JP4761476B2 - 磁性ナノチューブ - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギー省によって付与された契約番号ＤＥ−ＦＧ−０２−０１ＥＲ４５９３５の下でアメリカ合衆国政府からの援助によってなされた。アメリカ合衆国政府は本発明について所定の権利を有する。
［技術分野］
本発明はナノスケールの磁性構造の分野に関し、特に、磁性ナノチューブおよびその製造方法に関する。
［発明の背景］
記憶媒体、スピントロニクス、撮像、およびセンサにおける新興技術は最近、ナノメータスケールの磁気材料ならびに該磁気材料を製造するための装置および方法の必要性を増加させている。ナノメータスケールのビルディングブロックは通常、このような磁性ナノ構造を製造するために使用される。最近、自己組織化磁気ナノ構造の分野においてかなりの取り組みがなされている。例えば、磁気デバイスのビルディングブロックに応用するために、磁気ナノ結晶の３次元組織化が広く調査されており、適切な触媒特性、光学特性、および磁性特性のためには、ナノ結晶の大きさ、形状、およびモルフォロジーの制御が重要である。ビルディングブロック構造の重要な分野の一つが磁性ナノワイヤである。合成磁性ナノワイヤが生産されているが、これらのナノワイヤの磁性特性を調製する能力は乏しいことが証明されている。
加えて、細胞分離用に磁性粒子が商業的に使用されている。典型的な市販の磁性粒子は常磁性体であるが、直径がマイクロメーターのオーダーである。バイオセンサ、磁気分離、生物学的アッセイ、および酵素基板などの用途においては、より小さい磁性粒子が望まれている。より小さい粒子の使用は例えば、細胞分離の効率を増加させるが、これは単に、得られる表面積の増加に起因する。これらの用途のために所望のナノメーターサイズの磁性粒子を合成により製造することは難しいが、このような微細な粒子を収集することは極めて難しく、これは磁気モーメントが特徴的に弱いことに起因する。
したがって、現在利用可能な磁性粒子よりも大きな磁場を有するナノメーターサイズの磁性粒子およびナノチューブへの要求が存在し、この要求は従来技術によって満たされていない。また、これらの磁性特性を調製する能力を有する磁性ナノチューブの新たな製造方法への要求が存在する。
［発明の概要］
磁性ナノチューブの製造方法は、細菌由来磁性ナノ結晶を準備する工程を含み、各々の細菌由来磁性ナノ結晶が外層を有する。上記方法はさらに、内表面および外表面を有し、細菌由来磁性ナノ結晶を吸収可能な少なくとも１つのナノチューブを準備する工程を含む。上記方法はさらに、ナノチューブを細菌由来磁性ナノ結晶に接触させる工程を含む。
好ましくは、上記方法はさらに、少なくとも１つのナノチューブを含むナノチューブ溶液を作製する工程と、バッファーと、所定濃度の細菌由来磁性ナノ結晶とを含むナノ結晶溶液を作製する工程とを含む。ナノ結晶溶液における細菌由来磁性ナノ結晶の濃度は最適化され、細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部が少なくとも１つのナノチューブの少なくとも一表面に実質的に固定化されるまで、ナノ結晶溶液はナノチューブ溶液と混合されかつインキュベートされる。
最適濃度は、磁性ナノチューブが、少なくとも１つのナノチューブの内表面にのみ実質的に接触するか、または、少なくとも１つのナノチューブの少なくとも外表面に実質的に接触する。したがって、一実施形態に係る方法は、ナノ結晶の濃度を、細菌由来磁性ナノ結晶がナノチューブの内表面にのみ実質的に包含されるための最適濃度に希釈することにより、細菌由来磁性ナノ結晶をナノチューブの内表面に選択的に包含させる工程を含む。
磁性ナノチューブは、各々が外層を有する細菌由来磁性ナノ結晶と、内表面および外表面を有し、細菌由来磁性ナノ結晶を吸収可能なナノチューブとを含む。細菌由来磁性ナノ結晶は、ナノチューブの内表面および外表面のうち少なくとも一方と接触する。
細菌由来磁性ナノ結晶の外層は好ましくはタンパク質を含む。
一実施形態では、細菌由来磁性ナノ結晶はナノチューブの内表面に実質的に接触し、ナノチューブの内表面に直鎖を形成するよう配列する。
磁性ナノチューブは、磁性ナノワイヤとしての用途に適応可能であり、かつ細胞操作用に適応可能である。さらに、磁性ナノチューブは、細胞分離システム、生物学的アッセイシステム、および酵素回収システムの用途に適応可能である。さらに、磁性ナノチューブは、薬剤伝達システムおよび遺伝子伝達システムの用途に適応可能である。また、磁性ナノチューブは、磁気共鳴撮像の用途に適応可能である。
［詳細な説明］
図１は、本発明に係る磁性ナノチューブの製造方法１０の一実施形態の図示説明であり、本発明にしたがって形成された磁性ナノチューブ２０の一実施形態の外観の説明である。一工程では、細菌由来磁性ナノ結晶２６を準備する。図１に示される実施形態においては、細菌由来磁性ナノ結晶２６を準備する工程は、少なくとも１つの細菌２４を嫌気的に生育させることにより、ナノ結晶２６を合成する工程２２と、磁気ナノ結晶２６を細菌から抽出する付加的な工程２８とを含む。工程３０では、磁気ナノ結晶２６はナノチューブ３２の少なくとも一表面に接触して、本発明の一実施形態に係る磁性ナノチューブ２０を形成する。
