JP4448949B2 - 導電性ペプチドナノファイバー及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Scheibel, T., Parthasarathy, R., Sawicki, G., Lin, X. M., Jaeger, H., Lindquist, S. L., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 4527-4532 (2003)
1.ペプチド合成
ペプチドの合成は、固相合成法に基づきペプチド合成機(peptide synthesis system, Pioneer; Applied Biosystems)で行った。固相合成で用いた支持体レジンはPEG-PS樹脂(Applied Biosystems)でNα-アミノ基の保護に9-fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) 保護基が付加されており、リジン残基側鎖の保護にはt-butoxycarbonyl (tBoc)保護基、グルタミン酸側鎖の保護にはt-butoxy (OtBu)保護基が付加されたものを使用した。アミノ酸のカップリングには保護基が導入されたアミノ酸(ペプチド研究所)を使用し、カップリング試薬としてN-[(Dimethylamino)-1H-1,2,3-triazole[4,5-6]pyridin-1-ylmethylene]-N-methylmethanaminium hexafluorophosphate N-oxide (HATU)(Applied Biosystems)を用いた。ペプチド保護基の脱保護反応は、混合溶液(0.5ml精製水、9.5ml TFA)中で、1時間半〜2時間かけて室温で行った。その後脱保護されたペプチドはt-butyl methyl ether (MTBE)で抽出し、遠心回収後、真空乾燥により得た。
ペプチドを秤量し、90%メタノール水溶液を加えてそれを溶かし、これを3mMのペプチドストック溶液とした。さらにリン酸緩衝溶液(pH7.5)を調製し、ペプチドストック溶液から一定量分取し、リン酸緩衝溶液でペプチド濃度を300μM(9%メタノール、25mMリン酸緩衝溶液、pH7.5)に希釈して線維形成反応を開始した。
各試料から2μl分取し、それを雲母基板(約1cm四方)上へ滴下し、1〜5分間室温で放置した。その後、基板洗浄のためにマイクロピペットを用いて50μlの精製水を傾けた基板の上端から滴下し、これを2回行った後、室温にて完全に乾燥させ、AFM(SPM-9500J2、島津製作所)観察を行った。
ペプチド溶液を約200μl分取し、それを光路長0.1cmの円筒型石英セルに入れ、250nm〜190nmの遠紫外領域のCD(Jasco J-720 spectropolarimeter、日本分光)測定を行った。
(1)コンゴーレッド(CR)結合アッセイ
秤量したCR(ナカライテスク)に80%メタノール水溶液を加えた後、ボルテックスで溶液を懸濁し、残りのCRの塊は1分間超音波をかけて粉砕した。10分間遠心(15000rpm)した後、 その上澄み溶液を孔径0.45μmのフィルター(sartorius)に2回通してCR飽和溶液を作製した。スライドガラス(松浪硝子工業)に試料を10μl滴下し、一度乾燥させた後、先に調製したCR飽和溶液を乾燥した試料の上に10μl滴下し、再度乾燥させた。作製した試料は偏光顕微鏡(Nikon ECLIPSE E600 POL、ニコン)を用いて観察を行った。
試料を5〜10μl分取し、スライドガラスにのせ、乾燥させた。その後、光学顕微鏡(Nikon ECLIPSE E600 POL、ニコン)を用いて、明視野観察を行った。倍率が500倍の時のみ、微分干渉フィルター(ニコン)をかけて同様に観察を行った。
ナノファイバーのビオチン化に用いたビオチン化試薬はBiotin-(AC5)2Sulfo-Osu(以下単にビオチンと称する)(同仁化学研究所)であり、これは結合部位としてペプチドの遊離のアミノ基(リジン残基のε-アミノ基など)と結合する。このビオチン化試薬をペプチド濃度(300μM)の10倍になるようにナノファイバーに添加し、25℃で12時間、振とうを行った。その後溶液をすべて回収し、未反応のビオチンを除くために18時間以上透析(Spectra/Por membrane, MWCO: 3500)を行った。
A(mol/l)= [104×(0.9×AbsA-AbsB)/34] ×10-6
ビオチン化されたペプチド濃度をB(mol/l)とすると以下の式(2)により、ペプチド1分子をラベル化したビオチンの数を計算することができる。
A/B = ペプチド1分子に結合したビオチンの数(mol/mol)
7.導電性機能付加法
