JPH07179492A - 核酸複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ナノメートル精度で制御された微細構造物を作
るための足場として利用して好適な二次元的広がりを有
する核酸複合体を提供すること。 【構成】他と異なる固有の塩基配列を有する付着性末端
を設けた核酸ユニットを核酸複合体の規模に応じて多種
類用意する。目的とする核酸複合体は、これらの核酸ユ
ニットをハイブリダイゼーションさせることによって製
造する。付着性末端の塩基配列の固有化は、使用する核
酸塩基の種類や配列を適宜変えることによって行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核酸複合体及びその製
造方法、特にナノメートル精度での制御が可能な微細構
造物を作製する際の足場として使用して好適な核酸複合
体及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日の半導体微細加工技術の進歩には、
目覚ましいものがあり、サブミクロン精度の加工が可能
になっているが、更に微細な加工を行うためには、従来
技術の延長だけでは不充分であり、ナノメートル精度の
微細構造の製造技術が強く求められている。また、最近
では、数十原子〜数百万原子のいわゆるメゾスコピック
領域の物性を用いた電子デバイスや、蛋白質等の生体分
子の複合体（超分子）を用いたバイオテクノロジーに大
きな期待が寄せられている。この種の技術も、ナノメー
トル程度の極微小のものを対象としているため、ナノメ
ートル・テクノロジーと呼ばれており、やはりナノメー
トル精度の微細構造の製造技術の確立がどうしても必要
である。

【０００３】このように、ナノメートル精度の微細構造
の製造技術の必要性が非常に高まっているのが現状であ
り、既に幾つかのアプローチがなされている。エピタキ
シャル成長による単原子薄膜の作製や、ラングミュア・
ブロジェット法による単分子膜の作製がその好例であ
る。これらの方法は、ナノメートル精度での膜厚制御が
可能である反面、膜の平面内での配向や構造の制御が困
難である。このほか、平面内での制御が可能なものとし
て走査型トンネル顕微鏡がある。この顕微鏡を用いれ
ば、１原子レベルの加工や操作が出来る反面、並列処理
が困難で大量生産に不向きな上、原子に比べて遥かに巨
大な探針を動かさなければならないため、エネルギーコ
ストが高くなるという問題がある。

【０００４】一方、核酸は、０．３４ｎｍのピッチで核
酸塩基が一次元に配列した直鎖状分子である。今日で
は、人工合成技術や遺伝子工学の進歩により、任意の塩
基配列の核酸を容易に作ることが出来るため、最小で１
塩基単位（０．３４ｎｍ単位）の構造制御が可能であ
る。また、核酸は、一度にピコモル（１０の１１乗）程
度の多数の分子を作ることが可能であるから、大量生産
に向いている上、室温程度で反応するため、エネルギー
コストも安くて済む。このように、核酸には、非常に優
れた性質があるが、天然の核酸は、直鎖状であるため、
それを足場としてナノメートル精度の微細構造の製造す
るためには、二次元的な広がりを持つ核酸複合体を作る
ことがどうしても必要である。

【０００５】この種の課題の解決を目的とした核酸複合
体の製造方法は、例えば「ネーチャー(Nature)」第３５
０巻（１９９１年）第６３１頁〜第６３３頁に記載され
ている。この方法では、図１０に示した梯子状のＤＮＡ
合成体１１を使用する。当該合成体１１の両端は、一本
鎖構造の付着性末端１２〜１５となっており、その一方
の端部側の付着性末端１２，１４の塩基配列は、他方の
端部側の付着性末端１３，１５の塩基配列に対して夫々
相補的であるように構成されている。目的とする核酸複
合体は、ハイブリダイゼーション反応により、梯子状の
ＤＮＡ合成体１１の一端側の付着性末端１２，１４を他
端側の付着性末端１３，１５に夫々結合させ、ナノメー
トル・スケールの立方体１６を形成することによって製
造する。

