WO2009093558A1 - Nucleic acid construction member, nucleic acid construct using the same and method of producing the nucleic acid construct - Google Patents

Nucleic acid construction member, nucleic acid construct using the same and method of producing the nucleic acid construct Download PDF

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WO2009093558A1
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nucleic acid
base sequence
acid structure
complementary
double helix
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PCT/JP2009/050720
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Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Murata
Shogo Hamada
Original Assignee
Tokyo Institute Of Technology
Hayashinaka, Teruo
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/10Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA

Definitions

  • the crossover structural unit which is a branched structure of this DNA double helix, is Holday. It was developed from a structure called Junction that appears at the time of homologous recombination of a gene in vivo (for example, see Non-Patent Document 4).
  • this crossover structural unit used in a nanonucleic acid structure forms a form in which two DNA double helices are arranged in parallel as shown in FIG.
  • a double crossover molecule as shown in FIGS. 16A and 16B, in which the structure is stabilized by combining two or more thereof, is widely used as a basic unit (for example, Non-Patent Document 6). reference).
  • the method for producing a nucleic acid structure according to the present invention comprises a double helix structure with a pair of nucleotide chains having a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal part of one nucleotide chain.
  • a nucleotide chain having a free-end base sequence complementary to the base sequence and the nucleic acid molecule are hydrogen-bonded between the complementary base sequences.
  • the nucleic acid structure according to the present invention is configured by combining a plurality of repeating structures, and the plurality of repeating structures have a planar structure and a double helix simple structure,
  • the nucleotide chain of one of the repeating structures has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of a DNA double helix structure. It is a figure for demonstrating the phase difference in the main groove side and subgroove side of a DNA double helix structure. It is the schematic of the nucleic acid structure which the base sequence of the oligonucleotide used in order to form the nucleic acid structure which has a branched structure, and the base sequence can form theoretically. It is the electrophoresis result figure which electrophoresed the reaction solution made to react using the oligonucleotide which has a base sequence shown in FIG.
  • the present invention is particularly based on nucleic acid structures formed by self-assembly of oligonucleotides composed of artificially designed and synthesized sugars, phosphates, and bases, and this suitable design.
  • the present invention relates to a nanometer-scale nucleic acid structure produced using the prepared nucleic acid structure as a structural unit.
  • a complementary base sequence refers to a base sequence in a binding relationship that can form a base pair based on Watson-Crick complementarity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram three-dimensionally showing the nucleic acid structure according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, this nucleic acid structure is bent at any phase of the double helix of nucleic acid so that the double helix is branched in the vertical direction, and another double helix is connected to the bent portion. Thus, a branched structure is formed.
  • nucleic acid molecules such as DNA, RNA, and PNA can be used as the nucleic acid.
  • DNA used as a nucleic acid molecule
  • PNA PNA
  • an example in which DNA is used as a nucleic acid molecule will be described specifically, but the nucleic acid molecule used in the nucleic acid structure according to the present embodiment is not limited to DNA.
  • the nucleic acid structure according to the present embodiment has a double helical structure by forming a hydrogen bond between the bases having the complementary binding relationship between the first oligonucleotide 11 and the second oligonucleotide 12.
  • a second nucleic acid having a double helical structure by generating a first nucleic acid molecule and forming a hydrogen bond between bases having a complementary relationship between the third oligonucleotide 13 and the fourth oligonucleotide 14 A molecule is generated, and then the free-end base sequence of the first oligonucleotide 11 constituting the first nucleic acid molecule and the third oligonucleotide 13 constituting the second nucleic acid molecule have at the non-terminal part. It is formed by hydrogen bonding between the base sequence having a complementary relationship with the free end base sequence.
  • the oligonucleotide is sequenced in consideration of the base sequence length of the binding portion. Make a decision. This is because the longer the base sequence length of the oligonucleotide to be hybridized, the higher the temperature environment, the higher the temperature environment, and the shorter the base sequence length, the lower the temperature environment, the lower the temperature environment. This is for self-assembly.
  • the first duplex ( ⁇ ) and the third oligonucleotide ( ⁇ +) have a first duplex as compared to the base sequence length of each oligonucleotide. Since the base sequence length that becomes the connecting part between the helical DNA molecule and the second double helical DNA molecule is designed to be extremely short, the nucleic acid structure is self-assembled by controlling the temperature from a high temperature to a low temperature. By forming, each DNA molecule is first formed, and then, the formed DNA molecules are connected by hydrogen bonding to construct a T-shaped nucleic acid structure. As a result, hydrogen bonds are formed at unintended sites, and an unintended nucleic acid structure is not formed.
  • nucleotide sequence determination of the oligonucleotide for forming the T-shaped nucleic acid structure considering that the double helix of DNA bends at an appropriate site, Comprehensive possible hybridization between all base sequences used, considering information on base sequence length to form hydrogen bonds in complementary base sequence parts in the intended order under appropriate temperature control Except for the case where the desired structure is formed, the sequence is determined so that unintentional double helix formation does not occur between the base sequences at high temperatures.
  • an oligonucleotide having a free-end base sequence consisting of 5 bases at the 5 ′ end and an oligonucleotide having a base sequence that forms a hydrogen bond complementary to the oligonucleotide form a double-stranded DNA molecule.
  • the nucleotide sequence is determined so that the oligonucleotide having the nucleotide sequence that forms a bond forms a double helix DNA molecule.
  • a T-shaped nucleic acid structure having a structure branched in the vertical direction by self-assembling four kinds of oligonucleotides synthesized based on these designs from a high temperature to a low temperature under temperature control Can be formed.
  • this double helix structure is assumed to be a cylindrical shape, let us consider branching and extending the double helix in a direction perpendicular to the cylindrical shape. Since the value of the diameter of the DNA double helix structure is 2.19 nm as described above, from the calculation formula (2) below, 2.19 / 0.34 ⁇ 6.44 (bp) (2) That is, the length of about 6 to 7 bp corresponds to the length of the diameter of the DNA double helix structure, in other words, the length between opposing complementary base pairs, and therefore, the distance of 6 or 7 bp.
  • the nucleic acid molecule is not limited to DNA, and the interval formed at the connecting portion is limited to the interval corresponding to the main groove side 6 or 7 bp. It is not something. That is, the nucleic acid structure according to this embodiment can be formed using nucleic acid molecules such as RNA and PNA.
  • the nucleic acid structure according to this embodiment can be formed using nucleic acid molecules such as RNA and PNA.
  • the nucleic acid structure according to this embodiment can be formed using nucleic acid molecules such as RNA and PNA.
  • the length of the diameter of the double helix in other words, the length between the opposing complementary base pairs.
  • T-shaped nucleic acid structure Even within the unit, there is a difference in the order of hybridization between the oligonucleotides forming the unit structure.
  • two double helices constituting a T-shaped nucleic acid structure are first formed by hydrogen bonding between complementary base sequences between oligonucleotides, followed by Two double helices are hybridized at a complementary base sequence portion consisting of 5 bases to form a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure.
  • bonding between units is started under a low temperature environment, and a plurality of units are hydrogen-bonded. As a result, a nanonucleic acid structure is formed.
  • the number of types of oligonucleotides used is not limited, and the nucleic acid structure may be prepared by annealing four kinds of oligonucleotides. Alternatively, a nucleic acid structure may be prepared by reacting two kinds of oligonucleotides.
  • This ladder-type structure is based on a shape in which double helix DNA is vertically connected between double helix DNAs arranged in parallel, and is produced by forming a branched structure in the same phase of the double helix structure. can do.
  • a ladder-type structure having a structure as a repeating structure can be created.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a specific unit structure of a nano-nucleic acid structure and a partial structure of a planar structure that is a nano-nucleic acid structure that is produced using the unit structure as a repetitive structure.
  • a structure in which two T-shaped nucleic acid structures are combined in opposite directions is determined as a unit structure, and a plurality of unit structures are connected as a repeating structure. It is a lattice structure formed by making it.
  • the numbers described in the structure shown in FIG. 10 indicate the number of base pairs (bp), and + and ⁇ indicate the arrangement site of the oligonucleotide having the base sequence shown below.
  • this oligonucleotide As a method for forming a planar structure using this oligonucleotide, it can be prepared by a one-pot annealing method, similarly to the method for forming a ladder structure described in the first embodiment.
  • nucleic acid to be used is not limited to DNA, and it goes without saying that application to functional nanodevices is possible even when RNA, PNA, or the like is used as the nucleic acid.
  • nucleic acid is not limited to DNA, and a nucleic acid such as RNA or PNA may be used.
  • the nucleic acid structure and the nano nucleic acid structure according to the present embodiment may be formed by combining different nucleic acids such as RNA, DNA and PNA and hybridizing them.
  • the nucleic acid structure is configured by combining a plurality of repetitive structures.
  • the plurality of repetitive structures have a planar structure and a double helix single structure, and one of the repetitive structures is a repetitive structure.
  • the nucleotide chain has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure.
  • a preferable range of the concentration of the cation having a valence of 2 or more will be described.
  • substrate adsorption limited to mica will be described.
  • the concentration of the cation having a valence of 2 or more is desirably in the range of 2 mM to 1 M.
  • Mg 2+ ions it is known that adsorption occurs if it is about 1 M or less.
  • the lower limit varies depending on the concentration of monovalent ions such as Na + in the solution, and the lower the monovalent ion concentration is known to cause adsorption at lower concentrations. I have confirmed.
  • the two base sequences (SEQ ID NOs: 14 and 15) shown in (V) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure that becomes the repetitive structure and examining the phase.
  • the nucleotide sequence of the oligonucleotide The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
  • FIG. 18 (a3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of a ladder structure specifically manufactured by the above operation.