接触させる工程３０は、ナノチューブ３２の１以上の表面の少なくとも一部にナノ結晶２６を割り当てる工程を含む。また、接触させる工程３０は、少なくとも１つの全体の表面にナノ結晶２６を実質的に割り当てる工程を含むことができ、ナノ結晶２６を用いてナノチューブ３２の１以上の表面を覆う実質的に均一なコーティングが形成される。
図１によれば、本発明の磁性ナノチューブ２０は複数の細菌由来磁性ナノ結晶２６を含む。各々の細菌由来磁性ナノ結晶は外層３４を含み、好ましくはタンパク質３６を含む。また、外層３４は脂質３８を含む。また、磁性ナノチューブは、内表面４０および外表面４２を有するナノチューブ３２を含む。
接触させる工程３０は、ナノチューブ３２の１以上の表面の少なくとも一部の上にナノ結晶２６を割り当てる工程を含む。また、接触する工程は、少なくとも１つの全体の表面にナノ結晶２６を実質的に割り当てる工程を含むことができ、ナノ結晶２６を用いてナノチューブ３２の１以上の表面を覆う実質的に均一なコーティングが形成される。
複数の細菌由来磁性ナノ結晶２６は少なくとも、ナノチューブ３２の１以上の表面の少なくとも一部を部分的に覆うことが必要とされる多数のナノ結晶２６であってもよい。また、複数の細菌由来磁性ナノ結晶２６は少なくとも、少なくともナノチューブ３２の１つの全体の表面を実質的に覆うことが必要とされる多数のナノ結晶２６であってもよい。さらに、複数の細菌由来磁性ナノ結晶は、多数のナノチューブ３２との混合が必要とされる多数のナノ結晶２６であってもよく、このナノ結晶２６は、多数のナノチューブ３２の１以上の表面の少なくとも一部を実質的に覆う。
ナノチューブ３２はチューブ状形状であり、実質的に円筒状の断面を有し、その長さは円筒状の断面の直径よりも実質的に大きく、チューブ状の長さの少なくとも一端が開放されている。ナノチューブ３２は細菌由来磁性ナノ結晶２６を吸収する能力によって特徴付けられる。好ましくは、ナノチューブ３２は外層３４を吸収し、好ましくはタンパク質３６を含む。
一実施形態においては、ナノチューブ３２は少なくとも約３０ナノメーター（ｎｍ）の内径を有する。
別の実施形態においては、ナノチューブ３２は約１５０ｎｍ未満の内径を有する。
好ましい実施形態においては、ナノチューブ３２は実質的に約４５ｎｍ〜１２５ｎｍの範囲の内径を有する。
好ましくは、ナノチューブ３２の長さは、円筒状の断面の外径よりも少なくとも約１０倍より大きい。
本発明の一実施形態に係る磁性ナノチューブ５０は、図２Ａに示される透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）であり、内表面４０および外表面４２の両方に接触する複数の細菌由来磁性ナノ結晶２６によって特徴付けられる。他の実施形態（図示せず）においては、磁性ナノチューブは、外表面４２のみに実質的に接触する細菌由来磁性ナノ結晶によって特徴付けられる。
磁性ナノチューブ２０の別の実施形態は図１に図示され、図２ＢのＴＥＭにおいて、ナノチューブ３２の内側に実質的に選択的に包含される細菌由来磁性ナノ結晶２６によって特徴付けられ、細菌由来磁性ナノ結晶２６は内表面４０にのみ接触する。
図１に示されるように、選択的に包含される細菌由来磁性ナノ結晶２６は、ナノ結晶３２の内側中心の下方に、単一の直鎖を形成することができ、いずれの場合においても、ナノ結晶２６の外径はナノチューブ３２の内径以下である。
ナノ結晶２６がナノチューブの内側に選択的に包含される付加的な実施形態では、ナノ結晶の外径は好ましくは、ナノチューブ３２の径の半分以上である。本実施形態では、内側に包含されたナノ結晶は好ましくは、ナノチューブ３２の内表面４０の少なくとも一方の側に接触する。
磁性ナノ結晶２６がナノチューブ３２の内側に選択的に包含される別の実施形態では、好ましくは、内側に包含されたナノ結晶がナノチューブ３２の内表面４０の両側に接触するように、ナノ結晶の内径はナノ結晶の外径と実質的に等しい。
磁性ナノチューブの製造において様々なパラメータを制御することにより、磁性ナノチューブの所定の磁性特性を制御することができる。例えば、図１および図２Ｂに示されるように、ナノチューブ２０は好ましくは、図１の接触させる工程３０の間、ナノチューブ溶液においてナノ結晶２６の濃度を最適化することにより製造される。ナノチューブ３２の内側にナノ結晶２６を包含することにより、ナノチューブ３２の内側に磁性粒子の直鎖が得られ、該直鎖は磁気異方性をもたらし、この磁気異方性は一般に知られている磁性粒子または磁性凝集体には存在しない。
加えて、本発明の磁性ナノ結晶の相、無機質の種類、結晶の大きさ、およびモルフォロジーは、細菌の種または株を適切に選択することによって制御することができる。例えば、大気条件下で単一ドメインの磁性ナノ結晶を生産する細菌もある。このようなナノ結晶は合成的手段で製造するのが難しい。したがって、本発明に係る方法のパラメータは、ナノチューブ上の磁性ナノ結晶のモルフォロジーおよび位置を制御することにより、特定の磁性特性を有する磁性ナノチューブを生産するように有利に調節可能である。
再び図１を参照すると、本発明のナノチューブ３２は、ナノ結晶２６を吸収可能な生物材料を含む。好ましくは、ナノチューブ３２は外層３４を吸収する能力を有し、外層３４は好ましくはタンパク質３６を含む。