導電性機能付加は、形成されたナノファイバー表面に露出していると思われるペプチドのN末端またはリジン残基側鎖のアミノ基に、官能基としてsulf-N-hydroxy succinimideが付加した金ナノ粒子(直径1.4nm)(以下単に金ナノ粒子と称する)を共有結合させて行った。実際にはナノファイバー形成後2日以上経過したナノファイバー溶液から400μl分取し、これを凍結乾燥状態の金ナノ粒子が入ったチューブ(Nanoprobes)に加え、軽くボルテックスで撹拌した後、4℃の低温で12〜18時間ローター(プチローターMODEL2210、和研薬株式会社)で撹拌を行った。その後溶液をすべて回収し、未反応の金ナノ粒子を除くために18時間以上透析(Spectra/Por membrane, MWCO: 10000)を行った。透析膜からナノファイバー溶液を回収後、4℃、10000rpmで10分間遠心を行い、上澄溶液を捨て、再度精製水を加えて同様に遠心を行った。この遠心操作を5回行った。
ナノファイバー水溶液に等量のLI Silver混合溶液を加え、20分間室温で反応させることで、ナノファイバー上に修飾された金ナノ粒子を銀メッキした。この時のLI Silver混合溶液の調製は、LI Silver Initiator溶液(Nanoprobes)とLI Silver Enhancer溶液(Nanoprobes)を1:1の比率で混ぜ合わせたものである。
ナノファイバー水溶液に等量のGoldEnhance LM混合溶液を加え、20分間室温で反応させることで、ナノファイバー上に修飾された金ナノ粒子を金メッキした。この時のGoldEnhance LM混合溶液の調製は、GoldEnhance LM溶液A、B、C、そしてDを1:1:1:1の比率で混ぜ合わせたものである。
図4は、導電性測定の工程を模式的に示す図である。導電性測定には、歯部26aを有する第1の電極26と、歯部27aを有する第2の電極27とからなるくし形電極21(電極幅10μm、電極間隔5μm、電極材料:炭素)(ビー・エー・エス(株)製)を使用した(図4(a)参照)。まず、図4(a)に示すように、調製したEK7aaペプチドナノファイバー、金ナノ粒子を付加したナノファイバー、銀メッキしたナノファイバー、そして金メッキしたナノファイバーのいずれかのナノファイバー25を含む試料をナノファイバー溶液22とし、注入手段23を用いてナノファイバー溶液22を0.5μlくし形電極21の上方から滴下し、歯部26a、27aにのせ、次に図4(b)に示すように乾燥させた。EK7aaのペプチドナノファイバーは、溶媒にリン酸が含まれているので、ナノファイバー溶液22を歯部26a、27aにのせ乾燥させた後、50μlの精製水で3回電極21を洗浄した。導電性測定は(北斗電工(株)製HAG-1510m)を使用し、直流電流測定、インピーダンス測定をおこなった。
1.Glu-Phe-Ile-Val-Ile-Phe-Lys(略称名:EK7aa)の合成とナノファイバー形成
EK7aaの合成とナノファイバー形成反応は上記の実験方法により行った。図5(a)はEK7aaを模式的に示し、図5(b)はEK7aaのファイバー形成開始から7日後の0mM塩化ナトリウム中で形成されたナノファイバーのAFM画像を示し、図4(c)はEK7aaの0mM塩化ナトリウムでのCD測定のグラフを示す。図5(a)に示すように、EK7aaは両末端のアミノ酸側鎖電荷がN、C両末端の電荷を打ち消すアミノ酸配列になっている。
EK7aaから形成されるナノファイバーに機能性分子が結合されるかどうか確認するために、金ナノ粒子と同様の官能基sulf-N-hydroxy succinimideが付加されたビオチンをナノファイバーに結合させる実験を行った。ビオチン化効率を見積もった結果、0.077±0.001mol/molであった。EK7aaの配列中にビオチンが結合し得るアミノ基は2つ(N末端とリジン残基側鎖末端)存在するので、EK7aa約13分子に1つの割合でビオチンがナノファイバーに結合していることが確認された。この結果は、ペプチドの配列上に存在するアミノ基を利用して、ペプチドナノファイバーの表面になんらかの分子を付加することができることを示している。
さらにEK7aaから成るナノファイバーに導電性機能を付加するために、ビオチン化の時と同様の官能基sulf-N-hydroxy succinimideが付加された金ナノ粒子をナノファイバーに結合させる実験を行った。図6は、金ナノ粒子を付加する前のナノファイバーの、通常の明視野での光学顕微鏡画像(a)と、微分干渉フィルターをかけた場合の光学顕微鏡画像(b)である。図7は、金ナノ粒子を付加させたナノファイバーの、通常の明視野での光学顕微鏡画像(a)と、微分干渉フィルターをかけた場合の光学顕微鏡画像(b)と、AFM画像(c)である。
金属中でもっとも抵抗率の低い金属種である銀(抵抗率=1.6×10-8Ωm(20℃))をナノファイバー上の金ナノ粒子の周りに析出させた。図8は、20分間銀メッキさせた後のナノファイバーの、通常の明視野での光学顕微鏡画像(a)と、AFM画像(b)である。これまでナノファイバーは通常の明視野では確認しにくかったが、銀メッキを施した場合、図8(a)に示すように通常の明視野でも明らかにナノファイバーを確認することができた。ナノファイバーは黒色になり、ファイバーの周りに銀が析出したことが伺える。またAFM観察を行ったところ、図8(b)に示すように、メッキさせる前のファイバーの表面とは大きく異なり、直径5〜20nmの粒子がナノファイバー上に付着していることが確認された。