  • AFM atomic force microscope
  • Example 5 The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from Example 4.
  • each oligonucleotide synthesized by determining a base sequence by a program based on the above-described knowledge is dissolved in TAE buffer (1 ⁇ TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 0.1 ⁇ M.
  • the oligonucleotide solution was purified.
  • each of the solutions was dispensed, and all the dispensed solutions were mixed in equal amounts in one reaction tube to purify the oligonucleotide mixed solution.
  • mica pieces manufactured by Niraco, natural mica (muscovite)
  • the solution volume was 200 ⁇ l so that the entire mica piece could touch the solution.
  • the two base sequences shown in (VI) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure to be a repetitive structure and examining the phase.
  • the nucleotide sequence of the oligonucleotide The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
  • both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA bends at two parts of the base sequence (+ CGACAC in the sequence, ACTGCA in the sequence) that cannot form complementary hydrogen bonds inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form.
  • the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond.
  • the X portion and the Y portion shown in FIG. 19 (b1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences. As a result, after cooling, the ladder type shown in FIG. 19 (b2) is obtained. A structure is obtained.
  • FIG. 20 (b3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation.
  • the method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 4.
  • Example 7 The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from that in Example 6.
  • FIG. 20 (b4, b5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation.
  • the method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
  • the structure length is significantly increased by the growth of the substrate, and it is clear that the structures are aligned on the substrate.
  • the phenomenon that the structures are aligned is thought to be due to the fact that it is desirable to adsorb as much DNA as possible through counter ions in order to cancel the charge of the substrate.
  • FIG. 21 is a diagram schematically showing a part of the structure of a nucleic acid structure which is a specific nucleic acid structure unit structure (c1) and a nucleic acid structure (c2) produced by repeating the unit structure as a repetitive structure. It is.
  • the nucleic acid structure according to this embodiment is formed by connecting a plurality of T-shaped nucleic acid structures as unit structures and connecting a plurality of T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. .
  • the numbers described in the structure shown in FIG. 21 indicate the number of base pairs (bp).
  • both sequences have a complementary sequence of a base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond inside the + sequence if it is a + sequence, or if it is a ⁇ sequence, on the 5 ′ end side. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA is folded at two parts of the base sequence (+ GGGCT in the sequence, -CGTCG in the sequence) that cannot form a complementary hydrogen bond inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form.
  • the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond.
  • the X portion and the Y portion shown in FIG. 21 (c1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences.
  • the planar type shown in FIG. 21 (c2) is obtained. A structure is obtained.
  • the above-described array 18 is replaced with 20 and the array 19 is replaced with 21.
  • the array 18 is replaced with 22 and the array 19 is replaced with 23.
  • the base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds within the sequence are the GGGCT in the + sequence and the CGTCG in the ⁇ sequence in the case of 20, 21 respectively, and the + sequence in the case of 22, 23 Within the CCACA and-within the sequence ATCCG.
  • Example 9 The formation procedure and confirmation observation of this nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from that in Example 8.
  • FIG. 22 (c4, c5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation.
  • the method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
  • Example 8 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 22 (c4, c5), the tube-like growth was shown in Example 8, but in Example 9, it grew in a planar shape due to the growth effect on the substrate. Yes.
  • a planar single crystal structure on the order of ⁇ m covers the entire surface of the substrate. Since this single crystal region can be expanded by devising the growth process, large-scale crystal growth can be realized.
  • FIG. 23 is a diagram schematically showing a part of the structure of a nucleic acid structure which is a specific nucleic acid structure unit structure (d1) and a nucleic acid structure (d2) which is produced by repeating the unit structure as a repetitive structure. It is.
  • the nucleic acid structure according to this embodiment is formed by using a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of the T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. . Note that the numbers described in the structure shown in FIG. 23 indicate the number of base pairs (bp).
  • Example 10 The formation operation and confirmation observation of this nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed according to the following procedure.
  • Example 10 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 24 (d4, d5), almost no growth was observed in Example 10, but in Example 11, a planar structure can be produced by growing on the substrate. it can.
  • the sequence 26 having the + sequence and the sequence 27 having the ⁇ sequence form a hydrogen bond at a complementary base sequence portion at a high temperature to form a double helix DNA.
  • both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ AAGCG inside the sequence, -GTGGA inside the -sequence), and in this base sequence part,
  • the corresponding sequence forming the base pair does not form a hydrogen bond, skips the base sequence having no complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with the base portion having the next complementary binding relationship. .
  • both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA is folded at two parts of the base sequence (+ AAGCG in the sequence, GTGGA in the sequence) that cannot form a complementary hydrogen bond inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form.
  • the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond.
  • the X portion and the Y portion shown in FIG. 25 (e1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences.
  • the two-dimensional portion shown in FIG. 25 (e2) is obtained.
  • a polar coordinate structure is obtained.
  • FIG. 26 is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation.
  • the method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
  • ⁇ Plane structure (3)> (Comparative Example 1)
  • the basic structure of the repetitive structure will be described with reference to FIGS.
  • the basic structure is composed of eight single-stranded DNAs a to h in FIG. After the six DNA molecules c to h in FIG. 28 are combined to form a hexamer, the two DNA molecules a and b connect the hexamers to each other to form a planar structure as shown in FIG. Form.
  • the conditions for producing the nucleic acid structure will be described. Although it is almost the same as the conditions prepared in Comparative Example 1, this time, since a DNA nucleic acid structure is directly formed on the substrate, a mica substrate having a negative surface charge is placed in the same tube, unlike the conventional annealing of only the sample solution. Was immersed in the sample solution for annealing.
  • the substrate mica (mica) was used, and the size was about 5 mm ⁇ 10 mm, and the size fits in the used tube. Since the amount of the sample solution also needs to be in a state in which the substrate is sufficiently immersed in the solution, the amount of the sample solution was twice the amount of the sample (100 ⁇ l) in the free solution of Comparative Example 1. Specifically, the sample amount was 200 ⁇ l, and the concentration of each DNA molecule was equimolar conditions of 0.04 ⁇ M. The concentration is the same as that in the free solution of Comparative Example 1.
  • the basic structure of the repetitive structure will be described with reference to FIGS.
  • the basic structure is composed of six single-stranded DNAs a to f in FIG. After the DNA molecules a to f in FIG. 34 are bonded to form a hexamer, the hexamers are directly bonded to each other at the sticky end portion on the side located outside the structure, thereby forming a planar structure as shown in FIG. Form.
  • the conditions for producing the nucleic acid structure will be described. Although it is almost the same as the conditions prepared in Comparative Example 2, this time, since a DNA nanostructure is directly formed on a substrate, a mica substrate having a negative surface charge is placed in the same tube unlike conventional annealing of only a sample solution. Was immersed in the sample solution for annealing.
  • the substrate mica (mica) was used, and the size was about 5 mm ⁇ 10 mm, and the size fits in the used tube. Since the amount of the sample solution also needs to be in a state in which the substrate is sufficiently immersed in the solution, the amount was twice as much as the sample amount (100 ⁇ l) in the free solution. Specifically, the sample amount was 200 ⁇ l, and the concentration of each DNA molecule was 0.01 ⁇ M. The concentration is the same as that in Comparative Example 2 when prepared in a free solution.
  • each single-stranded DNA has two bases of thymine (T) at a position corresponding to a corner when taking a cross shape. Since this thymine dinucleotide does not have a corresponding complementary sequence, it remains unbound to other sequences. Therefore, this TT portion is soft and can be arranged relatively freely. Therefore, this TT2 base plays a role of eliminating structural distortion that occurs when a planar structure is formed, and enables a wide planar structure.
  • T thymine
  • FIG. 45 is an enlarged view of the broken part with the planar structure peeled off. In some places, a square lattice structure can be seen. This appears to be a portion where the structure remains when the planar structure is broken. From this result, it can be said that DNA has a lattice-like planar structure.
  • nucleic acid is not limited to DNA, and a nucleic acid such as RNA or PNA may be used.
  • the nucleic acid structure and the nano nucleic acid structure according to the present embodiment may be formed by combining different nucleic acids such as RNA, DNA and PNA and hybridizing them.

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Abstract

Provided is a nucleic acid construction member available as a construction unit in forming a stable nanonucleic acid construct, which has an elevated spatial resolution, is rich in diversity and shows a reduced strain, and the nanonucleic acid construct as described above. A nucleic acid construction member characterized in that the base sequence at the free end of a single strand carried by a first nucleic acid molecule having a double helix structure is connected via a hydrogen bond to a base sequence located at a definite position in the non-terminal region of one nucleotide strand of a second nucleic acid molecule having a double helix structure which is a base sequence being non-complementary to the other nucleotide strand but complementary to the base sequence at the free end carried by the preceding first nucleic acid molecule.

Description

核酸構造体及びその核酸構造体を用いた核酸構造物、並びにその核酸構造物の作製方法Nucleic acid structure, nucleic acid structure using the nucleic acid structure, and method for producing the nucleic acid structure
 本発明は、新規な核酸構造体及びその核酸構造体を構成要素として自己集積させることによって作製する核酸構造物に関する。
 また、本発明は、核酸構造物の新規な作製方法に関する。
The present invention relates to a novel nucleic acid structure and a nucleic acid structure produced by self-assembling the nucleic acid structure as a constituent element.
The present invention also relates to a novel method for producing a nucleic acid structure.
 近年、ナノデバイスやナノロボティクス等の応用を目指して、人工的に合成した生体分子をセルフアセンブリの材料として用い、ナノスケールの機能性構造体やデバイスを構築するナノテクノロジーが注目されている。中でも、DNA等の核酸分子を材料として使用する技術はDNAナノテクノロジーと呼ばれている。 In recent years, nanotechnology that constructs nanoscale functional structures and devices by using artificially synthesized biomolecules as self-assembly materials for the application of nanodevices and nanorobotics has attracted attention. Among them, a technique using a nucleic acid molecule such as DNA as a material is called DNA nanotechnology.
