quantum dots can be placed at any position in the base sequence of the long DNA strand.
[0051]
(2) One-dimensional chain structure
First, a quantum dot having a basic one-dimensional chain coupling structure for constructing a structure is specifically manufactured. As already mentioned, this system is simple, but theoretically interesting results have been obtained (the above documents (54) (55)).
[0052]
Consider a double helix consisting of two normal complementary DNA strands. It is known that DNA molecules have a structure called B-type mainly in cells ((60) T.A.Brown: "Genomes" (BIOS Scientific Publishers, Oxford, 1999)). In this structure, the diameter of the helix is 2.37 nm, which is one pitch (3.4 nm) with 10 base pairs. The typical size of the CdSe / ZnS quantum dots used here is 1 nm to several tens of nm. Therefore, a long DNA strand having a length of 100 bases is taken, and a short DNA strand having a length of 10 bases and 10 CdSe / ZnS quantum dots bonded to the 5′-end thereof are taken. As shown in FIG. 9, it is assumed here that each short DNA strand has an appropriate base sequence, and can be arranged in a bond with a base pair in a complementary manner to the long DNA strand.
[0053]
It can be seen that the double chain thus formed has a 10-cycle helical structure, and the CdSe / ZnS quantum dots bonded as described above have a one-dimensional chain structure as shown in FIG. At this time, since the distance between the centers of CdSe / ZnS quantum dots is about 3.4 nm, it can be seen that the CdSe / ZnS quantum dots can be combined within a typical size range.
[0054]
(3) Spiral structure
Next, consider placing CdSe / ZnS quantum dots in a helical structure. Therefore, under the same conditions as in (2) above, a long DNA strand having a length of 110 bases was taken, and a short DNA strand having a length of 11 bases was bound with a CdSe / ZnS quantum dot at its 5'-end. I will take 10 of them.
[0055]
When the double chain thus formed has a 11-cycle helical structure, it can be seen that the CdSe / ZnS quantum dots bonded as described above have a 1-cycle helical structure as shown in FIG. At this time, the distance between the centers of the CdSe / ZnS quantum dots is about 4.03 nm, and in this case, the CdSe / ZnS quantum dots can be combined within a typical size range of CdSe / ZnS quantum dots.
[0056]
It can also be seen that if CdSe / ZnS quantum dots are bonded to each DNA strand of one base length, the distance between the centers of the quantum dots is about 1.53 nm.
[0057]
Furthermore, a helical structure can be designed in the same manner for the type A which is a three-dimensional structure of different DNA molecules (helical diameter 2.55 nm, pitch is 11 base pairs and 3.2 nm).
[0058]
(4) Branch structure
Next, a branch structure is constructed. Here, a branched structure is formed by connecting CdSe / ZnS quantum dots bonded to the tips of two-branched DNA molecules and connecting them together.
[0059]
First, as shown in FIG. 12, a DNA molecule having two branches is designed. In addition to the two DNA strands necessary for constructing a normal double helix, another DNA strand is prepared. These DNA strands are named A, B, and C. In addition, each DNA strand is divided into two parts, each of which is A (B, C)1, A (B, C)2It shall be expressed as It can be seen that the following conditions must be satisfied in order for these three DNA strands to bond partially complementary strands to form one structure successfully.
[0060]
A1= B2bar
B1= C2Bar (2)
C1= A2bar
Here, X bar represents a complementary strand of the partial chain X. Specifically, it is assumed that a double helix having a length of 10 base pairs each appears from the branched portion. If a CdSe / ZnS quantum dot is bonded to the tip, the distance between the centers of the quantum dots is about 5.88 nm, which is a designable size. Further, in practice, in order to selectively bind DNA strands, a certain partial strand is designed so as not to have a complementary strand relationship other than the target partial strand.
[0061]
If one CdSe / ZnS quantum dot is bonded to 10 bases when bibranched DNA is produced by the above-described method, a bifurcated structure of CdSe / ZnS quantum dots can be produced.
[0062]
In addition, seven bifurcated DNAs having CdSe / ZnS quantum dots bound thereto were prepared and described in Zhang and Seeman ((61) J. Am. Chem. Soc., 114, 2656-2663, (1992)). By combining them as shown in FIG. 13, a three-stage bifurcated structure can be produced.
[0063]
In this method, only a planar branch structure can be constructed. However, since a three-branch and four-branch structure other than two branches can actually be constructed, they are combined and the spiral structure described in the previous section. It can be seen that a branching structure in a three-dimensional space can also be configured by appropriately introducing a halfway. Thereby, a fractal structure can also be produced.