例えば、松井宏らによる「結晶性グリシルグリシン双頭型両親媒性細管およびそのｐＨ感受性構造変換」，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ．１０４，３３８３−３３８６（２０００）（ここで参照することにより本明細書に包含される）に記載されているように、ナノチューブ３２は好ましくは、ペプチド双頭型両親媒性分子の自己組織化により生成される。
本発明のペプチド双頭型両親媒性分子は、非極性の鎖に接続された２つの極性頭部または極性基を含むいずれかの分子である。２つの極性基はそれぞれ、水素結合を用いてペプチドまたはタンパク質に結合することができるいずれかの官能基であってもよい。本発明のナノチューブ３２の官能基の例は、アミド基、水酸基、およびカルボキシレート基からなる群から選ばれるものを含む。鎖上の２つの極性基は、同じであってもまたは異なっていてもよい。
ペプチド双頭型両親媒性物質の例は、ビス（Ｎ−α−アミド−グリシルグリシルグリシン）−１，６−ヘキサンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，６−ヘキサンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−アミド−グリシルグリシン）−１，７−ヘプタンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，８−オクタンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，９−ノナンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，１０−デカンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，１１−アンデカンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，１２−ドデカンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルグリシン）−１，１４−テトラデカンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシルサルコシルサルコシン）−１，１０−デカンジカルボキシレート、ビス（Ｎ−α−グリシル−Ｌ−プロリル−Ｌ−プロリン）−１，１０−デカンジカルボキシレートを含む。
好ましい実施形態においては、ナノチューブテンプレートは、アミド官能基を含む、ジカルボキシル基を有するオリゴペプチド双頭型両親媒性物質から自己組織化される。本発明の特に好ましいナノチューブは、ビス（Ｎ−α−アミド−グリシルグリシン）−１，７−ヘプタンジカルボキシレートを含む。
ペプチドナノチューブのアセンブリは、双頭型両親媒性物質ペプチド分子の官能基（アミド基、水酸基、および／またはカルボキシル基）の間の分子内水素結合を含む。各々の双頭型両親媒性物質のペプチド分子は、細管状アセンブリにおいて遊離アミド部位を少なくとも１つ含む。好ましくは、タンパク質は、水素結合を介して細管状の遊離アミド部位と相互作用して、ペプチドナノチューブ上に均一なコーティングを生成する。
本発明のペプチドナノチューブは、ナノチューブの表面に様々な種類のタンパク質、酵素、他のペプチド、および抗体を固定することができる。本発明の細菌由来磁性ナノ結晶上のタンパク質は、ペプチドナノチューブに対して特に強い親和性を示す。この親和性は、ペプチドナノチューブの表面に細菌由来磁性ナノ結晶が接触するのを促進する。
再び図１を参照すると、本発明の細菌２４は、磁性ナノ結晶を生産するいわゆる「磁性細菌」のいずれかを含む。一般に知られている磁性細菌は、酸化鉄、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）か、または硫化鉄、グレイジャイト（Ｆｅ３Ｏ４）の一方の磁性粒子２６と結合する細胞内膜を合成する。細菌２４によるこの構造の形成は、細胞における鉄の凝集および無機質粒子の堆積を制御しながらの無機化（mineralization）プロセスにより達成される。本発明の磁性細菌の好ましい株は好ましくは嫌気性であり、かつ、実験室条件下でアキニカルに（axenically）培養可能である。好ましい株は、Magnetospirillum magnetotactium MS-1、Magnetospirillum gryphiswaldense、およびMagnetospirillum magneticum AMB-1を含む。
本発明の磁性ナノ結晶２６は、いずれかの結晶質を実質的に含み、細菌より生産される磁性材料を実質的に含む。好ましくは、磁性ナノ結晶２６は、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）またはグレイジャイト（Ｆｅ３Ｏ４）を含む。また、磁性ナノ結晶２６は好ましくは実質的に球状である。
一実施形態においては、磁性ナノ結晶は、平均直径が約５００ナノメーター（ｎｍ）より小さい。