 生体分子としてDNA等の核酸分子を材料とする利点はいくつかある。その一つとして、まず、糖と、リン酸と、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)の4種類からなる塩基とで構成されるDNA分子が、Watson-Crick相補性に基づいて二重螺旋構造を形成し、その塩基配列により、選択的な結合性をもったプログラマブルな情報担体・構造形成分子として利用することができるという点がある。また、生物学・化学等の各分野における長年の研究により、酵素による操作や人工インテリジェント核酸等、ナノ構造材料や動的システム構築のために利用可能な成果が数多く開発されてきている点等も挙げられる。DNAナノテクノロジーの研究は本格的に開始されてからまだ10年足らずであるものの、すでに数多くの成果が報告されており、この技術が近い将来バイオナノテクノロジー分野における中心的役割を果たすことが期待されている(例えば、非特許文献1、2、3、7、11参照)。 There are several advantages of using nucleic acid molecules such as DNA as biomolecules. As one of them, first, a DNA molecule composed of sugar, phosphoric acid, and four types of bases of adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C) is Watson- A double helix structure is formed based on Crick complementarity, and the base sequence can be used as a programmable information carrier / structure-forming molecule having selective binding properties. In addition, many years of research in various fields such as biology and chemistry have developed many results that can be used to construct nanostructured materials and dynamic systems, such as enzymatic manipulation and artificial intelligent nucleic acids. Can be mentioned. Although research on DNA nanotechnology is still less than 10 years since the start of full-scale research, many achievements have already been reported, and this technology is expected to play a central role in the bio-nanotechnology field in the near future. (For example, see Non-Patent Documents 1, 2, 3, 7, and 11).
 現在までに、DNAナノ核酸構造物のためのモチーフは数多く開発されているが、そのほとんどが、図15(A)~(C)に示すような、クロスオーバーと呼ばれるDNA分岐の構造単位をベースとしたものである(例えば、非特許文献7、8、9、10、11参照)。 To date, many motifs for DNA nanonucleic acid structures have been developed, most of which are based on structural units of DNA branches called crossovers as shown in FIGS. 15 (A) to (C). (For example, see Non-Patent Documents 7, 8, 9, 10, and 11).
 このDNA二重螺旋の分岐構造であるクロスオーバー構造単位は、Holliday 
Junctionと呼ばれる、生体内において遺伝子の相同組み換え時に現れる構造から開発されたものである(例えば、非特許文献4参照)。一般に、ナノ核酸構造物に利用されるこのクロスオーバー構造単位は、図15(C)に示すような、二つのDNA二重螺旋が並行に並んだ形を形成する。マグネシウムイオンの存在する溶液中でこのような構造をとることが知られているが(例えば、非特許文献5参照)、実際には、2つの二重螺旋は厳密に並行とはなっていない。そのため、これを二つ以上組み合わせることで構造を安定化させた、図16(a)及び(b)に示すようなダブルクロスオーバー分子が基本単位として広く用いられている(例えば、非特許文献6参照)。
The crossover structural unit, which is a branched structure of this DNA double helix, is Holday.
It was developed from a structure called Junction that appears at the time of homologous recombination of a gene in vivo (for example, see Non-Patent Document 4). In general, this crossover structural unit used in a nanonucleic acid structure forms a form in which two DNA double helices are arranged in parallel as shown in FIG. Although it is known that such a structure is taken in a solution containing magnesium ions (see, for example, Non-Patent Document 5), in reality, the two double helices are not strictly parallel. Therefore, a double crossover molecule as shown in FIGS. 16A and 16B, in which the structure is stabilized by combining two or more thereof, is widely used as a basic unit (for example, Non-Patent Document 6). reference).
 このようなクロスオーバーベースの構造モチーフを構造単位として用いた場合、最終的に作成することが可能な構造は、二重螺旋を並行に敷き詰めた形状となる。例えば、DNAタイルやDNAオリガミといったDNAナノ核酸構造物である。 When such a crossover-based structural motif is used as a structural unit, the structure that can be finally created is a shape in which double spirals are spread in parallel. For example, DNA nanonucleic acid structures such as DNA tiles and DNA origami.
 具体的に説明すると、DNAタイルは、クロスオーバー構造を内部に有することで二重螺旋を並行に並べたタイルによる平面アセンブリ構造であり(例えば、非特許文献7参照)、DNAオリガミは、一本の長いプラスミドDNAを並行に折りたたみ、多数のステイプル塩基配列でそれらをつなぐことでクロスオーバー構造を形成し、任意の平面構造を作成するものである。また、十字型にダブルクロスオーバー分子を接続させた4×4タイル(クロスタイル)も報告されているが(例えば、非特許文献10参照)、本質的にはこれもダブルクロスオーバー分子をベースとした構造物である。 More specifically, the DNA tile has a planar assembly structure with tiles in which double spirals are arranged in parallel by having a crossover structure inside (for example, see Non-Patent Document 7). Are folded in parallel and connected with a number of staple base sequences to form a crossover structure, thereby creating an arbitrary planar structure. In addition, 4 × 4 tiles (black style) in which double crossover molecules are connected in a cross shape have been reported (see, for example, Non-Patent Document 10), but this is also essentially based on double crossover molecules. It is a structure.
 一方、このほか種々のDNAナノ核酸構造物の作製が試みられている。
 例えば、二重螺旋単体で構造物の1辺を構成し、三角形構造同士を辺の部分で結合することにより、四面体、八面体構造を形成した、六角形を3個結合させた2次元構造で、辺が二重螺旋単体で構成したものを作製したとの報告がある(非特許文献12参照)。
On the other hand, production of various DNA nanonucleic acid structures has been attempted.
For example, a two-dimensional structure in which three hexagons are joined by forming one side of a structure with a single double helix, and connecting the triangular structures to each other at the sides to form a tetrahedron or octahedron structure. Thus, there is a report that a side is made of a single double helix (see Non-Patent Document 12).
 また、複数個の三角形構造同士が辺の部分で結合した構造について述べたものがあり、三角形基本構造から平面状の構造も形成することが可能であるとの報告がある(特許文献1参照)。 In addition, there is a description of a structure in which a plurality of triangular structures are joined at the side portion, and there is a report that a planar structure can be formed from a basic triangular structure (see Patent Document 1). .
 また、4つの頂点をクロスオーバージャンクションで構成したひし形モチーフを作製し、このひし形モチーフを組み合わせて、1次元構造(ラダー)、2次元構造(平面)を実現した、ひし形の辺の長さを変えた平面構造も成功したとの報告がある(非特許文献13参照)。 In addition, we created a rhombus motif consisting of four vertices with crossover junctions, and combined this rhombus motif to achieve a one-dimensional structure (ladder) and two-dimensional structure (plane). There is a report that the planar structure has also been successful (see Non-Patent Document 13).
 また、クロスオーバージャンクションで3角形構造を構成し、いわゆる篭目(kagome)格子を作製した、これにたんぱく質RuvAを結合させることにより、できる構造が正方形格子に変わるとの報告がある(非特許文献14参照)。 In addition, there is a report that a triangular structure is formed by a crossover junction and a so-called kagome lattice is produced, and that the resulting structure is changed to a square lattice by binding protein RuvA thereto (Non-Patent Document 14). reference).
 また、クロスオーバージャンクションで三角形の頂点を構成したモチーフにより、大きい三角形による平面構造を作製した、これは従来のDNA平面構造に比べて空隙が大きいとの報告がある(非特許文献15参照)。  In addition, there is a report that a plane structure with a large triangle is produced by a motif in which the vertices of a triangle are formed by a crossover junction, and that the void is larger than the conventional DNA plane structure (see Non-Patent Document 15).
 また、二重螺旋単体で構成した三角形構造の3つの頂点の内側または外側に複数個のTによるBulgeをつけることで構造を構成したものを作製したとの報告がある(非特許文献16参照)。 In addition, there is a report that a structure in which a structure is formed by attaching a plurality of bulges with T inside or outside the three vertices of a triangular structure composed of a single double helix (see Non-Patent Document 16). .
 なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している(非特許文献17,18参照)。 The inventor has disclosed the technical contents related to the present invention (see Non-Patent Documents 17 and 18).
特開2005-263745号公報JP 2005-263745 A
 しかしながら、これまでに開発されたDNAタイルやDNAオリガミ等のナノ核酸構造物に用いられていた構造単位であるクロスオーバー構造は、隣り合ったDNA二重螺旋を並行に接続することしかできないため、その作製し得るナノ核酸構造物も、基本的には螺旋を並べた構造を組み合わせたものとなり、平面からなるナノ核酸構造物は作製できるものの、3次元における結晶構造等の作製に成功した例は未だ報告されていない。 However, since the crossover structure, which is a structural unit used in nano-nucleic acid structures such as DNA tiles and DNA origami that has been developed so far, can only connect adjacent DNA double helices in parallel, The nano-nucleic acid structure that can be produced is basically a combination of spirally arranged structures. Although a nano-nucleic acid structure consisting of a plane can be produced, examples of successful production of a three-dimensional crystal structure, etc. Not yet reported.