【０００６】この従来技術は、梯子状のＤＮＡ合成体を
出発材料として用いるものであるため、二次元的な広が
りを持つ大規模の核酸複合体を製造することが本質的に
困難である。また、１種類のＤＮＡ合成体を出発材料と
するため、個々のＤＮＡ合成体の付着性末端に他の合成
体の付着性末端が結合することを抑制することが不可能
であり、目的とする立方体１６に加えて、異なる構造の
種々の副反応物１７が不所望に生成するという問題があ
る。これらの副反応物は、ＤＮＡ合成体１１を繰返し単
位とする同一の塩基配列を周期的に包含するものである
から、当該副反応物を足場として特定の塩基配列に他の
物質を結合させた場合は、出来上がった構造物も、ＤＮ
Ａ合成体１１を単位とする周期的な構造となってしま
い、それ以上に複雑な非周期的構造物を作ることが出来
ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題点を解消し、微細構造物を製造する際の
足場となる二次元的な広がりを持つ新規な核酸複合体を
提供すること及び当該核酸複合体を製造するための新規
な方法を提案することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の前記課題は、他
と異なる固有の塩基配列を有する付着性末端を所定部位
に配設した多種類の核酸ユニットを出発材料として用い
ることによって効果的に解決することが出来る。これら
の核酸ユニットは、核酸複合体の構成要素として機能す
るものであるから、核酸複合体の規模に応じて多種類用
意する必要がある。目的とする核酸複合体は、これらの
多種類の核酸ユニットの相互間においてハイブリダイゼ
ーション反応を起こさせ、核酸複合体の所定の位置に所
定の核酸ユニットを選択的かつ自動的に配置させること
によって製造する。

【０００９】核酸ユニットの形状は、必要とする核酸複
合体に応じて種々の態様のものを使用することが可能で
あるが、通常は、４個の付着性末端を所定部位に設けた
十字型核酸ユニットを用いること望ましい。また、核酸
複合体の外縁部に位置する付着性末端が未反応のまま残
存するのを防止するため、当該部分に配置すべき核酸ユ
ニットは、２個又は３個の付着性末端を所定部位に設け
たＬ字型核酸ユニット及びＴ字型核酸ユニットを適宜組
み合わせて用いることが望ましい。

【００１０】大規模の核酸複合体を製造する場合は、非
常に多くの種類の核酸ユニットを用意する必要があるか
ら、これらの核酸ユニットの配置を一義的に決定する付
着性末端の塩基配列も、非常に多くの種類のものを用意
する必要がある。しかし、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）
の場合は、アデニン、シトシン、グアニン及びチミンか
らなる４種類の核酸塩基の配列を使用し、ＲＮＡ（リボ
核酸）の場合も、アデニン、シトシン、グアニン及びウ
ラシルの４種類の核酸塩基の配列を使用することが出来
るため、例えば７個の核酸塩基からなる配列をもって付
着性末端を形成する場合は、核酸塩基の種類や配列を適
宜変えることにより、４の７乗通り（１６３８４通り）
の膨大な組み合せが可能であり、本発明の目的を充分に
実現することが出来る。

【００１１】

【作用】核酸複合体は、多種類の核酸ユニットの相互間
を個々の核酸ユニットに配設した付着性末端の相補鎖結
合機能を利用して連結させることによって製造する。従
って、全部の付着性末端の塩基配列を他の付着性末端と
異なる固有のものとすれば、核酸複合体における各構成
ユニットの配置が一意的に決まるため、二次元的な広が
りを持つ所望の大きさの核酸複合体を容易に製造するこ
とが出来る。

【００１２】核酸ユニットは、その本体の塩基配列が同
一のものを使用することが出来るほか、必要に応じ、本
体の塩基配列が他の核酸ユニットと異なるものを適宜選
択して使用することも可能である。後者の場合は、核酸
ユニットを繰返し単位とする周期性が失われ、非周期的
な核酸複合体を製造することが可能となる結果、このよ
うな核酸複合体を足場として特定の塩基配列に物質を結
合させることにより、非周期的かつ複雑な構造物を製造
することが出来る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明をＤＮＡ複合体の製造に適用し
た場合の実施例を引用して更に詳細に説明する。

【００１４】〈実施例１〉先ず、図１ａに示した４種類
の一本鎖ＤＮＡ断片１〜４を市販の自動合成装置を利用
して合成した後、ハイブリダイゼーション反応により、
これらのＤＮＡ断片の相互間を選択的に結合させ、図１
ｂに示した十字型ＤＮＡユニットを調製した。図中の実
線は、一本鎖ＤＮＡ断片の１単位を表わしており、か
つ、当該実線に付した矢印は、ＤＮＡ断片の５'末端か
ら３'末端への方向を示す。なお、記号Ａはアデニン、
記号Ｔはチミン、記号Ｇはグアニン、記号Ｃはシトシン
を夫々示す。

