JP4767654B2 - 分子伝送・分子配送システムおよび分子伝送・分子配送方法 - Google Patents
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Description
本発明は、所望の分子を目的地まで輸送し、目的地で輸送されてきた分子を分離することのできる分子伝送・分子配送システムに関する。
紫外線の照射や電子ビームによる直接描画等によって微細なパターン形成を行ったガラスやプラスチック等の基板流路上に、キネシンやミオシン等のモーター蛋白質を固定化すると、モーター蛋白質と相互作用する微小管やアクチンフィラメントをパターニングした流路に沿って滑走運動させられることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このように滑走運動する微小管表面をビオチン化し、表面をストレプトアビジン化したマイクロビーズ等の荷物分子とビオチン−アビジン結合させることによって、荷物分子を微小管に積載して輸送できることも知られている（例えば、非特許文献２参照）。
しかしながら、ビオチン−アビジン結合は、生物システムにおける相互作用では最も高いアフィニティを有するものの１つであることが広く知られており、荷物分子を微小管に積載して輸送することができても、荷物分子を微小管から積み降ろすことは、本質的に不可能である。
一方、ゲスト分子を包接・徐放する機能を持つシクロデキストリンをビオチン化し、ストレプトアビジンを介してビオチン化した微小管と結合させることで、微小管の滑走運動能を維持したまま、シクロデキストリンのゲスト分子としての荷物分子を可逆的に積み降ろすことを可能とするシステム構想が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。しかし、シクロデキストリンに包接された荷物分子を徐放するには、紫外線照射等の外部刺激を必要とするため、外部からの制御に頼らないシステムとして自律動作させることは困難である。また、外部制御の導入によるシステム制御の複雑化や、システム全体のスケールが巨大化してしまうという問題がある。
Y. Hiratsuka, et al., "Controlling the Direction of Kinesin-driven Microtubule Movements along Microlithographic Tracks," Biophysical Journal, vol.81, pp.1555-1561, Sep. 2001. H. Hess, et al., "Light-controlled Molecular Shuttles Made from Motor Proteins Carrying Cargo on Engineered Surfaces," Nano Letters, vol.1, no.5, pp.235-239, 2001. K. Kato, et al., "Microtubule-cyclodextrin Conjugate: Functionalization of Motile Filament with Molecular Inclusion Ability," Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, vol.69, no.3, pp.646-648, Mar. 2005.
Y. Hiratsuka, et al., "Controlling the Direction of Kinesin-driven Microtubule Movements along Microlithographic Tracks," Biophysical Journal, vol.81, pp.1555-1561, Sep. 2001. H. Hess, et al., "Light-controlled Molecular Shuttles Made from Motor Proteins Carrying Cargo on Engineered Surfaces," Nano Letters, vol.1, no.5, pp.235-239, 2001. K. Kato, et al., "Microtubule-cyclodextrin Conjugate: Functionalization of Motile Filament with Molecular Inclusion Ability," Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, vol.69, no.3, pp.646-648, Mar. 2005.