 また、このクロスオーバー構造は、隣り合った二重螺旋の位相が一致する部位でなければ、DNAの分岐構造を構成することができないため、DNA等の核酸分子自体がもつ空間分解能(1塩基=0.3(nm)単位で二重螺旋の長さを調整可能である)と比較して、構造モチーフのサイズが大きくなってしまい、特にクロスオーバーを二つ内包することで構造を安定化させているダブルクロスオーバー分子では、螺旋の幾何学的制約を満たすために螺旋軸方向の長さが半径方向の4倍程度になっており、空間分解能に大きな異方性が生じてしまっている。そのことから、クロスオーバー構造を構造単位として作製するナノ核酸構造物の小型化はとても困難となり、設計可能なナノ核酸構造物の大きさ及び高密度化にも制約が生じてしまうとともに、そもそも並行に並べた形状をベースとしたモチーフしか作製することができないという点において、設計可能な構造にも制限があり、多様性という点で大きな問題が存在する。 In addition, since this crossover structure cannot form a DNA branch structure unless the phases of adjacent double helices coincide with each other, the spatial resolution (1 base = The length of the double helix can be adjusted in units of 0.3 (nm)), and the size of the structural motif becomes larger. In particular, the structure is stabilized by including two crossovers. In the double crossover molecule, the length in the direction of the helix axis is about four times the radial direction in order to satisfy the geometric constraint of the helix, and a large anisotropy is generated in the spatial resolution. For this reason, it is very difficult to reduce the size of a nanonucleic acid structure produced using a crossover structure as a structural unit, which limits the size and density of the nanonucleic acid structure that can be designed. There are limitations on the structure that can be designed in that only motifs based on the shapes arranged in the above can be produced, and there is a big problem in terms of diversity.
 さらに、素材としてDNA等の核酸分子を用いている以上、負電荷をもつバックボーン同士の静電的な反発は避けられない中、クロスオーバー構造は、互いに電気的に反発する性質をもったDNA二重螺旋を並行に並べる構造のため、作製されたナノ核酸構造物に構造上の大きなひずみが生じてしまうという問題もあり、延いては高次元の結晶構造を作製困難にしている。 Furthermore, as long as nucleic acid molecules such as DNA are used as materials, electrostatic repulsion between negatively charged backbones is unavoidable. However, the crossover structure has the property of electrically repelling each other. Due to the structure in which the double helices are arranged in parallel, there is a problem that a large strain in the structure is generated in the prepared nanonucleic acid structure, which makes it difficult to manufacture a high-dimensional crystal structure.
 一方、非特許文献12の方法では、三角形構造を辺で結合した構造体は、平面ではなく独立した単体構造であり、六角形が3個結合したモチーフは単体で存在し、繰り返し構造はできない。また、特許文献1では、平面構造の実施例(実験結果)についての具体的な記載がない。また、非特許文献13では、平面構造の大きさは限定的であり、明確なデータは開示されていない。 また、非特許文献14では、両方の平面結晶ともTEMで2μmのサイズまでは観察したと述べているが、詳しくは記述されておらず、広域の写真も掲載されていない。また、非特許文献15では、平面構造は幅の方向に大きく成長せず、一定幅のリボン状の構造体のみができる。また、非特許文献16は、平面格子構造を作製することを目標としたものではなく、実際に作製したものは三角形とそこに小さな三角形がついた外観の構造体のみである。 On the other hand, in the method of Non-Patent Document 12, a structure in which a triangular structure is connected by a side is an independent single structure, not a plane, and a motif in which three hexagons are connected exists as a single element, and a repetitive structure is not possible. Moreover, in patent document 1, there is no specific description about the Example (experimental result) of a planar structure. Moreover, in the nonpatent literature 13, the magnitude | size of a planar structure is limited and clear data are not disclosed. In Non-Patent Document 14, it is stated that both planar crystals were observed by TEM up to a size of 2 μm, but they are not described in detail, and wide-area photographs are not published. In Non-Patent Document 15, the planar structure does not grow greatly in the width direction, and only a ribbon-like structure having a constant width can be formed. Further, Non-Patent Document 16 does not aim to produce a planar lattice structure, but only a structure having an appearance with a triangle and a small triangle attached thereto is actually produced.
 本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、ナノスケールの核酸構造物の構造単位となる核酸構造体であって、より空間分解能が高く、多様性に富み、ひずみを低減した安定的な核酸構造物を作製する構造単位となる核酸構造体及びその核酸構造体を構造単位として作製することができる核酸構造物、並びにその作製方法を提供することを目的とする。
 また、本発明は、核酸構造物の新規な作製方法を提供することを目的とする。
The present invention has been proposed in view of such circumstances, and is a nucleic acid structure that is a structural unit of a nanoscale nucleic acid structure, and has higher spatial resolution, rich variety, and reduced strain. An object of the present invention is to provide a nucleic acid structure that is a structural unit for producing a stable nucleic acid structure, a nucleic acid structure that can be produced using the nucleic acid structure as a structural unit, and a method for producing the nucleic acid structure.
Another object of the present invention is to provide a novel method for producing a nucleic acid structure.
 すなわち、本発明に係る核酸構造体は、二重螺旋構造からなる第1の核酸分子が有する一本鎖の自由端塩基配列と、二重螺旋構造からなる第2の核酸分子の一方のヌクレオチド鎖が非末端部の所定位置に有する、対応するヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、水素結合してなることを特徴としている。 That is, the nucleic acid structure according to the present invention includes a single-stranded free-end base sequence of the first nucleic acid molecule having a double helix structure and one nucleotide chain of the second nucleic acid molecule having a double helix structure. Is a base sequence that is non-complementary to the corresponding nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal part, and is characterized in that the free end base sequence and the complementary base sequence are hydrogen-bonded.
 また、本発明に係る核酸構造物は、二重螺旋構造からなる第1の核酸分子が有する一本鎖の自由端塩基配列と、二重螺旋構造からなる第2の核酸分子の一方のヌクレオチド鎖が非末端部の所定位置に有する、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、水素結合してなる核酸構造体を有することを特徴としている。 The nucleic acid structure according to the present invention includes a single-stranded free-end base sequence of the first nucleic acid molecule having a double helix structure and one nucleotide chain of the second nucleic acid molecule having a double helix structure. Has a nucleotide sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal part, and has a nucleic acid structure formed by hydrogen bonding between the free-end base sequence and the complementary base sequence. It is characterized by.
 また、本発明に係る核酸構造物の作製方法は、一本鎖の自由端塩基配列を有する二重螺旋構造からなる第1の核酸分子と、一対のヌクレオチド鎖の他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列を一方のヌクレオチド鎖の非末端部の所定位置に有する二重螺旋構造からなる第2の核酸分子とを形成し、上記自由端塩基配列と、上記第2の核酸分子が有する上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とにおいて、水素結合させることを特徴としている。 In addition, the method for producing a nucleic acid structure according to the present invention includes a first nucleic acid molecule having a double helix structure having a single-stranded free-end base sequence and a non-complementary to the other nucleotide chain of a pair of nucleotide chains. Forming a second nucleic acid molecule having a double helix structure having a base sequence complementary to the free end base sequence at a predetermined position of the non-terminal portion of one of the nucleotide chains. A hydrogen bond is formed between the end base sequence and a base sequence complementary to the free end base sequence of the second nucleic acid molecule.
 また、本発明に係る核酸構造物の作製方法は、一方のヌクレオチド鎖の非末端部の所定位置に、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列を有する一対のヌクレオチド鎖によって二重螺旋構造からなる核酸分子を形成し、上記塩基配列と相補的な自由端塩基配列を有するヌクレオチド鎖と、上記核酸分子とを、上記相補的な塩基配列間において水素結合させることを特徴としている。 In addition, the method for producing a nucleic acid structure according to the present invention comprises a double helix structure with a pair of nucleotide chains having a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal part of one nucleotide chain. A nucleotide chain having a free-end base sequence complementary to the base sequence and the nucleic acid molecule are hydrogen-bonded between the complementary base sequences.
 また、本発明に係る核酸構造物の作製方法は、複数のオリゴヌクレオチドを含む溶液を、アニーリングして核酸構造物を作製する、核酸構造物の作製方法において、表面電荷を有する基板を溶液に浸すことを特徴とする。 In addition, the method for producing a nucleic acid structure according to the present invention is a method for producing a nucleic acid structure by annealing a solution containing a plurality of oligonucleotides, and immersing a substrate having a surface charge in the solution. It is characterized by that.
 また、本発明に係る核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成し、この複数の繰り返し構造物は、平面構造と二重螺旋単体構造を有し、この複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物のヌクレオチド鎖が、隣り合う他の繰り返し構造物が有するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有することを特徴とする。 In addition, the nucleic acid structure according to the present invention is configured by combining a plurality of repeating structures, and the plurality of repeating structures have a planar structure and a double helix simple structure, The nucleotide chain of one of the repeating structures has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure.
 本発明によれば、二重螺旋の任意の位相において分岐を形成することが可能となり、より空間分解能が高く、多様性に富んだ、ひずみのない安定的なナノスケールの核酸構造物を作製することが可能となり、このナノスケールの核酸構造物により、小型かつ高密度・高精細な機能性ナノデバイスを作製することが可能になる。
 また、本発明によれば、核酸構造物の新規な作製方法を提供することが可能になる。
According to the present invention, it becomes possible to form a branch at an arbitrary phase of a double helix, and a stable nanoscale nucleic acid structure with higher spatial resolution, diversity, and no distortion is produced. This nanoscale nucleic acid structure makes it possible to produce small, high-density, high-definition functional nanodevices.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a novel method for producing a nucleic acid structure.