別の実施形態においては、磁性ナノ結晶は約４０ｎｍ以上の直径を有する。
好ましい実施形態においては、磁性ナノ結晶の直径は実質的に、約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの範囲にある。
別の実施形態においては、磁性ナノ結晶の直径は実質的に、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲にある。
また、本発明の磁性ナノ結晶２６は好ましくは、外層または膜３４を含み、この外層または膜３４はタンパク質３６を含む。典型的には、外層３４は、脂質３８およびタンパク質の両方を含む安定な二重膜を含む。磁性細菌により生産されたタンパク質３６は、Ｗａｈｙｕｄｉらによる「Magnetospirillum magneticum AMB-1におけるアルデヒドフェレドキシン酸化還元酵素の遺伝子欠損変異体の同定」（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅｒｃｈ Ｃｏｍｍ．３０３，２２３−２２９（２００３））によって特徴付けられ、この参照によって本明細書に包含される。
本発明の方法にしたがって形成された好ましい磁性ナノチューブは強磁性であり、結晶軸に沿ってナノチューブの穴における細菌由来磁性ナノ結晶の配列に起因する著しく強い磁気モーメントを有する。本発明の磁性ナノチューブによって形成される磁場は、細胞分離に現在使用されている市販の磁性ナノチューブよりも数オーダー大きい。
図１に図解される方法を参照すると、工程２２において、細菌２４は磁性ナノ結晶２６を合成するために使用される。好ましくは、この工程２２は、例えば、Ｙａｎｇ，Ｃ．Ｄ．らによる「組換えMagnetospirillum magneticum AMB-1によるルシフェラーゼ−磁性細菌粒子複合体の生産における成長培地組成物、鉄源、および雰囲気の酸素濃度の影響」（Ｅｎｚｙｍｅ Ｍｉｃｒｏｂ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２９，１３−１９（２００１），この参照によって本明細書に包含される。）に記載されているように、発酵槽中で嫌気的に細菌２４を生育させる工程を含む。
細菌２４からナノ結晶２６を抽出する工程２８は、当業者に知られているいずれかの方法によって行ってもよい。本発明の一実施形態に係る方法によれば、工程２８は培養細胞を破砕する工程と、カラム中で磁石（好ましくはネオジウム−ホウ素（Ｎｄ−Ｂ））を用いたナノ結晶２６を収集する工程と、松永是らによる「磁性細菌粒子を用いた化学発光酵素免疫アッセイ」（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６８，３５５１−３５５４（１９９６），この参照によって本明細書に包含される。）に記載されているように、ナノ結晶２６を含む上清を取り出す工程とを含む。次いで、上清中に収集された磁性ナノ結晶２６は好ましくは、バッファーで洗浄される。
一実施形態においては、バッファーのｐＨは少なくとも５である。
好ましくは、上記ｐＨは約６である。
別の実施形態においては、バッファーのｐＨは約９を超えない。
好ましくは、上記ｐＨは約８を超えない。
最も好ましくは、バッファーのｐＨは約７である。
好ましくは、バッファーはＨＥＰＥＳバッファーである。
ナノ結晶２６をナノチューブ３２に接触させる工程３０は好ましくは、ナノ結晶溶液を作製する工程を含み、このナノ結晶溶液は、バッファーに懸濁させた所定濃度のナノ結晶２６を含む。工程３０はまた、ナノチューブ３２を含むナノチューブ溶液を準備する工程を含む。好ましい方法においては、ナノチューブ３２はペプチドナノチューブを含む。ペプチドナノチューブは当業者に良く知られている手段（松井宏らによって記載された方法など）にて合成することができる。
接触させる工程３０はさらに、所定量のナノチューブ溶液を所定量のナノ結晶溶液と混合する工程と、細菌由来磁性ナノ結晶２６をナノチューブ３２の表面に実質的に固定化するインキュベーション時間を準備する工程と含む。
多数のナノチューブ３２に相対的である、バッファー中のナノ結晶２６の特定濃度は、本発明に係る方法のひとつのパラメータであり、このパラメータは好ましくは、磁性ナノチューブが内表面４０および外表面４２の両方の上、内表面４０のみの上、または外表面４２のみの上にナノ結晶２６を包含できるかどうかを制御するのに使用される。一実施形態においては、接触させる工程３０はさらに、ナノ結晶溶液をナノチューブ溶液に混合する工程と、該混合物をインキュベートする工程とを含む。
一実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶溶液におけるナノ結晶２６の濃度は少なくとも、約１×１０１２個のナノ結晶／ミリリットル（ナノ結晶／ｍｌ）であり、ナノチューブ溶液におけるナノチューブ３２の数は、約１．８×１０９個のナノチューブ／ミリリットル（ナノチューブ／ｍｌ）である。
同等に、本実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶／ナノチューブは少なくとも５５０／１である。本実施形態においては、細菌由来磁性ナノ結晶２６は、少なくともナノチューブ３２の外表面４２に実質的に接触する。