そこで、本発明は、滑走運動するキャリア分子に所望の分子を積載して目的地まで輸送し、目的地でその分子を積み降ろす一連の動作を、外部からの制御を導入することなく自律的に行うことのできる分子伝送・分子配送システムを実現することを課題とする。
上記課題を実現するために、本発明では、キャリア分子（微小管ないしはアクチンフィラメント）の滑走運動能力を維持したまま、キャリア分子に一本鎖ヌクレオチド（牽引用の一本鎖ヌクレオチド）を生化学的に結合する。一方、荷物分子には、キャリア分子に結合した一本鎖ヌクレオチドよりも長い鎖長を持つ一本鎖ヌクレオチド（積載用の一本鎖ヌクレオチド）を生化学的に結合する。荷物分子の一本鎖ヌクレオチドは、キャリア分子に結合した一本鎖ヌクレオチドの相補鎖となって二本鎖を形成することができるように設計されている。
これにより、牽引用の一本鎖ヌクレオチドを結合したキャリア分子が、積載用の一本鎖ヌクレオチドを結合した荷物分子の近傍を滑走運動すると、これら一本鎖ヌクレオチド間で二本鎖形成反応が生じ、荷物分子がキャリア分子に積載される。一本鎖ヌクレオチド間で生じるこの二本鎖形成反応は、エネルギー状態遷移に基づく自然な生化学反応系であり、外部からの制御を必要としない。荷物分子を積載したキャリア分子は、パターニングした流路に沿ってモーター蛋白質上を滑走運動し、荷物分子は目的地まで輸送される。
目的地の流路上には、荷物分子に結合した一本鎖ヌクレオチドの相補鎖となって二本鎖を形成することができ、かつ、荷物分子に結合した一本鎖ヌクレオチドと同一の鎖長を持つ一本鎖ヌクレオチド（積み降ろし用の一本鎖ヌクレオチド）が、生化学的に結合されている。これにより、荷物分子を積載、牽引するキャリア分子が、積み降ろし用の一本鎖ヌクレオチドを結合した目的地の近傍を滑走運動すると、荷物分子に結合した一本鎖ヌクレオチドと目的地に結合した一本鎖ヌクレオチドとの間で、より安定した二本鎖形成反応が生じ、荷物分子とキャリア分子との間の二本鎖が解離し、荷物分子がキャリア分子から積み降ろされる。
より具体的には、本発明の第１の側面では、分子伝送・分子配送システムを提供する。このシステムは、
（ａ）ヌクレオチドの二本鎖形成能を利用してキャリア分子に荷物分子を積載する積載ゾーンと、
（ｂ）目的地において、ヌクレオチドの二本鎖形成能および解離作用を利用して、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろす積み降ろしゾーンと
を含む。
（ａ）ヌクレオチドの二本鎖形成能を利用してキャリア分子に荷物分子を積載する積載ゾーンと、
（ｂ）目的地において、ヌクレオチドの二本鎖形成能および解離作用を利用して、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろす積み降ろしゾーンと
を含む。
良好な構成例では、キャリア分子には、第１の鎖長を有する第１のヌクレオチド一本鎖を含む牽引用ヌクレオチド鎖が結合され、荷物分子には、第１の鎖長よりも長い第２の鎖長を有する第２のヌクレオチド一本鎖が結合されており、積載ゾーンで、第１のヌクレオチド一本鎖と、第２のヌクレオチド一本鎖の一部とが二本鎖を形成することによって、キャリア分子に荷物分子が積載される。
良好な構成例では、分子伝送・分子配送システムはまた、表面にモーター蛋白質が固定された伝送路をさらに含む。この場合、キャリア分子は、伝送路に沿って移動する。
良好な構成例では、目的地である積み降ろしゾーンには、第２のヌクレオチド一本鎖と同じ鎖長の第３のヌクレオチド一本鎖が固定されている。