【００１５】図１ｂの破線で示すように、４種類のＤＮ
Ａ断片１〜４は、相補関係にある塩基対を介して夫々結
合されている。個々のＤＮＡ断片の５'末端側の部分５
〜８は、結合相手となる核酸塩基がないため、一本鎖構
造のまま残っており、付着性末端として機能するもので
ある。図１ｂは、付着性末端５〜８がＡＣＧＴ、ＴＡＣ
Ａ、ＧＧＣＴ及びＡＡＣＧの４種類の塩基配列である場
合を示す。本発明の場合は、網目構造のＤＮＡ複合体の
全体を埋めるために必要な種類のＤＮＡユニットを用意
し、かつ、全部の付着性末端に他の付着性末端とは異な
る固有の塩基配列を持たせる必要があるから、ＤＮＡ断
片１〜４の５'末端側の塩基配列を全て変えて同様の調
製作業を繰り返し、多くの種類の十字型ＤＮＡユニット
を調製した。

【００１６】図２は、このようにして調製した多種類の
ＤＮＡユニットを一般的に表現したものである。同図に
おいて、９は、ＤＮＡユニット本体(二本鎖ＤＮＡ部
分)、５〜８は、夫々固有の塩基配列を持たせた４個の
付着性末端である。記号Ｕ(n,m)は、網目構造のｎ列ｍ
行目に配置すべきＤＮＡユニットであることを示し、記
号Ｉ(n,m)は、ユニットＵ(n,m)の本体９が保有する塩基
配列を示している。また、記号Ｘn,m及び記号Ｘ'n+1,m
は、ユニットＵ(n,m)の左右の付着性末端８及び６が保
有すべき塩基配列を示し、記号Ｙn,m及び記号Ｙ'n,m+1
は、ユニットＵ(n,m)の上下の付着性末端５及び７が保
有すべき塩基配列を示している。なお、記号Ｘ’及び
Ｙ’を用いて表示した塩基配列は、記号Ｘ及びＹを用い
て表示した塩基配列に対して相補的であることを意味す
る。

【００１７】目的のＤＮＡ複合体は、ハイブリダイゼー
ション反応を利用し、図１及び図２に示した多種類のＤ
ＮＡユニットを夫々の付着性末端５〜８を介して選択的
に相互結合させることによって製造した。得られたＤＮ
Ａ複合体は、図３に示すように、２次元的な広がりを持
つものである。なお、ＤＮＡユニットは、各種類ごとに
複数個を作製することにより、その個数に見合う複数枚
のＤＮＡ複合体を同時に製造した。

【００１８】簡単のため、図３中央部のＤＮＡユニット
Ｕ(n,m)について説明すると、当該ユニットの左側の付
着性末端８(塩基配列Ｘn,m）は、当該末端と相補的な塩
基配列Ｘ'n,mを有するｎ−１列のユニットＵ(n-1,m)の
右側末端(図示せず)と選択的に結合し、一方、ユニット
Ｕ(n,m)の右側末端６(塩基配列Ｘ'n+1,m)は、当該末端
と相補的な塩基配列Ｘn+1,mを有するｎ＋１列のユニッ
トＵ(n+1,m)の左側末端（図示せず）と選択的に結合し
ている。また、ユニットＵ(n,m)の上側末端５(塩基配列
Ｙn,m）は、当該末端と相補的な塩基配列Ｙ'n,mを有す
るｍ−１行のユニットＵ(n,m-1)の下側末端(図示せず)
と選択的に結合し、ユニットＵ(n,m)の下側末端７(塩基
配列Ｙ'n,m+1）は、当該末端と相補的な塩基配列Ｙn,m+
1を有するｍ＋１行のユニットＵ(n,m+1)の上側末端(図
示せず)と選択的に結合している。本実施例では、多種
類のＤＮＡユニットとして、本体の塩基配列が全て同一
のものを使用したため、図中では、単に「Ｉ」と表記し
た。