[0064]
(5) Multiple winding spiral structure
As described in the section of the prior art, the multi-winding spiral structure is configured by taking long-period inter-element coupling in addition to the basic one-dimensional chain and the spiral structure. Therefore, if the bifurcated structure of (4) above is introduced with a long period and the branches are connected by a one-dimensional chain structure based on the helical structure configured in (3) above, a double-wound helical structure Can be configured. Similarly, a higher-order long-period structure can be introduced, and a general multi-winding spiral structure can also be configured.
[0065]
(6) Application
By using this technique, a coupled quantum dot in which semiconductor quantum dots are arranged in a spatially structured state can be produced. For example, it is known that a device having a novel function can be realized by arranging coupled quantum dots having a helical structure around a quantum wire (the above-mentioned document (39)).
[0066]
Also, coupled quantum dots can be calculated by quantum computation ((62) P. Benioff: "The Computer as a Physical System: A Microscopic Quantum Mechanical Hamiltonian Model of Computers as Represented by Turing Machines", J. Stat. Phys., 22, 563-591, (1980) (63) R.Feynman: "Quantum Mechanical Computers", Opt.News, 11,11-20, (1985) (64) D.Deutsch: "Quantum Theory, the Church-Turing Principle, and the Universal Quantum Computer ", Proc.Roy.Soc.London, Ser.A400,97-117, (1985) (65) MANielsen and ILChuang:" Quantum Computation and Quantum Information ", (Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2000) (66) A. Barenco, D. Deutsch, and A. Ekert: Phys. Rev. Lett., 74, 4083, (1995) (67) D .Loss and DPDiVincenzo: "Quantum Computation with Quantum Dots", Phys.Rev.A57,120, (1998) (68) VNGolvach and D.Loss: "Electron Spins in Artificial Atoms and Molecules for Quantum Computing", Special Issue of Semiconductor Science and Technology, "Semiconductor Spintronics", ed.H. Ohno, (2002)). By using the technique described here, it is possible to construct a coupled quantum dot having not only a one-dimensional coupling but also a higher-order coupling structure, so that a conventionally known quantum algorithm ((69) D. Deutsch and R.Jozsa: "Rapid Solution of Problems by Quantum Computation", Proc.Roy.Soc.London, A439,553-558, (1992) (70) PWShor: "Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring" , Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundation of Computer Science, 124-134, (1994) (71) LKGrover: "A fast quantum mechanical algorithm for database search", Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on the Theory of Computing, 212-219, (1996)), and the realization of a completely new quantum algorithm that takes advantage of the geometrical nature of the coupling can be expected.
[0067]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0068]
For example, the numerical values, materials, structures, shapes, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different values, materials, structures, shapes, etc. may be used as necessary.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one or a plurality of microscopic structures are formed by a three-dimensional structure taken by a peptide-binding chain composed of an amino acid sequence in which amino acids having side chains to which microstructures selectively bind are incorporated at predetermined positions. A plurality of polynucleotide chains including a polynucleotide chain that determines the arrangement of the structure in the space or is bound to the microstructure, and at least a polynucleotide chain that is bound to the microstructure in the plurality of polynucleotide chains. Since the arrangement of one or a plurality of microstructures in the space is determined by the three-dimensional structure taken by combining a pair of polynucleotide strands with complementary base pairs, a large amount of functional materials that express abundant physical properties at low cost This functional material can be used to realize various highly functional electronic devices or quantum devices. That.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of CdSe / ZnS quantum dots used in the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an energy band of a CdSe / ZnS quantum dot used in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a tunnel effect when two CdSe / ZnS quantum dots are close to each other in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a combination of CdSe / ZnS quantum dots every 7 amino acid residues of an α-helix in the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a combination of CdSe / ZnS quantum dots spirally attached to a jelly roll barrel in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a structure in which CdSe / ZnS quantum dots are combined in a spiral with a jelly roll barrel in the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a state in which a DNA chain is bonded to a CdSe / ZnS quantum dot in the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a CdSe / ZnS quantum dot bonded to a DNA strand using a linker in the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... ZnS, 2 ... CdSe