さらに別の構成例として、キャリア分子、荷物分子、積み降ろしゾーンに結合されるヌクレオチド鎖の少なくとも一つは、二本鎖から成る基部と、一本鎖から成る端部とを有し、基部における二本鎖が解離する温度は、端部に形成される二本鎖が解離する温度よりも高く設定されている。
第２の側面では、分子伝送・分子配送方法を提供する。この方法は、
（ａ）伝送路に固定されたモーター蛋白質上を滑走運動するキャリア分子に、第１の鎖長を有する第１のヌクレオチド一本鎖を含む牽引用ヌクレオチド鎖を結合し、
（ｂ）前記第１の鎖長よりも長い第２の鎖長を有する第２のヌクレオチド一本鎖が結合された荷物分子を、前記伝送路に導入し、
（ｃ）前記第１のヌクレオチド一本鎖と、第２のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖形成能を利用して、前記キャリア分子に荷物分子を積載し、
（ｄ）前記伝送路に沿って荷物分子を目的地まで配送する。
（ａ）伝送路に固定されたモーター蛋白質上を滑走運動するキャリア分子に、第１の鎖長を有する第１のヌクレオチド一本鎖を含む牽引用ヌクレオチド鎖を結合し、
（ｂ）前記第１の鎖長よりも長い第２の鎖長を有する第２のヌクレオチド一本鎖が結合された荷物分子を、前記伝送路に導入し、
（ｃ）前記第１のヌクレオチド一本鎖と、第２のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖形成能を利用して、前記キャリア分子に荷物分子を積載し、
（ｄ）前記伝送路に沿って荷物分子を目的地まで配送する。
良好な構成例では、積み降ろしゾーンにおいて、第１のヌクレオチド一本鎖と二本鎖を形成していない部分の第２のヌクレオチド一本鎖と、積み降ろしゾーンに固定された第３のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖の形成をトリガとして、キャリア分子から荷物分子を積み降ろす。
本発明によれば、滑走運動するキャリア分子に荷物分子を積載して目的地まで輸送し、目的地で荷物分子を積み降ろす一連の動作を、外部からの制御を導入することなく自律的に行うことができる。
以下、本発明の良好な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。以下の実施例においては、キャリア分子として微小管を用い、一本鎖ヌクレオチドとして一本鎖デオキシリボ核酸（ssＤＮＡ）を、モーター蛋白質としてキネシンを利用する場合を例に取って説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る分子伝送・分子配送システムの全体図である。このシステムは、表面にモーター蛋白質（キネシン）１１が固定された伝送路（流路）１０と、モーター蛋白質１１上を滑走するキャリア分子（微小管）２０と、キャリア分子２０に荷物分子３０を積載する積載ゾーン５０と、キャリア分子２０から所定の荷物分子３０を積み降ろす積み降ろしゾーン４０を含む。
キャリア分子である微小管２０には、牽引用の第１の一本鎖ヌクレオチド（短いssＤＮＡ）２１が結合されている。
荷物分子３０には、第１の一本鎖ヌクレオチドよりも長い第２の一本鎖ヌクレオチド（長いssＤＮＡ）３１が結合されている。このssＤＮＡ３１の一部は、微小管２０に結合された短いssＤＮＡ２１の相補鎖となって二本鎖を形成することができるように設計されている。
積み降ろしゾーン４０には、荷物分子３０に結合した第２のssＤＮＡ３１と同じ鎖長を有し、かつ、第２のssＤＮＡ３１の相補鎖となって二本鎖を形成することができる第３の一本鎖ヌクレオチド（長いssＤＮＡ）４１が結合されている。
伝送路（流路）１０は、ガラスやプラスチック等の基板１に、紫外線の照射や電子ビームによる直接描画等によって、ナノメータ（ｎｍ）スケールからマイクロメータ（μｍ）スケールの微細なパターンを形成することで、作製することができる。図１の例では、説明を容易なものとするために、単一のサークル状の流路を示しているが、本発明はこれに限定されず、所望の回路形状にパターニングすることができる。