本実施の形態に係る核酸構造体を3次元的に表した概略模式図である。It is the schematic model which represented the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment three-dimensionally. 本実施の形態に係る核酸構造体を平面的に表した概略図である。It is the schematic which represented the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment planarly. 本実施の形態に係る核酸構造体の形成方法について説明するための図であり、(A)は本実施の形態に係るT字型核酸構造体を形成するために合成した4つのオリゴヌクレオチドが有する塩基配列を示す図であり、(B)は(A)に記載した塩基配列を有する4種のオリゴヌクレオチドを自己集積させることによって形成したT字型核酸構造体の、塩基間における水素結合状態を明瞭に表した概略図である。It is a figure for demonstrating the formation method of the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment, (A) has four oligonucleotides synthesize | combined in order to form the T-shaped nucleic acid structure which concerns on this Embodiment It is a figure which shows a base sequence, (B) is a hydrogen bond state between bases of the T-shaped nucleic acid structure formed by self-assembling four types of oligonucleotides which have the base sequence described in (A). It is the schematic expressed clearly. DNA二重螺旋構造の概略模式図である。It is a schematic diagram of a DNA double helix structure. DNA二重螺旋構造の主溝側及び副溝側における位相差について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phase difference in the main groove side and subgroove side of a DNA double helix structure. 分岐構造を有する核酸構造体を形成させるために用いたオリゴヌクレオチドの塩基配列と、その塩基配列が理論上形成し得る核酸構造体の概略図である。It is the schematic of the nucleic acid structure which the base sequence of the oligonucleotide used in order to form the nucleic acid structure which has a branched structure, and the base sequence can form theoretically. 図6に示した塩基配列を有するオリゴヌクレオチドを用いて反応させた反応溶液を電気泳動させた電気泳動結果図である。It is the electrophoresis result figure which electrophoresed the reaction solution made to react using the oligonucleotide which has a base sequence shown in FIG. 本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位とする第1の実施形態に係るナノ核酸構造物のユニット構造と当該ナノ核酸構造物の一部の概略図である。1 is a schematic diagram of a unit structure of a nanonucleic acid structure according to a first embodiment and a part of the nanonucleic acid structure according to the first embodiment in which the nucleic acid structure according to the present embodiment is a structural unit. 第1の実施形態に係るナノ核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nanonucleic acid structure which concerns on 1st Embodiment. 本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位とする第2の実施形態に係るナノ核酸構造物のユニット構造と当該ナノ核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nanonucleic acid structure which concerns on 2nd Embodiment which uses the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment as a structural unit, and a part of said nanonucleic acid structure. 第2の実施形態に係るナノ核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nanonucleic acid structure which concerns on 2nd Embodiment. 本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位とするナノ核酸構造物である2次元極座標構造の概略図である。It is the schematic of the two-dimensional polar coordinate structure which is a nanonucleic acid structure which uses the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment as a structural unit. 本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位とするナノ核酸構造物である3次元結晶構造の概略図である。It is the schematic of the three-dimensional crystal structure which is a nanonucleic acid structure which uses the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment as a structural unit. 本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位とするナノ核酸構造物である3次元曲面構造の概略図である。It is the schematic of the three-dimensional curved surface structure which is a nanonucleic acid structure which uses the nucleic acid structure which concerns on this Embodiment as a structural unit. 従来の核酸構造体であるクロスオーバー構造を示す概略図であり、(A)~(C)は種々のクロスオーバー構造を示す図である。FIG. 2 is a schematic view showing a crossover structure which is a conventional nucleic acid structure, and (A) to (C) are views showing various crossover structures. 従来の核酸構造体であるダブルクロスオーバー構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the double crossover structure which is the conventional nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のユニット構造と当該核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nucleic acid structure which concerns on embodiment, and a part of said nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nucleic acid structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る核酸構造物のユニット構造と当該核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nucleic acid structure which concerns on embodiment, and a part of said nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nucleic acid structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る核酸構造物のユニット構造と当該核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nucleic acid structure which concerns on embodiment, and a part of said nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nucleic acid structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る核酸構造物のユニット構造と当該核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nucleic acid structure which concerns on embodiment, and a part of said nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nucleic acid structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る核酸構造物のユニット構造と当該核酸構造物の一部の概略図である。It is the schematic of the unit structure of the nucleic acid structure which concerns on embodiment, and a part of said nucleic acid structure. 実施形態に係る核酸構造物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the nucleic acid structure which concerns on embodiment. 三角形構造単体の基本構造を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of a triangular structure single-piece | unit. モチーフ形状とそのDNA塩基配列を示す図である。It is a figure which shows a motif shape and its DNA base sequence. モチーフ同士が結合して構成する平面のイメージ図(モチーフ4つ分)である。It is an image figure (for four motifs) of a plane formed by combining motifs. DNA平面構造の作製手順を示す図である。It is a figure which shows the preparation procedure of DNA planar structure. 自由溶液中で作製した生成物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the product produced in the free solution. 基板上で作製したDNA構造のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the DNA structure produced on the board | substrate. 三角形構造単体の基本構造を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of a triangular structure single-piece | unit. モチーフ形状とそのDNA塩基配列を示す図である。It is a figure which shows a motif shape and its DNA base sequence. モチーフ同士が結合して構成する平面のイメージ図(モチーフ7つ分)である。It is an image figure (for seven motifs) of a plane formed by combining motifs. DNA平面構造の作製手順を示す図である。It is a figure which shows the preparation procedure of DNA planar structure. 自由溶液中で作製した生成物のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the product produced in the free solution. 基板上で作製したDNA構造のAFM観察画像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the DNA structure produced on the board | substrate. 基板上で作製したDNA構造のAFM観察画像を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the AFM observation image of the DNA structure produced on the board | substrate. クロスモチーフの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of a cross motif. クロスモチーフの配列例を示す図である。It is a figure which shows the sequence example of a cross motif. クロスモチーフにより構成される平面構造を示す図である。It is a figure which shows the planar structure comprised by a cross motif. 自由溶液中でアニールしたときのDNA構造のAFM観察画像を示す図(10×10μm)である。It is a figure (10x10 micrometer) which shows the AFM observation image of a DNA structure when annealed in a free solution. 基板上で作成されたクロスモチーフによるDNA平面構造のAFM観察画像を示す図(6×6μm)である。It is a figure (6x6micrometer) which shows the AFM observation image of the DNA planar structure by the cross motif created on the board | substrate. 図44の右下部分に相当する、基板上で作成されたDNA構造のAFM観察画像の拡大図(1×1μm)である。FIG. 45 is an enlarged view (1 × 1 μm) of an AFM observation image of a DNA structure created on a substrate, corresponding to the lower right part of FIG. 44.
符号の説明Explanation of symbols
 11 第1のオリゴヌクレオチド、12 第2のオリゴヌクレオチド、13 第3のオリゴヌクレオチド、14 第4のオリゴヌクレオチド 11 1st oligonucleotide, 12 2nd oligonucleotide, 13 3rd oligonucleotide, 14 4th oligonucleotide
 本発明は、特に、人工的に設計及び合成された糖、リン酸、及び塩基からなるオリゴヌクレオチドの自己集積(self-assembly)によって形成される核酸構造体と、この適切な設計に基づいて形成された核酸構造体を構造単位として作製されるナノメートルスケールの核酸構造物に係るものである。以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照にしながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、相補的な塩基配列とは、Watson-Crick相補性に基づく塩基対を形成し得る結合関係にある塩基配列をいう。 The present invention is particularly based on nucleic acid structures formed by self-assembly of oligonucleotides composed of artificially designed and synthesized sugars, phosphates, and bases, and this suitable design. The present invention relates to a nanometer-scale nucleic acid structure produced using the prepared nucleic acid structure as a structural unit. Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, a complementary base sequence refers to a base sequence in a binding relationship that can form a base pair based on Watson-Crick complementarity.
 図1は、本実施の形態に係る核酸構造体を3次元的に示した模式図である。図1に示すように、この核酸構造体は、核酸の二重螺旋の任意の位相において、この二重螺旋を垂直方向に分岐させるように折り曲げ、その折り曲げた部位に他の二重螺旋を接続するようにして分岐構造を形成させた構造を有している。 FIG. 1 is a schematic diagram three-dimensionally showing the nucleic acid structure according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, this nucleic acid structure is bent at any phase of the double helix of nucleic acid so that the double helix is branched in the vertical direction, and another double helix is connected to the bent portion. Thus, a branched structure is formed.
 ここで、本実施の形態に係る核酸構造体においては、核酸として、DNA、RNA、PNA等の核酸分子を用いることができる。以下では、具体的に、核酸分子として、DNAを用いた例について説明するが、本実施の形態に係る核酸構造体に用いられる核酸分子はDNAに限られるものではない。 Here, in the nucleic acid structure according to the present embodiment, nucleic acid molecules such as DNA, RNA, and PNA can be used as the nucleic acid. Hereinafter, an example in which DNA is used as a nucleic acid molecule will be described specifically, but the nucleic acid molecule used in the nucleic acid structure according to the present embodiment is not limited to DNA.
 図2は、本実施の形態に係る核酸構造体を平面的に表した概略模式図である。この図2における4本の矢印は、二重螺旋を構成するオリゴヌクレオチドを表し、その矢印の向きは各オリゴヌクレオチドの5’末端から3’末端への方向を示している。この図2に示すように、本実施の形態に係る核酸構造体は、一本鎖の自由端塩基配列を有する二重螺旋構造からなる第1のDNA分子と、一対のオリゴヌクレオチドの他方のオリゴヌクレオチドと非相補的な塩基配列であって、その自由端塩基配列と相補的な塩基配列を一方のオリゴヌクレオチドに有する二重螺旋構造からなる第2のDNA分子とが、当該自由端塩基配列と第2のDNA分子のその相補的結合関係を有する塩基配列との間で水素結合することによって形成される。 FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the nucleic acid structure according to the present embodiment in a plan view. The four arrows in FIG. 2 represent oligonucleotides constituting a double helix, and the direction of the arrows indicates the direction from the 5 'end to the 3' end of each oligonucleotide. As shown in FIG. 2, the nucleic acid structure according to the present embodiment includes a first DNA molecule having a double helix structure having a single-stranded free-end base sequence, and the other oligo of a pair of oligonucleotides. A second DNA molecule having a double-stranded structure having a nucleotide sequence that is non-complementary to the nucleotide and having a nucleotide sequence complementary to the free-end nucleotide sequence in one oligonucleotide, It is formed by hydrogen bonding with the base sequence having the complementary binding relationship of the second DNA molecule.