【００１９】前記方法で製造したＤＮＡ複合体は、多数
のＤＮＡ断片が塩基間の水素結合や塩基対間の疎水結合
等、比較的弱い結合によって繋がっているため、壊れ易
い傾向がある。このため、ライゲーション反応を更に行
ない、各ＤＮＡ断片の５'末端と３'末端とを共有結合さ
せることによって同複合体を強化することが望ましい。

【００２０】完成したＤＮＡ複合体は、その特定の塩基
配列に蛋白質等の機能物質を結合させ、平面状に伸長・
展開した後、乾燥して平面基板の上に固定して使用す
る。なお、本実施例の場合、ユニット本体の塩基配列を
全て同一としたため、機能物質を同本体に結合させる
と、個々のユニットを繰返し単位とする周期性のある構
造物を製造することが出来る。一方、複合体の製造にお
いて付着性末端として使用した部分に機能物質を結合さ
せると、当該部分の塩基配列が夫々固有のものであるた
め、より複雑な非周期的構造物を作ることが出来る。

【００２１】〈実施例２〉付着性末端のみならず、ＤＮ
Ａユニット本体もその塩基配列を個別に異ならしめたＤ
ＮＡ複合体を図４に示す。このＤＮＡ複合体は、ユニッ
ト本体の塩基配列Ｉ(n,m)が他のＤＮＡユニットと異な
るため、その部分も、ＤＮＡユニットを繰返し単位とす
る周期性が失われる。従って、このＤＮＡ複合体は、全
ての部分の塩基配列にＤＮＡユニットを繰返し単位とす
る周期性が存在しないため、非常に複雑な非周期的構造
物を製造することが可能となる。

【００２２】〈実施例３〉実施例１及び実施例２では、
４個の付着性末端を有する十字型のＤＮＡユニットのみ
を用いてＤＮＡ複合体を製造した。このため、出来上が
ったＤＮＡ複合体は、その外縁部に一本鎖構造の付着性
末端が未反応のまま残ってしまうのを避けることが出来
ない。このような障害を防止するため、十字型ＤＮＡユ
ニットに加えて、図５に示すような３個の付着性末端を
有するＴ字型ＤＮＡユニットを調製し、当該ユニットを
用いてＤＮＡ複合体の外縁部（角部を除く）を構成し
た。図５のＤＮＡユニットの代わりに、末端部にＤＮＡ
ループ部分１０を設けた変形Ｔ字型ユニット（図６参
照）を使用することも可能である。

【００２３】図７は、ＤＮＡ複合体の角部を構成するの
に使用して好適なＬ字型ＤＮＡユニットの例を示す。当
該ＤＮＡユニットは、２本の一本鎖ＤＮＡ断片を用いて
調製したもので、２個の付着性末端６及び７がＬ字型に
配置されている。図７のＤＮＡユニットの代わりに、角
部にＤＮＡループ１０部分を設けた変形Ｌ字型ＤＮＡユ
ニット（図８参照）を使用することも可能である。

【００２４】Ｌ字型ＤＮＡユニット、Ｔ字型ＤＮＡユニ
ット及び十字型ＤＮＡユニットを組み合わせてＤＮＡ複
合体をした製造した場合の各ユニットの配列は、図９に
示す通りであり、外縁部に付着性末端が残らない複合体
を製造することが出来る。更にライゲーション反応を行
なえば、出来上がったＤＮＡ複合体には、一本鎖構造の
付着性末端など、エキソヌクレアーゼIIIによって分解
されるような部分が存在しないから、同溶剤を用いた仕
上処理を施すことにより、３'末端（付着性末端）が残
っている不所望の副反応物や未完成物を容易に分解して
除去することが出来る。

【００２５】〈補足説明〉核酸ユニットは、前記構造の
もののほか、必要に応じて任意の構造をものを使用する
ことが出来る。また、前記実施例では、二次元的な広が
りを持つ核酸複合体の場合について説明したが、本発明
は、一次元又は三次元的な核酸複合体の製造にも適用す
ることが出来るほか、ＤＮＡの他にＲＮＡを含む核酸複
合体や、化学修飾されたＤＮＡやＲＮＡを含む一般的な
核酸複合体の製造に適用することも可能である。