パターニングされた流路１０上には、モーター蛋白質としてキネシン１１が塗布され、固定されている。キネシン１１は、ブタ脳等から採取・精製した野生型であってもよいし、ショウジョウバエやラット等に由来するモーター蛋白質発現プラスミドを大腸菌等にて発現・精製したリコンビナント型であってもよい。キネシン１１を流路１０に固定化するための方法は様々知られているが、例えば、リコンビナント型キネシンであれば、その尾部をビオチン化し、流路１０の表面と結合し易い性質を持つＢＳＡ等の蛋白質をビオチン化してストレプトアビジンを介することで結合・固定化できる。なお、パターニングされた流路１０内は、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）やマグネシウムイオンほか、キネシン１１の駆動に必要な成分が溶け込んだ水溶液で満たされている。
パターニングされた流路１０に固定化されたキネシン１１上を滑走運動する微小管２０には、上述したように、第１のssＤＮＡ２１を、生化学的に結合する。微小管２０とssＤＮＡ２１とを結合する方法は様々考えられる。例えば、微小管２０のカルボキシル基と、５’末端ないしは３’末端をアミノ化したssＤＮＡ２１とを、架橋剤で化学的に結合してもよいし、微小管２０のアミノ基と、５’末端ないしは３’末端をチオール化したssＤＮＡ２１とを、架橋剤で化学的に結合してもよい。あるいは、ビオチン化した微小管２０と、５’末端ないしは３’末端をビオチン化したssＤＮＡ２１とを、ストレプトアビジンを介して結合してもよい。
第１のssＤＮＡ２１の鎖長は任意であるが、本実施例では１２塩基とする。なお、第１のssＤＮＡ２１の塩基配列は任意のもので構わないが、ヘアピンループ構造等の閉環を形成しないように、また、二本鎖形成反応が室温で生じるように選択するのが望ましい。
荷物分子３０には、第２のssＤＮＡ３１を生化学的に結合する。この第２のssＤＮＡ３１は、微小管２０に結合した第１のssＤＮＡ２１の相補鎖となって、二本鎖を形成することができ、かつ、微小管２０に結合した第１のssＤＮＡ２１よりも長い鎖長を持つ。本実施例では、第２のssＤＮＡ３１の鎖長を、例えば３２塩基とする。荷物分子３０とssＤＮＡ３１を結合する方法として、微小管２０と第１のssＤＮＡ２１を結合する方法と同様に、架橋剤の利用やビオチン−アビジン結合を利用することができる。
荷物分子３０は人工的に合成した分子であってもよいし、生体由来の分子であってもよい。図１の例では、２種類の荷物分子３０Ａ、３０Ｂを微小管２０に積載し、それぞれ対応する積み降ろしゾーン４０Ａ、４０Ｂで積み降ろすこととする。なお、各荷物分子３０Ａ、３０Ｂには、後述するように、異なる塩基配列の長いssＤＮＡ３１Ａ、３１Ｂがそれぞれ結合されている。
第１のssＤＮＡ３１を結合した荷物分子３０は、外部から注入・滴下される等して、流路１０内の積載ゾーン５０に置かれる。図１においては、積載ゾーン５０が一箇所しか示されていないが、複数箇所あってもよい。短い第１のssＤＮＡ２１を結合した微小管２０が、第２の長いssＤＮＡ３１を結合した荷物分子３０の近傍を滑走運動すると、第１のssＤＮＡ２１と、第２のssＤＮＡ３１の間で二本鎖形成反応が生じ、荷物分子３０が微小管２０に積載される。
図２は、微小管２０に積載された荷物分子３０Ａの一例を示す。微小管２０に結合された１２塩基のssＤＮＡ２１と、荷物分子３０Ａに結合された３２塩基のssＤＮＡ３１Aのうちの１２塩基とが二本鎖を形成することで、荷物分子３０Ａが微小管２０に積載され、牽引される。微小管２０に結合された第１のssＤＮＡ２１と、これと相補鎖を形成する荷物分子３０Ａに結合された第２のssＤＮＡ３１Ａの一部分（たとえば３’末端側の１２塩基）の塩基配列は、アデニン（Ａ）とチミン（Ｔ）、グアニン（Ｇ）とシトシン（Ｃ）とが組み合わさるように設計されており、ssＤＮＡ間で生じるこの二本鎖形成反応は、より安定な二本鎖を形成しようとするエネルギー状態遷移に基づく自然な生化学反応系であり、外部からの制御を必要としない。
微小管２０の滑走運動速度は、この二本鎖形成反応速度よりも低くする必要があるが、微小管２０に結合する第１のssＤＮＡ２１の本数や鎖長、水溶液中のＡＴＰ濃度を調節することで対応できる。