 具体的に説明すると、第1のDNA分子は、第1のオリゴヌクレオチド11と第2のオリゴヌクレオチド12とがその相補的結合関係を有する塩基間において水素結合することによって形成され、また、第2のDNA分子は、第3のオリゴヌクレオチド13と第4のオリゴヌクレオチド14とがその相補的結合関係を有する塩基間において水素結合することによって形成される。 More specifically, the first DNA molecule is formed by hydrogen bonding between the first oligonucleotide 11 and the second oligonucleotide 12 between the bases having the complementary binding relationship, This DNA molecule is formed by hydrogen bonding between the third oligonucleotide 13 and the fourth oligonucleotide 14 between the bases having the complementary binding relationship.
 第1の核酸分子を構成する第1のオリゴヌクレオチド11は、その5’末端に、二重螺旋を形成して第1の核酸分子を共に構成する第2のオリゴヌクレオチド12とは相補的な水素結合を形成し得ない、5塩基からなる自由端塩基配列を有している。 The first oligonucleotide 11 constituting the first nucleic acid molecule has a hydrogen complementary to the second oligonucleotide 12 that forms a double helix at the 5 ′ end and constitutes the first nucleic acid molecule together. It has a free-end base sequence consisting of 5 bases that cannot form a bond.
 また、第2の核酸分子を構成する第3のオリゴヌクレオチド13は、二重螺旋を形成して第2の核酸分子を共に構成する第4のオリゴヌクレオチド14とは相補的な水素結合を形成し得ない非相補的な塩基配列であって、第1のオリゴヌクレオチド11がその5’末端に有する自由端塩基配列と相補的な水素結合を形成する5塩基からなる塩基配列を、オリゴヌクレオチドの末端部ではない部位、すなわち非末端部に有している。 Further, the third oligonucleotide 13 constituting the second nucleic acid molecule forms a double helix and forms a complementary hydrogen bond with the fourth oligonucleotide 14 constituting the second nucleic acid molecule together. A non-complementary base sequence that cannot be obtained, and a base sequence consisting of 5 bases forming a hydrogen bond complementary to the free end base sequence of the first oligonucleotide 11 at its 5 'end is It is in a part that is not a part, that is, in a non-terminal part.
 そして、本実施の形態に係る核酸構造体は、第1のオリゴヌクレオチド11と第2のオリゴヌクレオチド12とが相補的結合関係を有する塩基間において水素結合を形成することによって二重螺旋構造からなる第1の核酸分子を生成し、また第3のオリゴヌクレオチド13と第4のオリゴヌクレオチド14とが相補的関係を有する塩基間において水素結合を形成することによって二重螺旋構造からなる第2の核酸分子を生成し、続いて、第1の核酸分子を構成する第1のオリゴヌクレオチド11が有する自由端塩基配列と、第2の核酸分子を構成する第3のオリゴヌクレオチド13が非末端部に有する上記自由端塩基配列と相補的な関係を有する塩基配列との間において、水素結合することによって形成されるようになっている。 The nucleic acid structure according to the present embodiment has a double helical structure by forming a hydrogen bond between the bases having the complementary binding relationship between the first oligonucleotide 11 and the second oligonucleotide 12. A second nucleic acid having a double helical structure by generating a first nucleic acid molecule and forming a hydrogen bond between bases having a complementary relationship between the third oligonucleotide 13 and the fourth oligonucleotide 14 A molecule is generated, and then the free-end base sequence of the first oligonucleotide 11 constituting the first nucleic acid molecule and the third oligonucleotide 13 constituting the second nucleic acid molecule have at the non-terminal part. It is formed by hydrogen bonding between the base sequence having a complementary relationship with the free end base sequence.
 その際、本実施の形態に係る核酸構造体は、第3のオリゴヌクレオチド13が有する、第4のオリゴヌクレオチド14と非相補的な塩基配列であって、自由端塩基配列と相補的な結合関係を形成する塩基配列部分において屈曲し、その屈曲部位に第2の核酸分子が接続されて、分岐構造を形成させた構造を有するようになり、またT字型の形状を構成するようになっている。 In that case, the nucleic acid structure according to the present embodiment has a base sequence that is non-complementary to the fourth oligonucleotide 14 of the third oligonucleotide 13 and has a complementary relationship with the free-end base sequence. Is bent at the base sequence portion that forms the structure, and the second nucleic acid molecule is connected to the bent portion to form a branched structure, and also forms a T-shape. Yes.
 以下では、さらに本実施の形態に係る核酸構造体について、この核酸構造体の形成方法、並びに当該T字型構造が形成されることの根拠の観点から詳細に説明し、続いて当該T字型核酸構造体を構造単位として作製することができるナノスケールの核酸構造物について説明していく。なお、本説明において、核酸構造体とは、図2に示すような第1の核酸分子と第2の核酸分子とが、1箇所の相補的な結合関係を有する部位において水素結合して形成される核酸複合体を意味し、また核酸構造物とは、その核酸構造体を構造物中に含み、あるいは、その核酸構造体を構造単位とすることによって形成される構造物を意味する。 Hereinafter, the nucleic acid structure according to the present embodiment will be described in detail from the viewpoint of the method for forming the nucleic acid structure and the basis for the formation of the T-shaped structure, and then the T-shaped structure. A nanoscale nucleic acid structure that can be prepared using a nucleic acid structure as a structural unit will be described. In this description, the nucleic acid structure is formed by hydrogen bonding between a first nucleic acid molecule and a second nucleic acid molecule as shown in FIG. 2 at one site having a complementary binding relationship. The nucleic acid complex means a structure formed by including the nucleic acid structure in the structure or by using the nucleic acid structure as a structural unit.
 <核酸構造体の形成方法>
 まず、本実施の形態に係るT字型形状を有した核酸構造体の形成方法について説明する。この形成方法に関する説明においては、具体的な塩基配列を設計したオリゴヌクレオチドを用いて説明する。
<Method of forming nucleic acid structure>
First, a method for forming a nucleic acid structure having a T-shape according to this embodiment will be described. In the description regarding this formation method, it demonstrates using the oligonucleotide which designed the specific base sequence.
 図3(A)は、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を形成するために合成した4つのオリゴヌクレオチドが有する塩基配列(配列番号:1乃至4)を示す図である。このオリゴヌクレオチドの塩基配列決定に際しては、塩基配列長に関する情報、すなわち、意図した順番で目的とする構造が形成されるような塩基配列長に関する情報を考慮して塩基配列を決定する。具体的には、まず、モチーフを構成する構成要素となるオリゴヌクレオチドが水素結合を形成して二重螺旋が形成されるように、その相補的塩基配列部分の配列長が長くなるように塩基配列を設計する。そして、その二重螺旋分子が形成された後、そのDNA分子同士を水素結合させることによって接続し、構成要素が組み合わさった核酸構造体が形成されるように、その接続部分となる相補的塩基配列部分を、短い塩基配列長で設計する。 FIG. 3 (A) is a diagram showing base sequences (SEQ ID NOs: 1 to 4) possessed by four oligonucleotides synthesized to form a T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment. When determining the base sequence of this oligonucleotide, the base sequence is determined in consideration of information on the base sequence length, that is, information on the base sequence length so that the target structure is formed in the intended order. Specifically, first, the base sequence so that the sequence length of its complementary base sequence portion is increased so that the oligonucleotide constituting the motif forms a hydrogen bond to form a double helix. To design. Then, after the double helix molecule is formed, the DNA molecules are connected by hydrogen bonding to form a nucleic acid structure in which the components are combined. The sequence portion is designed with a short base sequence length.
 このように、意図した順番でオリゴヌクレオチドがその相補的塩基配列部分において水素結合を形成してT字型形状からなる核酸構造体を形成させるために、結合部分の塩基配列長を考慮して配列の決定をする。これは、ハイブリダイゼーションするオリゴヌクレオチドが、その塩基配列長が長いものほど高い温度環境下において水素結合を形成し、塩基配列長が短くなるほど低い温度環境下において水素結合を形成するという性質を利用して、自己集積させるためである。 Thus, in order to form a nucleic acid structure consisting of a T-shaped oligonucleotide by forming a hydrogen bond in its complementary base sequence portion in the intended order, the oligonucleotide is sequenced in consideration of the base sequence length of the binding portion. Make a decision. This is because the longer the base sequence length of the oligonucleotide to be hybridized, the higher the temperature environment, the higher the temperature environment, and the shorter the base sequence length, the lower the temperature environment, the lower the temperature environment. This is for self-assembly.
 具体的な自己集積を起こすための操作についての詳細な説明は後述するが、オリゴヌクレオチドを含有させた溶液を高い温度から低い温度にかけて推移させることによって、まず長い塩基配列長を有したオリゴヌクレオチドを水素結合させてDNA分子を形成し、続いて低い温度において、形成されたDNA分子同士をより短い塩基配列部分において水素結合させて接続することによって、T字型形状からなる核酸構造体を形成する。 A detailed description of the operation for causing the specific self-assembly will be described later. First, an oligonucleotide having a long base sequence length is obtained by shifting the solution containing the oligonucleotide from a high temperature to a low temperature. A DNA molecule is formed by hydrogen bonding, and subsequently, at a low temperature, the formed DNA molecules are hydrogen-bonded and connected at a shorter base sequence portion to form a nucleic acid structure having a T-shape. .