銀メッキと同様に比較的抵抗率の小さい金属種である金(抵抗率=2.4×10-8Ωm(20℃))をナノファイバー上の金ナノ粒子の周りに析出させることを行った。20分間金メッキさせた後、光学顕微鏡で通常の明視野観察を行ったところ、銀メッキと同様に、赤茶色のナノファイバーを確認することができた(図9(a))。さらにAFMでも表面観察を行ったところ、直径5〜20nmの粒子がナノファイバー上に付着しているのを確認した(図9(b))。
実際に作製した導電性ナノファイバーが導電性機能を有しているのか確認するため、以下の4種類のナノファイバーの導電性測定を行った。
(i)EK7aaから成るナノファイバー
(ii)金ナノ粒子を付加させたEK7aaナノファイバー
(iii)銀メッキさせたEK7aaナノファイバー
(iv)金メッキさせたEK7aaナノファイバー
これら4種類の試料をくし形電極21(図4(a)参照)にのせ、乾燥させた状態(図4(b)参照)で直流電流測定とインピーダンス測定を行った。なお基準測定として何も試料をのせずに電極そのものの測定も行った。
試料(i)、(iii)は電圧値を変化させても電流は流れず、オーム抵抗を求めることができなかった。試料(iii)は銀メッキさせたナノファイバーでもっとも導電性が高いと思われたが、これは銀メッキさせている間に溶液中で銀が酸化されてしまい、絶縁体となったためであると考えられる。試料(ii)、(iv)は電流が流れることが確認され、オーム抵抗を求めることができた。図10(a)は、試料(ii)の電圧−電流特性を示す図であり、図10(b)は、試料(iv)の電圧−電流特性を示す図である。図10(a)に示すように、試料(ii)の抵抗値は10.9GΩであった。また、図10(b)に示すように、試料(iv)の抵抗値は5.03MΩであった。電極21の歯部26a、27aの上に約1000本のナノファイバーがのっているとすると、それぞれ1本のナノファイバーの抵抗値は、試料(ii)では約10.5TΩ、試料(iv)では約5.03GΩであることがわかる。
図11は、電極のみと各試料の50mVでのインピーダンス|Z|(図11(a) )とφの周波数特性(図11(b))を測定した結果を示す。低周波数において電極のみ、試料(i)、試料(iii)の抵抗値はほぼ同じで約100GΩ程度であり、ほぼ絶縁体であることがわかる。しかし、試料(ii)、(iv)の低周波数における抵抗値はそれぞれ約10GΩと約5MΩであることがわかる。これらの値は直流電流測定から得られた抵抗値と良い一致を示す。
12,13 アミノ基
14 金ナノ粒子
21 くし形電極
22 ナノファイバー溶液
23 注入手段
25 ナノファイバー
26 第1の電極
26a 歯部
27 第2の電極
27a 歯部
〈223〉1番目の残基のXaaは任意のアミノ酸残基であり、7番目の残基のXaaは任意のアミノ酸残基である。
Claims (9)
- ナノファイバー形成能を有する、Glu-Phe-Ile-Val-Ile-Phe-Lys(配列番号2)のアミノ酸配列からなるペプチドが自己組織化的に形成したナノファイバーに、導電性物質を付加してなる、導電性ペプチドナノファイバーであって、
前記導電性物質は、前記ペプチドのアミノ基に付加されている、導電性ペプチドナノファイバー。 - 前記導電性物質は金粒子である、請求項1に記載の導電性ペプチドナノファイバー。
- 前記金粒子は、直径が1nm以上でかつ20nm以下である、請求項2に記載の導電性ペプチドナノファイバー。
- 前記金粒子は、これを核として金属イオンを析出してなる金属により被覆されている、請求項2に記載の導電性ペプチドナノファイバー。
- 前記金属イオンは、金イオン又は銀イオンである、請求項4に記載の導電性ペプチドナノファイバー。
- 前記導電性物質は、アミノ基反応性材料を介して、前記ペプチドのアミノ基に付加されている、請求項1に記載の導電性ペプチドナノファイバー。
- (a) ナノファイバー形成能を有する、Glu-Phe-Ile-Val-Ile-Phe-Lys(配列番号2)のアミノ酸配列からなるペプチドが自己組織化的に形成したナノファイバーを調製する工程、
(b) 前記工程(a)の後、前記ペプチドに導電性物質を付加する工程、
を有する導電性ペプチドナノファイバーの製造方法。 - 前記導電性物質は、金粒子である、請求項7に記載の導電性ペプチドナノファイバーの製造方法。
- (c) 前記工程(b)の後、前記金粒子を核として金属イオンを析出させる工程をさらに有する、請求項8に記載の導電性ペプチドナノファイバーの製造方法。
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