荷物分子３０Ａに結合する第２のssＤＮＡ３１Ａの長さＬ２は、微小管２０に結合する第１のssＤＮＡ２１の長さＬ１よりも長い（Ｌ１＜Ｌ２）。さらに好ましくは、第２のssＤＮＡ３１Ａのうち、第１のssＤＮＡ２１との相補鎖の形成に寄与しない部分の鎖長Ｌ３は、相補鎖の形成に寄与する部分の鎖長Ｌ１よりも長い（Ｌ１＜Ｌ３）。これは、後述するように、積み降ろしゾーン４０Ａでの第３のssＤＮＡ４１Ａとの二本鎖形成反応への移行を容易にするためのものである。
図１に戻って、荷物分子３０Ａを積載した微小管２０は、パターニングした流路１０に沿ってキネシン１１上を滑走運動し、荷物分子３０Ａを目的地まで輸送する。目的地となる積み降ろしゾーン４０Ａの流路上には、荷物分子３０Ａに結合した第２のssＤＮＡ３１Ａの相補鎖となって二本鎖を形成することができ、かつ、第２のssＤＮＡ３１Ａと同一の鎖長を持つ第３のssＤＮＡ４１Ａが生化学的に結合されている。本実施例では、第３のssＤＮＡ４１Ａの鎖長は３２塩基となる。
流路１０上への第３のssＤＮＡ４１Ａの結合・固定化には、多数のＤＮＡ断片をアレイ状に高密度で整列配置するＤＮＡチップの技術を採用できる。荷物分子３０Ａを積載した微小管２０が、第３のssＤＮＡ４１Ａを結合した目的地（積み下ろしゾーン４０Ａ）の近傍を滑走運動すると、荷物分子３０Ａに結合された第２のssＤＮＡ３１Ａのうち、二本鎖を形成せずに一本鎖のままの２０塩基（５’末端側の２０塩基）と、積み降ろしゾーン４０Ａに結合された第３のssＤＮＡ４１Ａとの間に生じる二本鎖形成反応が引き金となって、３’末端側の１２塩基も微小管２０に結合された第１のssＤＮＡ２１との二本鎖を解いて、目的地（積み降ろしゾーン）４０Ａに結合された第３のssＤＮＡ４１Ａとの二本鎖の形成へと移行する。この結果、荷物分子３０Ａが微小管２０から積み降ろされる。
この積み降ろし動作は、一本鎖部分を有する不安定なエネルギー状態を含む牽引状態から、完全に二本鎖を形成する最も安定なエネルギー状態となる積み降ろし状態への移行を促す生化学的な力と、キネシンが微小管を滑走運動させる物理的な力とが組み合わさって実現される。
図３は、微小管２０から積み降ろしゾーン４０Ａに積み降ろされた荷物分子３０Ａを示す。積み降ろしゾーン４０Ａに結合された３２塩基の第３のssＤＮＡ４１Ａと、荷物分子３０Ａに結合された３２塩基の第２のssＤＮＡ３１Ａとが完全に二本鎖を形成し、荷物分子３０Ａは、完全に微小管２０から積み降ろされている。荷物分子３０Ａを積み降ろした微小管２０は、そのまま滑走運動を続け、流路１０を循環して積載ゾーン５０で新たな荷物分子を積載することができる。
また、図１に示すように、目的地となる積み降ろしゾーンは複数箇所あってもよい。その場合、異なる積み降ろしゾーン同士では、異なる塩基配列の第３のssＤＮＡを流路１０上に固定化する。
図４に、微小管２０に異なる種類の荷物分子３０Ｂを積載し、積み降ろしゾーン４０Ｂで積み降ろす場合の、第２のssＤＮＡ３１Ｂと、第３のssＤＮＡ４１Ｂの例を示す。荷物分子３０Bに結合された第２のssＤＮＡ３１Ｂは、荷物分子３０Ａに結合された第２のssDNＡ３１Ａと異なる塩基配列を有する。したがって、積み降ろしゾーン４０Ａに結合された第３のssＤＮＡ４１Ａの相補鎖とはならず、二本鎖を形成することができない。そのため、積み降ろしゾーン４０Ａでは、荷物分子３０Bの積み降ろしは行われない。一方、荷物分子３０Ｂに結合された第２のssＤＮＡ３１Ｂは、積み降ろしゾーン４０Bに結合された第３のssＤＮＡ４１Ｂの相補鎖となり、二本鎖を形成することができ、積み降ろしゾーン４０Bで荷物分子３０Ｂの積み降ろしが行われる。このようにして、複数種類の荷物分子を、対応する目的地ごとに振り分けて、キャリア分子から積み降ろすことができる。
図４の例では、短いssＤＮＡ２１を結合した一種類の微小管２０を用いて、異なる荷物分子３０Ａ、３０Ｂを輸送しているが、異なる塩基配列の第１のssＤＮＡ２１Ａ、２１Ｂを結合した２種類の微小管２０Ａ、２０Ｂを用いて、積載ゾーン５０から荷物分子の振り分けを行なってもよい。
（変形例）