 このように本実施の形態に係る核酸構造体は、適切な温度制御の下、意図した順番に相補的塩基配列部分で水素結合を形成させるために、塩基配列長に関する情報を考慮して塩基配列を決定する。実際には、塩基配列設計プログラムを用いて、使用する全ての塩基配列間に起こりうるハイブリダイゼーションを網羅的に検討し、目的とする構造を形成する場合を除いて、高い温度において意図しない塩基配列間での二重螺旋形成が起こらないように配列を決定する。そして、配列決定した塩基配列をもとに、固相合成法等の周知の方法によって人工的にオリゴヌクレオチドを合成する。 As described above, the nucleic acid structure according to the present embodiment has a base sequence in consideration of information on the base sequence length in order to form hydrogen bonds at complementary base sequence portions in the intended order under appropriate temperature control. To decide. In fact, using a base sequence design program, comprehensively examine possible hybridization between all base sequences to be used, and unless the target structure is formed, an unintended base sequence at a high temperature The sequence is determined so that no double helix formation occurs between them. Based on the determined base sequence, an oligonucleotide is artificially synthesized by a known method such as a solid phase synthesis method.
 図3(B)は、上述のようにして設計された図3(A)に記載した塩基配列を有する4種のオリゴヌクレオチドを自己集積させることによって形成したT字型形状からなる核酸構造体の、塩基間における水素結合状態を明瞭に表した概略模式図である。なお、この図において矢印の方向は、オリゴヌクレオチドのN末端(5’末端)からC末端(3’末端)への方向を示している。この図3(B)に示すように、このT字型形状の核酸構造体は、第1のオリゴヌクレオチド(α-)と第2のオリゴヌクレオチド(α+)とが相補的に結合することによって形成される第1の二重螺旋DNA分子と、第3のオリゴヌクレオチド(β+)と第4のオリゴヌクレオチド(β-)とが相補的に結合することによって形成される第2の二重螺旋DNA分子とから構成されている。 FIG. 3 (B) shows a nucleic acid structure having a T-shape formed by self-assembling four types of oligonucleotides having the base sequences shown in FIG. 3 (A) designed as described above. FIG. 2 is a schematic schematic view clearly showing a hydrogen bonding state between bases. In this figure, the direction of the arrow indicates the direction from the N-terminal (5′-end) to the C-terminal (3′-end) of the oligonucleotide. As shown in FIG. 3B, this T-shaped nucleic acid structure is formed by complementary binding of the first oligonucleotide (α−) and the second oligonucleotide (α +). Second double-stranded DNA molecule formed by complementary binding of the first double-stranded DNA molecule to be prepared, the third oligonucleotide (β +) and the fourth oligonucleotide (β-) It consists of and.
 第1のオリゴヌクレオチド(α-)と第2のオリゴヌクレオチド(α+)は、第1のオリゴヌクレオチド(α-)がその5’末端に有する自由端塩基配列CCCCC(図3(A)のα-:オリゴヌクレオチドの塩基配列中の四角囲み部分)を除いた、相補的結合関係を有する塩基配列間において水素結合を形成し、第1の二重螺旋DNA分子を形成している。すなわち、形成された第1の二重螺旋DNA分子は、一本鎖からなる自由端塩基配列CCCCCを有していることとなり、その部分が第2の二重螺旋DNA分子と接続する部分となっている。 The first oligonucleotide (α−) and the second oligonucleotide (α +) are composed of a free-end base sequence CCCCC (FIG. 3 (A) α−) that the first oligonucleotide (α−) has at its 5 ′ end. : A hydrogen bond is formed between the base sequences having a complementary binding relationship except for the square box portion in the base sequence of the oligonucleotide) to form a first double-stranded DNA molecule. That is, the formed first double-stranded DNA molecule has a single-stranded free-end base sequence CCCCC, and that portion becomes a portion connected to the second double-stranded DNA molecule. ing.
 一方、第3のオリゴヌクレオチド(β+)と第4のオリゴヌクレオチド(β-)は、第3のオリゴヌクレオチドがその非末端部に有する塩基配列GGGGG(図3(A)のβ+:オリゴヌクレオチドの塩基配列中の四角囲み部分)を除いた、相補的結合関係を有する塩基配列間において水素結合を形成し、第2の二重螺旋DNA分子を形成している。すなわち、第3のオリゴヌクレオチド(β+)は、その一連の塩基配列の途中において、第4のオリゴヌクレオチド(β-)と相補的結合関係と構築しない塩基配列GGGGGを有しており、第4のオリゴヌクレオチド(β-)の各塩基は、その相補的結合関係を有さない塩基配列部分GGGGGを飛ばして、その後の相補的塩基配列部分において第3のオリゴヌクレオチド(β+)と水素結合を形成し、第2の二重螺旋DNA分子を形成している。 On the other hand, the third oligonucleotide (β +) and the fourth oligonucleotide (β−) are composed of a base sequence GGGGG (β + in FIG. 3 (A): base of oligonucleotide) that the third oligonucleotide has at its non-terminal portion. A hydrogen bond is formed between the base sequences having a complementary binding relationship except for a square box portion in the sequence to form a second double helix DNA molecule. That is, the third oligonucleotide (β +) has a base sequence GGGGGG that does not form a complementary binding relationship with the fourth oligonucleotide (β−) in the middle of the series of base sequences. Each base of the oligonucleotide (β−) skips the base sequence portion GGGGGG that does not have its complementary binding relationship, and forms a hydrogen bond with the third oligonucleotide (β +) in the subsequent complementary base sequence portion. Forming a second double-stranded DNA molecule.
 このようにして形成された第2の二重螺旋DNA分子は、水素結合を形成していない遊離した塩基配列部分をそのDNA二重螺旋上に有しており、その結果、二重螺旋構造がその部位において屈曲した構造を形成するようになっている。また、その屈曲構造は二重螺旋構造を仮想的に円筒形状と想定したときに、その円筒形状に対して略垂直方向に屈曲した構造となっている。このような構造を形成する詳細な理由については後述するが、DNA二重螺旋の6塩基(bp)間の距離が、DNA自体の直径、換言すると、対向する相補的な塩基対間(対向塩基間)の長さと略一致しており、さらにそのときの主溝側(Major Groove側)における位相差が極めて小さいために形成され得るものである。 The second double helix DNA molecule formed in this way has a free base sequence portion not forming a hydrogen bond on the DNA double helix, and as a result, the double helix structure has a double helix structure. A bent structure is formed at that portion. Further, the bent structure is a structure bent in a substantially vertical direction with respect to the cylindrical shape when the double helical structure is assumed to be virtually cylindrical. Although the detailed reason for forming such a structure will be described later, the distance between the 6 bases (bp) of the DNA double helix is the diameter of the DNA itself, in other words, between the opposing complementary base pairs (opposing bases). The phase difference on the main groove side (Major Groove side) at that time is very small, and can be formed.
 このような構造上の特徴を有して形成された第2の二重螺旋DNA分子は、その遊離した塩基配列GGGGG部分において、第1の二重螺旋DNA分子と水素結合して接続されるようになっている。すなわち、図3(B)中X部分で示すように、上述した第1の二重螺旋DNA分子が有する一本鎖からなる自由端塩基配列CCCCCと、第2の二重螺旋DNA分子が有する遊離した塩基配列GGGGGとは、相補的な結合関係を有するように塩基配列設計されており、この部位において互いに水素結合を形成することにより、第1の二重螺旋DNA分子と第2の二重螺旋DNA分子とが接続され、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構築するようになっている。 The second double-stranded DNA molecule formed with such structural features is connected to the first double-stranded DNA molecule by hydrogen bonding at the free base sequence GGGGGG portion. It has become. That is, as shown by the X part in FIG. 3B, the free-end base sequence CCCCC consisting of the single strand of the first double-stranded DNA molecule described above and the freeness of the second double-stranded DNA molecule The base sequence GGGGGG is designed so as to have a complementary binding relationship, and by forming a hydrogen bond with each other at this site, the first double helix DNA molecule and the second double helix A DNA molecule is connected to construct a T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment.
 また、図3(A)に示すように、各オリゴヌクレオチドの塩基配列長に比して、第1のオリゴヌクレオチド(α-)及び第3のオリゴヌクレオチド(β+)が有する、第1の二重螺旋DNA分子と第2の二重螺旋DNA分子との接続部分となる塩基配列長は、極めて短く設計されていることから、高い温度から低い温度に温度制御して自己集積させて核酸構造体を形成することによって、まず各DNA分子が形成され、その後に、形成されたDNA分子同士が水素結合して接続し、T字型形状の核酸構造体を構築するようになっている。これにより、意図しない部位において水素結合が形成され、目的としない核酸構造体が形成されないようになっている。 In addition, as shown in FIG. 3A, the first duplex (α−) and the third oligonucleotide (β +) have a first duplex as compared to the base sequence length of each oligonucleotide. Since the base sequence length that becomes the connecting part between the helical DNA molecule and the second double helical DNA molecule is designed to be extremely short, the nucleic acid structure is self-assembled by controlling the temperature from a high temperature to a low temperature. By forming, each DNA molecule is first formed, and then, the formed DNA molecules are connected by hydrogen bonding to construct a T-shaped nucleic acid structure. As a result, hydrogen bonds are formed at unintended sites, and an unintended nucleic acid structure is not formed.