別の実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶溶液におけるナノ結晶２６の濃度は実質的に、約１×１０１２（ナノ結晶／ｍｌ）〜約５×１０１２（ナノ結晶／ｍｌ）の範囲であり、ナノチューブ溶液におけるナノチューブ３２の数は約１．８×１０９（ナノチューブ／ｍｌ）である。同等に、本実施形態においては、ナノ結晶／ナノチューブが実質的に５５０／１〜２８００／１である。本実施形態においては、細菌由来磁性ナノ結晶２６は、少なくともナノチューブ３２の外表面４２に実質的に接触する。
本発明の好ましい実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶溶液は、磁性ナノ結晶２６がナノチューブ３２の内側に実質的に選択的に包含されるような濃度に最適化されるように希釈される。混合する工程において、ナノ結晶溶液におけるナノ結晶２６の好ましい濃度は、約１×１０１１（ナノ結晶／ｍｌ）以下であり、ナノチューブ溶液中のナノチューブ３２の数は約１．８×１０９（ナノチューブ／ｍｌ）である。同等に、本実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶／ナノチューブは約５６／１以下である。
さらに別の実施形態においては、混合する工程において、ナノ結晶溶液は、磁性ナノ結晶２６がナノチューブ３２の内側に実質的に選択的に包含されるような濃度に最適化されるように希釈される。本実施形態では、混合する工程において、ナノ結晶溶液におけるナノ結晶２６の好ましい濃度は実質的に、約５×１０１０〜約１×１０１１（ナノ結晶／ｍｌ）の範囲であり、ナノチューブ溶液中のナノチューブ３２の数は約１．８×１０９（ナノチューブ／ｍｌ）である。同等に、混合する工程において、ナノ結晶／ナノチューブは実質的に約２７／１〜約５６／１の範囲にある。
バッファーのイオン強度は付加的なパラメータであり、このパラメータは好ましくは、ナノチューブ３２の内側に磁性ナノ結晶２６を実質的に選択的に包含するために最適化される。ペプチドナノチューブの内部への細菌由来磁性ナノ結晶２６の包含は、いくつかの種類の包含機構またはナノチューブの毛細管作用を介して起こると考えられている。ナノチューブ３２内で生産された、最終的に得られるナノ結晶２６の直鎖集合体は、磁気静電的な結合が可能である。したがって、本実施形態においては、磁性ナノチューブ３２は、個々の粒子よりもむしろ磁性ナノワイヤとしての挙動を示し、より高い磁化を示す。
本発明に係る方法の別の実施形態によれば、接触させる工程３０の前に、ナノチューブ３２の内表面と結合しうる特定の分子がナノチューブ溶液とともに溶液に導入される。次いで、変更されたナノチューブ溶液がナノ結晶溶液とインキュベートされて、磁性ナノチューブ２６に接触する外表面４２のみを有する磁性ナノチューブを形成する。特定の分子はナノチューブ３２の内部結合部位が磁性粒子２６に結合するのを阻止する。
本発明の磁性ナノチューブの著しく強い磁気モーメントは、従来の磁石を用いてナノメーターサイズのナノチューブを収集することを可能にする。合成により製造された従来の磁性ナノチューブは、本発明の磁性ナノチューブと同様の磁性特性および高い磁化を有していない。加えて、本発明の磁性ナノチューブは水溶性であり、生物バッファー中での著しく高い表面領域および非常に優れた分散によって特徴付けられる。その結果、これらの磁性ナノチューブは細胞分離システムおよび生物学的アッセイシステムで使用可能であり、分離効率、感受性、操作速度、および検出限界の点で従来のシステムよりも改良されている。
加えて、本発明の磁性ナノチューブは、あらゆる種類の生物材料に付着させるために使用されてもよく、該生物材料はタンパク質、ペプチド、酵素、抗体、ＤＮＡ、遺伝子、ウイルス、細菌、病原体、および膜を含む。したがって、本発明の磁性ナノチューブは、生物学的研究および医学的研究のための使用（例えば、選択的細胞操作）および遺伝子伝達のための使用に好適である。
一実施形態においては、対象となる特定種類の細胞をナノチューブに選択的に付着させてもよく、次いで、細胞を含むナノチューブを例えば磁性プローブを用いて移動させて、正常細胞から異常細胞または癌細胞を分離することができる。可能性がある他の用途は、バイオセンシング、診断、治療、および環境研究を含む。
本発明の磁性ナノチューブはさらに、薬剤に付着させるために使用されてもよく、したがって、薬物伝達および遺伝子伝達による用途に適応させてもよい。
さらに別の実施形態によれば、本発明の磁性ナノチューブは、体内での撮像のために所定部位に導入されてもよく、したがって、磁気共鳴撮像システムでのコンストラストを高めるために使用されてもよい。
別の実施形態においては、本発明の磁性ナノチューブは酵素回収のために使用されてもよい。好ましくは、外表面のみに接触する磁性ナノ結晶を有する磁性ナノチューブは、酵素を内表面に付着させるのに使用されるため、酵素のコンフォメーションが変性するのを防ぐ。変性は、酵素のコンフォメーション／構造における変化であり、酵素活性を減少させ、化学製品（薬剤など）の収率を減少させるため、製薬産業では特に問題となる。したがって、ナノチューブの内側に酵素を包含させることにより、酵素のコンフォメーションまたは構造が有利に保護されて、化学製品（医薬品を含む）の収率を最大化する。