図５は、微小管２０に結合される牽引用ヌクレオチド鎖２１の変形例を示す。上述した実施例では、一本鎖であるssＤＮＡ２１を微小管に結合する例を示したが、微小管２０との結合側が、二本鎖となっているＤＮＡを結合させてもよい。図５の例では、微小管２０との結合側の１２塩基は二本鎖を形成し（基部二本鎖２１ａ）、端部側の１２塩基は、一本鎖となっている（端部一本鎖２１ｂ）。端部の一本鎖２１ｂで、荷物分子３０に結合したssＤＮＡ３１と二本鎖の形成・解除を行うことで、荷物分子３０の積み降ろしを行う。このような構成を採用して、微小管２０の結合側の二本鎖の塩基数を調節することで、微小管２０の本体と、荷物分子３０のssＤＮＡ３１と二本鎖を形成することになる端部のssＤＮＡ２１ｂとの距離を任意に調整することが可能となる。
（変形例）
図５は、微小管２０に結合される牽引用ヌクレオチド鎖２１の変形例を示す。上述した実施例では、一本鎖であるssＤＮＡ２１を微小管に結合する例を示したが、微小管２０との結合側が、二本鎖となっているＤＮＡを結合させてもよい。図５の例では、微小管２０との結合側の１２塩基は二本鎖を形成し（基部二本鎖２１ａ）、端部側の１２塩基は、一本鎖となっている（端部一本鎖２１ｂ）。端部の一本鎖２１ｂで、荷物分子３０に結合したssＤＮＡ３１と二本鎖の形成・解除を行うことで、荷物分子３０の積み降ろしを行う。このような構成を採用して、微小管２０の結合側の二本鎖の塩基数を調節することで、微小管２０の本体と、荷物分子３０のssＤＮＡ３１と二本鎖を形成することになる端部のssＤＮＡ２１ｂとの距離を任意に調整することが可能となる。
すなわち、荷物分子３０に結合するssDNAと、微小管２０に結合するssDNAとが二本鎖を形成するためには、互いにある程度近接する必要があるが、積み降ろしの関係で、微小管２０に結合されるssDNA２１の長さは、荷物分子３０に結合するssＤＮＡ３１の長さよりも短く設定しなければならない。しかし、荷物分子３０と微小管２０自体が近接しすぎると、荷物分子３０と微小管２０の双方の動きが制限され、モーター蛋白質であるキネシン１１上での滑走動作の妨げとなる可能性がある。
そこで、微小管２０の結合側を安定な基部二本鎖２１ａとすることで、荷物分子３０との連結に寄与する端部側の一本鎖２１ｂの長さを長くしすぎることなく、微小管２０と荷物分子３０との間の距離を適切に保つことができる。また、微小管２０の端部一本鎖２１ｂを適切な鎖長とすることで、荷物分子３０側のssＤＮＡ３１を不必要に長くする必要がなくなる。ssDNAは本来不安定であるため、過度に長いssＤＮＡを結合することは望ましくない。
なお、周知のように、ＤＮＡの塩基配列の長さと、グアニン（Ｇ）およびシトシン（Ｃ）が塩基配列中に含まれる割合によって、ＤＮＡが二本鎖を解離する反応が起きる温度、すなわち二本鎖が熱変性して一本鎖になる温度Ｔｍ（melting temperature）が異なる。図５において、端部一本鎖２１ｂを構成する１２塩基のうち、ＧＣの数は２個なので、ＧＣ含有率は１７％となる。この場合の解離温度（Ｔｍ）は、約２６℃である。
そうすると、流路１０内の溶液温度が２６℃よりも若干低めの２５℃前後であれば、積み降ろしゾーン４０まで荷物分子３０を安定して牽引するとともに、積み降ろしゾーン４０においては、荷物分子３０に結合するssＤＮＡ３１の５’末端側の２０塩基と、積み降ろし用の第３のssＤＮＡ４１との二本鎖の形成をトリガとして、荷物分子３０のssＤＮＡ３１の３’末端側の１２塩基と微小管２０の端部一本鎖２１ｂとの二本鎖の解離を、容易にすることができる。
実際、微小管２０に結合する短いssＤＮＡ２１（あるいは端部一本鎖２１ｂ）のＴｍが室温（２５℃前後）になるように塩基配列を設計するのが望ましい。温度が高すぎるとキネシンなどの蛋白質が変性し、低すぎる場合は微小管が分解（脱重合）してしまうからである。
逆に、形成された二本鎖を解離させたくない場合は、Ｔｍが高くなるように塩基配列を設計する。したがって、図５の微小管２０に結合する基部二本鎖２１ａは、荷物分子の積載および積み降ろしに寄与しない部分なので、１２塩基に対するＧＣ含有率が７５％、すなわちＴｍが５０℃程度となるように設計されている。つまり、流路１０内の溶液温度が５０℃を超えない限り、基部二本鎖２１ａは解離しない。
このように、微小管２０に結合するＤＮＡの基部二本鎖２１ａと端部一本鎖２１ｂの塩基配列を適切に設計することで、荷物分子３０の積載、牽引、積み降ろしを信頼性よく行なうことができる。