Claims (17)

α−ヘリックスを含むタンパク質における上記α−ヘリックスの残基が7残基ごとに、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。The α-helix residue in the protein containing an α-helix is changed to an unnatural amino acid having a side chain to which a semiconductor quantum dot selectively binds every 7 residues, and the semiconductor quantum dot is changed to the side chain. An electronic device using a combination of these. 上記半導体量子ドットの直径は1nm程度である請求項1記載の電子装置。The electronic device according to claim 1, wherein the semiconductor quantum dot has a diameter of about 1 nm. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなる請求項1または2記載の電子装置。3. The electronic device according to claim 1, wherein the semiconductor quantum dots are made of CdSe covered with ZnS. 上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項1〜3のいずれか一項記載の電子装置。The electronic device according to claim 1, wherein the side chain is mercaptoacetic acid. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ZnSが上記メルカプト酢酸のSと結合している請求項1または2記載の電子装置。3. The semiconductor quantum dot is made of CdSe covered with ZnS, the side chain is mercaptoacetic acid, and the ZnS of the semiconductor quantum dot is bonded to S of the mercaptoacetic acid. Electronic equipment. 上記タンパク質がインフルエンザウイルス赤血球凝集素である請求項1〜5のいずれか一項記載の電子装置。The electronic device according to any one of claims 1 to 5, wherein the protein is influenza virus hemagglutinin. 上記インフルエンザウイルス赤血球凝集素の42番目、49番目、56番目、63番目、70番目、77番目、84番目、91番目および98番目の各残基が上記非天然のアミノ酸に変更されている請求項6記載の電子装置。The 42nd, 49th, 56th, 63rd, 70th, 77th, 84th, 91st and 98th residues of said influenza virus hemagglutinin are changed to said unnatural amino acid. 6. The electronic device according to 6. ラクトース結合破傷風毒素のHcフラグメントの886番目、1085番目、1091番目、951番目、955番目、1033番目、1037番目、1044番目、1048番目、1052番目、1056番目、1012番目、1016番目、1000番目、1004番目、991番目、995番目、974番目、978番目、1070番目、1074番目、934番目、906番目、896番目および890番目の各残基が、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。886th, 1085th, 1091th, 951th, 955th, 1033th, 1037th, 1044th, 1048th, 1052, 1056th, 1012th, 1016th, 1000th of the Hc fragment of lactose-binding tetanus toxin, 1004th, 991st, 995th, 974th, 978th, 070th, 1074th, 934th, 934th, 906th, 896th and 890th residues are side chains to which semiconductor quantum dots are selectively bonded. An electronic device using an unnatural amino acid having the semiconductor quantum dot bonded to the side chain. 上記半導体量子ドットの直径は1nm程度である請求項8記載の電子装置。The electronic device according to claim 8, wherein the semiconductor quantum dot has a diameter of about 1 nm. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなる請求項8または9記載の電子装置。The electronic device according to claim 8 or 9, wherein the semiconductor quantum dots are made of CdSe covered with ZnS. 上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項8〜10のいずれか一項記載の電子装置。The electronic device according to claim 8, wherein the side chain is mercaptoacetic acid. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ZnSが上記メルカプト酢酸のSと結合している請求項8または9記載の電子装置。The semiconductor quantum dot is made of CdSe covered with ZnS, the side chain is mercaptoacetic acid, and the ZnS of the semiconductor quantum dot is bonded to S of the mercaptoacetic acid. Electronic equipment. DD−ペプチダーゼ酵素の320番目、26番目、30番目、35番目、37番目、39番目および41番目の各残基が、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。The 320th, 26th, 30th, 35th, 37th, 39th and 41st residues of the DD-peptidase enzyme are changed to unnatural amino acids having side chains to which semiconductor quantum dots are selectively bound. An electronic device using the semiconductor quantum dot bonded to the side chain. 上記半導体量子ドットの直径は1nm程度である請求項13記載の電子装置。The electronic device according to claim 13, wherein the semiconductor quantum dot has a diameter of about 1 nm. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなる請求項13または14記載の電子装置。15. The electronic device according to claim 13, wherein the semiconductor quantum dot is made of CdSe covered with ZnS. 上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項13〜15のいずれか一項記載の電子装置。The electronic device according to claim 13, wherein the side chain is mercaptoacetic acid. 上記半導体量子ドットはZnSで周りを覆われたCdSeからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ZnSが上記メルカプト酢酸のSと結合している請求項13または14記載の電子装置。The semiconductor quantum dot is made of CdSe covered with ZnS, the side chain is mercaptoacetic acid, and the ZnS of the semiconductor quantum dot is bonded to S of the mercaptoacetic acid. Electronic equipment.
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