本発明の磁性ナノチューブは、既存の磁性粒子のコストの約１／１０で有利に生産可能であり、より簡便な抗体／受容体保護および固定化によって、細菌を用いた遺伝子工学的生産が可能である。さらに、磁性細菌の遺伝子工学は、高価値の抗体および受容体に本発明の磁性ナノチューブを導入するという利点をもたらし、高収益である産業用のナノチューブを生産しうる。
以下、添付図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明するが、本発明はこれらの厳密な実施形態に限定されないと理解すべきであり、本発明の範囲または目的を逸脱することなく当業者による様々な他の変更または変形が可能である。
ここで記載される方法は、本発明に係る磁性ナノチューブを生産するために使用される。また、本発明にしたがって生産された磁性ナノチューブの２つの実施形態において得られた測定結果が示されている。
細胞内磁性ナノ結晶を生産する様々な種類の細菌の中から、抽出された細菌由来磁性ナノ結晶をペプチドナノチューブ上に固定化するためのモデルとして、Magnetospirillum magneticum strain AMB-1が選択された。細菌は、Ｙａｎｇ，Ｃ．Ｄ．らに記載されているように、８リットルの発酵槽で嫌気的に生育された。
松永是らに記載されているように、培養細胞を破砕し、円筒状ネオジウム−ホウ素（Ｎｄ−Ｂ）を用いて、破砕された細胞分画から磁性ナノ結晶を収集し、上清を取り出す。収集された磁性ナノ結晶をｐＨが約７のＨＥＰＥＳバッファーで１０回洗浄した。精製されたナノ結晶をＨＥＰＥＳに懸濁させた（１ｍｇ／ｍｌ）。M. magneticum strain AMB-1は、平均粒径が７０ｎｍのＦｅ３Ｏ４（マグネタイト）ナノ結晶を生産した。
ｐＨが約７のバッファー溶液（１００μＬ）中の細菌由来磁性ナノ結晶を、２００μＬのペプチドナノチューブ溶液と混合させた。ペプチドナノチューブは、当業者に良く知られている手段（松井宏らに記載されている手段など）によって合成された。
４℃で４８時間インキュベートした後、図２Ａに示されるように、細菌由来磁性ナノ結晶をナノチューブ表面上に固定化させた。細菌由来磁性ナノ結晶は、ペプチドナノチューブの表面に均一にコーティングされた。図２Ａの透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）に示されるように、細菌由来磁性ナノ結晶はペプチドナノチューブ上に集合し、ナノ結晶によってコーティングされたナノチューブの直径は、元のナノチューブの直径よりも大きくなった。
細菌由来磁性ナノ結晶溶液をバッファー溶液で１０倍に希釈してからペプチドナノチューブ溶液中でインキュベートした以外は、上述の手順を繰り返すことにより、細菌由来磁性ナノ結晶の接触がペプチドナノチューブの内側に限定された。この場合、図２Ｂに示されるように、ナノ結晶は直鎖状に配列した。この条件においては、得られた磁性ナノチューブの総数のうち６０％は、ナノチューブの内側に細菌由来磁性ナノ結晶を包含し、残りの４０％は内側に磁性ナノ結晶を包含していなかった。
外側および内側にコーティングされた磁性ナノチューブの磁性特性は、振動サンプルマグネトメータ（ＶＳＭ）を用いて室温で０．５Ｔの磁束密度μ０Ｈを付加することにより同定された。当業者に良く知られているように、μ０は真空における透磁率であり、ＳＩ単位系を用いると４πｘ１０−７ＷｂＡ／ｍである。磁化の指標であるＭは単位Ａ・ｍであり、２つの溶媒の間で識別可能な相違がない場合に、バッファー溶液中で測定された。図３Ａにおいて線７２で示されるヒステリシスループは、磁性ナノ結晶が少なくとも外表面上に固定化された状態の磁性ナノチューブのサンプルより得られた（図２Ａ参照）。保磁力Ｈｃの値および直角度Ｍｒ／Ｍｓの値がヒステリシスループより抽出され、ここで、Ｍｒは残留磁化であり、Ｍｓは飽和磁化である。残留磁化は磁場が付加されていない場合（すなわちμ０Ｈ＝０の場合）の磁化の値であり（図３Ａおよび図３Ｂのプロットにおいてテスラで表示される）、図３Ａに示されるプロットの中心周辺の拡大図である図３Ｂに最も良く示されている。保磁力Ｈｃは、逆向きの磁場を付加した場合の磁性ナノチューブの抵抗値であり、図３Ｂに最も良く示されるように、測定された純磁化Ｍが０の場合（すなわちＭ／Ｍｓ＝０）におけるμ０Ｈの値に相当する。図３Ｂに最も良く示されるように、本発明に係る本実施形態の磁性ナノチューブは、Ｈｃ＝５．４ｍＴでＭｒ／Ｍｓ＝０．１０というかなりの強磁性を有する。
これに対して、内側のみに磁性ナノ結晶を包含する磁性ナノチューブサンプルの磁性挙動（図２Ｂ参照）は、図３Ａおよび図３Ｂにおいて線７４で示されるように、より大きい保磁力および直角度の値（Ｈｃ＝８．１ｍＴおよびＭｒ／Ｍｓ＝０．３２）を示した。