なお、図５のような基部二本鎖と端部一本鎖とを有する鎖構造は、キャリア分子としての微小管２０に結合される牽引用ヌクレオチド鎖への適用に限定されず、荷物分子に結合される積載用ヌクレオチド鎖３１、あるいは積み降ろしゾーン４０に結合される積み降ろし用ヌクレオチド鎖４１に適用されてもよい。すなわち、キャリア分子２０、荷物分子３０、積み降ろしゾーン４０に結合されるヌクレオチド鎖の少なくとも一つが、上記のような二本鎖の基部と一本鎖の端部とを有する構成であればよい。
以上の実施例では、キャリア分子として微小管２０を、モーター蛋白質としてキネシン１１を、一本鎖ヌクレオチドとしてssＤＮＡ２１、３１、４１を利用する場合を例に取って説明したが、以下のような形態であっても、同様の効果を得ることができる。
つまり、キャリア分子として微小管を利用する場合には、モーター蛋白質としてダイニンを利用してもよい。キャリア分子としてアクチンフィラメントを利用する場合には、モーター蛋白質としてミオシンを利用し、アクチンフィラメントのプラス端に結合したゲルゾリンを介して、ssＤＮＡをアクチンフィラメントに結合すればよい。また、キャリア分子２０、荷物分子３０、および目的地となる積み降ろしゾーン４０に結合する一本鎖ヌクレオチドの全部もしくは一部が、一本鎖リボ核酸（ssＲＮＡ）であってもよい。
本発明は、荷物分子を積載する送信側で、伝送したい情報をあらかじめ荷物分子に符号化し、荷物分子を積み降ろす受信側で、符号化された情報を復号化することで、荷物分子を情報伝達キャリアとした分子通信システムに応用することができる。この場合、例えば情報の符号化として、合成ＤＮＡや天然ＤＮＡを組み合わせて繋ぎ合わせて、伝送したい情報内容に対応した塩基配列を持つ一本鎖または二本鎖のＤＮＡを生成する、あるいは、伝送したい情報に対応した構造（ヘアピン構造やバルジ構造など）を持つ一本鎖または二本鎖のＤＮＡを生成する。後者の場合は、“０”のデジタル情報にはヘアピン構造を、“１”のデジタル情報にはバルジ構造をマッピングすることが考えられる。人工的なアナログ・ディジタル情報を符号化する他に、ＤＮＡが持つ生命情報そのものや、疾患細胞の治療用遺伝子などを情報として用いてもよい。
また、例えば集積化チップ上のポンプやバルブ、センサ、リアクター等の各機能コンポーネントにおいて荷物分子の積み降ろしを行うことで、荷物分子を試薬や試料としたマイクロチップ型の生化学分析・合成システムに応用することができる。この場合、モーター蛋白質が固定された流路を所望の形状にパターニングして、回路設計することができる。
１ 基板
１０ 流路
１１ モーター蛋白質（キネシン）
２０ キャリア分子（微小管）
２１ 牽引用ヌクレオチド鎖
２１ａ 基部二本鎖
２１ｂ 端部一本鎖
３０Ａ、３０Ｂ 荷物分子
３１Ａ、３１Ｂ 積載用一本鎖
４０Ａ、４０Ｂ 積み降ろしゾーン
４１Ａ、４１Ｂ 積み降ろし用一本鎖
５０ 積載ゾーン
１０ 流路
１１ モーター蛋白質（キネシン）
２０ キャリア分子（微小管）
２１ 牽引用ヌクレオチド鎖
２１ａ 基部二本鎖
２１ｂ 端部一本鎖
３０Ａ、３０Ｂ 荷物分子
３１Ａ、３１Ｂ 積載用一本鎖
４０Ａ、４０Ｂ 積み降ろしゾーン
４１Ａ、４１Ｂ 積み降ろし用一本鎖
５０ 積載ゾーン
Claims (11)
- ヌクレオチドの二本鎖形成能を利用してキャリア分子に荷物分子を積載する積載ゾーンと、
目的地において、ヌクレオチドの二本鎖形成能および解離作用を利用して、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろす積み降ろしゾーンと、
表面にモーター蛋白質が固定された伝送路と
を含み、前記キャリア分子は、前記伝送路に沿って移動し、
前記キャリア分子には、第１の鎖長を有する第１のヌクレオチド一本鎖を含む牽引用ヌクレオチド鎖が結合され、
前記荷物分子には、第１の鎖長よりも長い第２の鎖長を有する第２のヌクレオチド一本鎖が結合されており、
前記積載ゾーンで、前記第１のヌクレオチド一本鎖と、第２のヌクレオチド一本鎖の一部とが二本鎖を形成することによって、前記キャリア分子に荷物分子が積載され、
前記積み降ろしゾーンには、前記第２のヌクレオチド一本鎖と同じ鎖長の第３のヌクレオチド一本鎖が固定されている