【００２６】また、本発明の核酸複合体は、更に大規模
の核酸複合体を作製するための素材（核酸ユニット）に
もなり得る。このように、核酸複合体には階層があり、
本発明の本質は、相対的に階層が一つ下の核酸複合体を
ユニットとして一つ上の階層の核酸複合体を作ることに
ある。従って、本発明は、前記実施例で示した以外の階
層の核酸ユニットや核酸複合体についても、非周期的で
更に複雑な複合体を製造することが出来る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、固有の塩基配列の付着
性末端を有する核酸ユニットを用いることにより、二次
元的な広がりを持つ所定の大きさの核酸複合体を容易に
製造することが出来る。しかも、個々の核酸ユニットを
繰返し単位とする周期性を失わせれることも可能である
ため、非周期的でより複雑な核酸複合体を製造すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＤＮＡ複合体を製造するための出発材料として
使用するＤＮＡユニットの一例を示す構成図。

【図２】前記ＤＮＡユニットの摸式図。

【図３】本発明に係るＤＮＡ複合体の第１の実施例を示
す模式図。

【図４】本発明に係るＤＮＡ複合体の第２の実施例を示
す模式図。

【図５】図３及び図４に示したＤＮＡ複合体の外縁部
（角部を除く）を構成するのに適したＤＮＡユニットの
一例を示す構成図。

【図６】図５に示したＤＮＡユニットの変形例を示す構
成図。

【図７】図３及び図４に示した核酸複合体の角部を構成
するのに適したＤＮＡユニットの一例を示す構成図。

【図８】図７に示したＤＮＡユニットの変形例を示す構
成図。

【図９】図５〜図８に示した核酸ユニットを併用するこ
とによって製造した核酸複合体の例を示す模式図。

【図１０】従来の核酸複合体製造法を説明するための概
念図図。

【符号の説明】

１〜４…１本鎖ＤＮＡ断片 ５〜８…付着性末端 ９…ＤＮＡユニット本体 １０…ＤＮＡループ １１…ＤＮＡ合成体 １２〜１５…付着性末端 １６…ＤＮＡ立方体 １７…副反応物

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の核酸ユニットを個々の核酸ユニット
   の所定部位に設けた付着性末端による相補鎖結合機能を
   用いて相互連結してなる核酸複合体であって、前記付着
   性末端は、その全部が他の付着性末端と異なる固有の塩
   基配列を夫々有するものであることを特徴とする核酸複
   合体。
2. 【請求項２】前記核酸ユニットの少なくとも一部は、そ
   の本体の塩基配列が他の核酸ユニットと異なるものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の核酸複合体。
3. 【請求項３】多数の核酸ユニットを個々の核酸ユニット
   の所定部位に設けた付着性末端による相補鎖結合機能を
   用いて相互連結させることによって核酸複合体を製造す
   る方法であって、当該製造方法は、他と異なる固有の塩
   基配列を有する付着性末端を所定部位に配設してなる核
   酸ユニットを目的とする核酸複合体の規模に応じて多種
   類調製するための工程と、用意した多種類の核酸ユニッ
   トの相互間をハイブリダイゼーション反応によって選択
   的に連結させるための工程を少なくとも含むことを特徴
   とする核酸複合体の製造方法。
4. 【請求項４】前記多種類の核酸ユニットとして、夫々固
   有の塩基配列を有する４個の付着性末端を所定部位に配
   設した十字型核酸ユニットを用いることを特徴とする請
   求項３に記載の核酸複合体の製造方法。
5. 【請求項５】核酸複合体の外縁部に配置すべき核酸ユニ
   ットとして、夫々固有の塩基配列を有する２個又は３個
   の付着性末端を所定部位に配設したＬ字型核酸ユニット
   及びＴ字型核酸ユニットを組み合わせて用いることを特
   徴とする請求項３又は請求項４に記載の核酸複合体の製
   造方法。
6. 【請求項６】作製した核酸複合体に残った核酸断片の
   ５'末端と３'末端をライゲーション反応によって共有結
   合させことを特徴とする請求項３〜請求項５に記載の核
   酸複合体の製造方法。
7. 【請求項７】エキソヌクレアーゼIIIを利用した仕上処
   理により、副反応物又は未完成物を分解して除去するた
   めの工程を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の
   核酸複合体製造方法。