ナノチューブの内表面にのみ組織化されたナノ結晶の直鎖によって得られた、より大きなＨｃ値およびＭｒ／Ｍｓ値は、ナノ結晶の直鎖状集合体が磁気静電的に結合する一方、ナノ結晶の直鎖状集合体が個々の粒子としてよりもむしろ磁性ナノワイヤとして挙動することを示唆している。したがって、この簡便なバイオナノテクノロジー的アプローチにより、通常の合成手段によって製造されたナノチューブでは得られない特徴を有する磁性ナノチューブを合成することができる。
図１は、本発明に係る磁性ナノチューブの製造方法の図示説明である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係る磁性ナノチューブの透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）であり、細菌由来磁性ナノ結晶が、本発明にしたがって形成されたペプチドナノチューブの内表面および外表面の両方を覆っている（注：スケールバー＝１５０ｎｍ）。 図２Ｂは、本発明の別の実施形態に係る磁性ナノチューブの透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）であり、細菌由来磁性ナノ結晶が、本発明にしたがって形成されたペプチドナノチューブの内表面のみを実質的に覆っている（注：スケールバー＝１５０ｎｍ）。 図３Ａは、図２Ａの実施形態にしたがって形成されたナノチューブの磁性特性と、図２Ｂの実施形態にしたがって形成されたナノチューブの磁性特性とを比較するヒステリシス曲線プロットである。 図３Ｂは、図３Ａのプロットの中心（０，０）周辺の拡大プロットである。

Claims (24)

  1. 細菌由来磁性ナノ結晶の各々が、タンパク質を含む外層を有する複数の細菌由来磁性ナノ結晶を準備する工程と、
    内表面および外表面を有し、前記細菌由来磁性ナノ結晶を吸収可能な少なくとも１つのペプチドナノチューブを準備する工程と、
    前記少なくとも１つのペプチドナノチューブを、前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部に接触させる工程と、
    を含む、磁性ナノチューブの製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記少なくとも１つのペプチドナノチューブを準備する工程は、ペプチド双頭型両親媒性物質の自己組織化により、前記少なくとも１つのペプチドナノチューブを生成する工程を含む、磁性ナノチューブの製造方法。
  3. 請求項１において、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶を準備する工程はさらに、
    磁性細菌を嫌気的に生育させて、前記細菌由来磁性ナノ結晶を合成する工程と、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶を抽出する工程と、
    を含み、
    前記抽出する工程は、
    培養細胞を破砕する工程と、
    カラム内で磁石を用いて前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶を収集する工程と、
    前記カラム内に形成された、前記細菌由来磁性ナノ結晶の懸濁液を含む上清を取り出す工程と、
    を含む、磁性ナノチューブの製造方法。
  4. 請求項３において、
    前記細菌は、Magnetospirillum magnetotactium MS-1、Magnetospirillum gryphiswaldense、およびMagnetospirillum magneticum AMB-1を含む群から選ばれる、磁性ナノチューブの製造方法。
  5. 請求項２において、
    前記ペプチド双頭型両親媒性物質は、ビス（Ｎ−α−アミド−グリシルグリシン）−１，７−ヘプタンジカルボキシレートを含む、磁性ナノチューブの製造方法。
  6. 請求項１において、
    前記接触させる工程は、
    前記少なくとも１つのペプチドナノチューブを含むペプチドナノチューブ溶液を作製する工程と、
    バッファーと所定濃度の前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶とを含むナノ結晶溶液を作製する工程と、
    前記ナノ結晶溶液における前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の濃度を最適化する工程と、
    前記ナノ結晶溶液と前記ナノチューブ溶液とを混合する工程と、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部が前記少なくとも１つのペプチドナノチューブの少なくとも一表面に接触するまで、前記ペプチドナノチューブ溶液とともに前記ナノ結晶溶液をインキュベートする工程と、
    を含む、磁性ナノチューブの製造方法。
  7. 請求項６において、
    前記インキュベートする工程は、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部を前記少なくとも１つのペプチドナノチューブの内表面に選択的に包含させる工程を含み、
    前記最適化する工程はさらに、
    細菌由来磁性ナノ結晶を最適濃度に希釈する工程を含み、