ことを特徴とする分子伝送・分子配送システム。 - 前記積み降ろしゾーンにおいて、前記第２のヌクレオチド一本鎖のうち前記第１のヌクレオチド一本鎖と二本鎖を形成していない部分のヌクレオチド一本鎖と、前記第３のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖の形成をトリガとして、前記キャリア分子から荷物分子が積み降ろされることを特徴とする請求項１に記載の分子伝送・分子配送システム。
- 前記キャリア分子は、前記目的地において、当該目的地に結合された前記第２のヌクレオチド一本鎖と同じ長さの第３のヌクレオチド一本鎖と前記第２のヌクレオチド一本鎖との間の第２の二本鎖の形成、および、当該第２の二本鎖の形成をトリガとする前記第１の二本鎖の解離作用を利用して、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろすことを特徴とする請求項１に記載の分子伝送・分子配送システム。
- 前記キャリア分子、荷物分子、および積み降ろしゾーンに結合されるヌクレオチド鎖の少なくともひとつは、二本鎖から成る基部と、一本鎖から成る端部とを有し、
前記基部における二本鎖が解離する温度は、前記端部に形成される二本鎖が解離する温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の分子伝送・分子配送システム。 - 前記キャリア分子は、微小管またはアクチンフィラメントであることを特徴とする請求項１に記載の分子伝送・分子配送システム。
- 前記キャリア分子が微小管である場合は、前記モーター蛋白質はキネシンまたはダイニンであることを特徴とする請求項５に記載の分子伝送・分子配送システム。
- 前記キャリア分子がアクチンフィラメントである場合は、前記モーター蛋白質はミオシンであることを特徴とする請求項５に記載の分子伝送・分子配送システム。
- 伝送路に固定されたモーター蛋白質上を滑走運動するキャリア分子に、第１の鎖長を有する第１のヌクレオチド一本鎖を含む牽引用ヌクレオチド鎖を結合し、
前記第１の鎖長よりも長い第２の鎖長を有する第２のヌクレオチド一本鎖が結合された荷物分子を、前記伝送路に導入し、
前記第１のヌクレオチド一本鎖と、第２のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖形成能を利用して、前記キャリア分子に荷物分子を積載し、
前記伝送路に沿って荷物分子を目的地まで配送し、
前記目的地に、前記第２のヌクレオチド一本鎖と同じ鎖長を有する第３のヌクレオチド一本鎖をあらかじめ固定することを特徴とする分子伝送・分子配送方法。 - 前記積み降ろしゾーンにおいて、前記第１のヌクレオチド一本鎖と二本鎖を形成していない部分の第２のヌクレオチド一本鎖と、前記第３のヌクレオチド一本鎖との間の二本鎖の形成をトリガとして、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろすことを特徴とする請求項８に記載の分子伝送・分子配送方法。
- 前記キャリア分子、荷物分子、および積み降ろしゾーンに結合されるヌクレオチド鎖の少なくともひとつを、二本鎖から成る基部と、一本鎖から成る端部を有する構成とし、
前記基部における二本鎖が解離する温度が、前記端部に形成される二本鎖が解離する温度よりも高くなるように塩基配列を設計することを特徴とする請求項８に記載の分子伝送・分子配送方法。 - 前記キャリア分子に結合される第１のヌクレオチド一本鎖と、前記荷物分子に結合された第１のヌクレオチド一本鎖よりも長い第２のヌクレオチド一本鎖とによる第１の二本鎖の形成により、前記キャリア分子に前記荷物分子を積載し、
前記目的地において、当該目的地に結合された前記第２のヌクレオチド一本鎖と同じ長さの第３のヌクレオチド一本鎖と前記第２のヌクレオチド一本鎖との間の第２の二本鎖の形成、および、当該第２の二本鎖の形成をトリガとする前記第１の二本鎖の解離作用を利用して、前記キャリア分子から荷物分子を積み降ろす
ことを特徴とする請求項８に記載の分子伝送・分子配送方法。
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