    前記最適濃度は、前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部が前記少なくとも１つのペプチドナノチューブの内表面に包含され、かつ、前記外表面に接触する前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶が存在しないことによって特徴付けられる、磁性ナノチューブの製造方法。
  8. 請求項７において、
    前記最適濃度によって、前記混合する工程における前記ペプチドナノチューブに対する前記ナノ結晶の比（ナノ結晶：ペプチドナノチューブ）を２７：１〜５６：１の範囲にする、磁性ナノチューブの製造方法。
  9. 請求項６において、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部は、前記少なくとも１つのペプチドナノチューブの外表面に固定化され、
    前記最適濃度によって、前記混合する工程における前記ペプチドナノチューブに対する前記ナノ結晶の比（ナノ結晶：ペプチドナノチューブ）を５５０：１〜２８００：１の範囲にする、磁性ナノチューブの製造方法。
  10. 請求項６において、
    前記バッファーは、５〜９の範囲にあるｐＨによって特徴付けられる、磁性ナノチューブの製造方法。
  11. 請求項７において、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の少なくとも一部が、前記少なくとも１つのペプチドナノチューブの内表面に包含されて、該少なくとも１つのペプチドナノチューブの内表面に直鎖が配列形成される、磁性ナノチューブの製造方法。
  12. 細菌由来磁性ナノ結晶の各々が、タンパク質を含む外層を有する複数の細菌由来磁性ナノ結晶と、
    内表面および外表面を有し、前記細菌由来磁性ナノ結晶を吸収可能であって、ペプチド双頭型両親媒性物質の自己組織化によって生成されたペプチドを含むペプチドナノチューブと、を含み、
    前記ペプチドナノチューブの内表面および外表面のうち少なくとも一方において、前記細菌由来磁性ナノ結晶の外層のタンパク質と、前記ペプチドとが、結合している、磁性ナノチューブ。
  13. 請求項１２において、
    前記内表面および外表面のうち少なくとも一方は内表面であり、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶は配列して、前記ペプチドナノチューブの内表面に直鎖が形成される、磁性ナノチューブ。
  14. 請求項１２において、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶は、Magnetospirillum magnetotactium MS-1、Magnetospirillum gryphiswaldense、およびMagnetospirillum magneticum AMB-1を含む群から選ばれる細菌によって合成される、磁性ナノチューブ。
  15. 請求項１２において、
    前記複数の細菌由来磁性ナノ結晶の各々は球状であり、５０〜１００ナノメーターの範囲の平均径を有する、磁性ナノチューブ。
  16. 請求項１２において、
    前記細菌由来磁性ナノ結晶は、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）およびグレイジャイト（Ｆｅ３Ｓ４）のうち少なくとも１つを含む、磁性ナノチューブ。
  17. 請求項１２において、
    磁性ナノワイヤとしての用途に適応させた、磁性ナノチューブ。
  18. 請求項１２において、
    強磁性体として特徴付けられ、少なくとも４ｍＴの磁場を展開する、磁性ナノチューブ。
  19. 請求項１２において、
    細胞分離システム、生物学的アッセイシステム、および酵素回収システムのうち少なくとも１つの用途に適応させた、磁性ナノチューブ。
  20. 請求項１２において、
    細胞操作の用途に適応させた、磁性ナノチューブ。
  21. 請求項１２において、
    ペプチド、第２タンパク質、酵素、抗体、細胞、ＤＮＡ、遺伝子、ウイルス、細菌、病原体、および膜を含む群から選ばれる少なくとも１つの生物材料をさらに含み、
    前記少なくとも１つの生物材料は、前記ペプチドナノチューブの内表面および外表面のうち少なくとも一方に付着する、磁性ナノチューブ。
  22. 請求項２１において、
    前記生物材料は細胞を含み、
    前記細胞は異常細胞であり、
    細胞操作の用途に適応され、複数の正常細胞から前記異常細胞を分離するのに使用される、磁性ナノチューブ。
  23. 請求項１２において、
    前記内表面および外表面のうち少なくとも１つに付着させた薬剤および遺伝子の一方をさらに含み、
    薬剤伝達システムおよび遺伝子伝達システムの一方の用途に適応され、
    磁場は、前記薬剤および前記遺伝子の一方を所望の位置へと導く、磁性ナノチューブ。
  24. 請求項１２において、
    磁気共鳴撮像システムの用途に適応させた、磁性ナノチューブ。
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