 このように、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を形成するためのオリゴヌクレオチドの塩基配列決定に関しては、適切な部位においてDNAの二重螺旋が屈曲するように考慮するとともに、適切な温度制御の下、意図した順番に相補的塩基配列部分で水素結合を形成させるための塩基配列長に関する情報を考慮して、使用する全ての塩基配列の間に起こりうるハイブリダイゼーションを網羅的に検討し、目的とする構造を形成する場合を除いて、高い温度において意図しない塩基配列間での二重螺旋形成が起こらないように配列を決定する。 Thus, regarding the nucleotide sequence determination of the oligonucleotide for forming the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, considering that the double helix of DNA bends at an appropriate site, Comprehensive possible hybridization between all base sequences used, considering information on base sequence length to form hydrogen bonds in complementary base sequence parts in the intended order under appropriate temperature control Except for the case where the desired structure is formed, the sequence is determined so that unintentional double helix formation does not occur between the base sequences at high temperatures.
 具体的に、5’末端に5塩基からなる自由端塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、そのオリゴヌクレオチドと相補的に水素結合を形成する塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとが二重螺旋DNA分子を形成するように塩基配列を決定し、また一方で、末端部ではない部位に上記自由端塩基配列と相補的結合関係を有する5塩基からなる塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、そのオリゴヌクレオチドと相補的に水素結合を形成する塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとが二重螺旋DNA分子を形成するように塩基配列を決定する。そして、これらの設計に基づいて合成された4種のオリゴヌクレオチドを、高い温度から低い温度に温度制御して自己集積させることによって、垂直方向に分岐した構造を有するT字型形状の核酸構造体を形成することができるようになっている。 Specifically, an oligonucleotide having a free-end base sequence consisting of 5 bases at the 5 ′ end and an oligonucleotide having a base sequence that forms a hydrogen bond complementary to the oligonucleotide form a double-stranded DNA molecule. On the other hand, an oligonucleotide having a base sequence consisting of 5 bases having a complementary binding relationship with the above-mentioned free end base sequence at a site other than the terminal portion, and hydrogen complementary to the oligonucleotide The nucleotide sequence is determined so that the oligonucleotide having the nucleotide sequence that forms a bond forms a double helix DNA molecule. A T-shaped nucleic acid structure having a structure branched in the vertical direction by self-assembling four kinds of oligonucleotides synthesized based on these designs from a high temperature to a low temperature under temperature control Can be formed.
 ところで、以上のようにして形成された本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体は、DNA二重螺旋構造を仮想的に円筒形状と想定したときに、その円筒形状に対して垂直方向に分岐した構造となるが、これは、二重螺旋構造の6塩基対(bp)間の距離がDNA二重螺旋構造自体直径、換言すると、対向する相補的な塩基対間の長さと略一致しており、さらにそのときの主溝(Major Groove)側の位相差が極めて小さいことによるものである。したがって、図1乃至図3に示すように、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数である6bp分の接続部分を形成し(特に、図1の塩基に付した番号1~6参照)、この6bpから1を減じた5塩基からなる塩基配列を粘着部分として形成することで、二重螺旋を垂直方向に伸長させることが可能となり、そして同じ5塩基からなる自由端塩基配列をもった第2の二重螺旋DNA分子と水素結合することによって、T字型形状の核酸構造体を形成することができるようになる。以下、この点について詳細に説明する。 By the way, the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment formed as described above is perpendicular to the cylindrical shape when the DNA double helix structure is assumed to be virtually cylindrical. The structure is branched in the direction. This is because the distance between 6 base pairs (bp) of the double helix structure is the diameter of the DNA double helix structure itself, in other words, the length between the opposing complementary base pairs. This is because the phase difference on the main groove (Major 溝 Groove) side at that time is extremely small. Therefore, as shown in FIG. 1 to FIG. 3, a connecting portion corresponding to 6 bp which is the number of bases constituting the oligonucleotide having a length corresponding to the length between the opposing complementary base pairs is formed (particularly, FIG. By forming a base sequence consisting of 5 bases obtained by subtracting 1 from 6 bp as a sticky part, it becomes possible to extend the double helix in the vertical direction, and A T-shaped nucleic acid structure can be formed by hydrogen bonding with a second double-stranded DNA molecule having a free-end base sequence composed of the same five bases. Hereinafter, this point will be described in detail.
 <DNA二重螺旋構造の特性からの検証>
 水溶液中におけるDNAは、B型DNAと呼ばれるコンフォメーションをとる。図4は、そのB型DNAの構造模式図である。図4に示すように、B型DNAは、右巻き二重螺旋構造からなり、1塩基対(bp)につき34.3°の回転、即ち10.5bpで一周(360°)する構造となっている。また、このB型DNAにおける塩基対間の二重螺旋方向への距離は、略0.34nm(3.4オングストローム)であり、さらにDNA二重螺旋構造の直径は、略2.37nm(23.7オングストローム)である。以下では、まず、本実施の形態に係る核酸構造体が、垂直方向に枝を伸長させてT字型形状を形成することに関し、DNA二重螺旋構造の各距離および位相差に基づく計算によって説明する。
<Verification from the characteristics of DNA double helix structure>
DNA in an aqueous solution takes a conformation called B-type DNA. FIG. 4 is a structural schematic diagram of the B-type DNA. As shown in FIG. 4, B-type DNA has a right-handed double helix structure, and is rotated by 34.3 ° per base pair (bp), that is, has a structure that makes one round (360 °) at 10.5 bp. Yes. The distance in the double helix direction between the base pairs in the B-type DNA is about 0.34 nm (3.4 angstroms), and the diameter of the DNA double helix structure is about 2.37 nm (23. 23 nm). 7 angstroms). In the following, first, the nucleic acid structure according to the present embodiment will be explained by calculation based on each distance and phase difference of the DNA double helix structure, with respect to forming a T-shaped shape by extending branches in the vertical direction. To do.
 上述したように、DNA二重螺旋構造の直径は、略2.37nm(23.7オングストローム)であることが一般的に知られている。しかしながら、DNAの対向塩基は、図4に模式的に示すDNA二重螺旋構造のような完全に反対の位相になる位置関係を構成するようには存在しておらず、実際にはDNAの対向塩基は、対向塩基バックボーン間の角度がその二重螺旋の中心に対して約135°~140°となる位置関係に存在している。したがって、この対向塩基バックボーン間の角度を考慮し、対向塩基バックボーン間の角度を135°として(1)の計算式のように計算すると、DNA二重螺旋構造の直径は、
2×2.37/2×sin(135°/2)≒2.19(nm)・・・・・(1)
となる。
As described above, it is generally known that the diameter of the DNA double helix structure is approximately 2.37 nm (23.7 angstroms). However, the opposite base of DNA does not exist so as to constitute a positional relationship having completely opposite phases as in the DNA double helix structure schematically shown in FIG. The bases are in a positional relationship such that the angle between the opposing base backbones is about 135 ° to 140 ° with respect to the center of the double helix. Therefore, considering the angle between the opposing base backbones and calculating the angle between the opposing base backbones to 135 ° as in the formula (1), the diameter of the DNA double helix structure is:
2 × 2.37 / 2 × sin (135 ° / 2) ≈2.19 (nm) (1)
It becomes.
 このDNA二重螺旋構造の直径に基づき、この二重螺旋構造を円筒形状と想定したときの、その円筒形状に対して垂直方向に二重螺旋を分岐させ、伸長させることを考える。上述のようにDNA二重螺旋構造の直径の値は2.19nmであることから、下記(2)の計算式より、
2.19/0.34≒6.44(bp)・・・・・(2)
すなわち、約6から7bp分の長さがDNA二重螺旋構造の直径の長さ、換言すると、対向する相補的な塩基対間の長さに相当することとなり、したがって、6または7bp分の間隔を空けた接続部分を形成し、この6もしくは7bpから1を減じた5もしくは6塩基からなる塩基配列を粘着部分として形成することで、同じ5もしくは6塩基からなる自由端塩基配列が形成された第2の二重螺旋DNA分子と水素結合し、二重螺旋を上述したように垂直方向に伸長させることが可能となる。
Based on the diameter of this DNA double helix structure, when this double helix structure is assumed to be a cylindrical shape, let us consider branching and extending the double helix in a direction perpendicular to the cylindrical shape. Since the value of the diameter of the DNA double helix structure is 2.19 nm as described above, from the calculation formula (2) below,
2.19 / 0.34≈6.44 (bp) (2)
That is, the length of about 6 to 7 bp corresponds to the length of the diameter of the DNA double helix structure, in other words, the length between opposing complementary base pairs, and therefore, the distance of 6 or 7 bp. A free-end base sequence consisting of the same 5 or 6 bases was formed by forming a connecting portion with a gap and forming a base sequence consisting of 5 or 6 bases obtained by subtracting 1 from this 6 or 7 bp as an adhesive portion. Hydrogen bonds with the second double helix DNA molecule, allowing the double helix to extend vertically as described above.
 次に、本実施の形態に係る核酸構造体におけるDNA二重螺旋構造の位相に関し、図5を参照して説明する。図3のDNA二重螺旋構造の構造模式図にも示されるように、DNA二重螺旋構造は、大きな溝である主溝(Major Groove)と、小さな溝である副溝(Minor Groove)とが、交互に繰り返される構造となっている。このとき、上述したように6または7bp分の間隔をとってDNA二重螺旋構造を垂直方向に伸長させようとする場合、その6または7bp分の間隔を取り得る部位は、主溝側と副溝側の2箇所が存在することになる。 Next, the phase of the DNA double helix structure in the nucleic acid structure according to the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the structural schematic diagram of the DNA double helix structure in FIG. 3, the DNA double helix structure has a main groove that is a large groove (Major 大 き な Groove) and a minor groove that is a small groove (Minor Groove). The structure is repeated alternately. At this time, when an attempt is made to extend the DNA double helix structure in the vertical direction with an interval of 6 or 7 bp as described above, the sites that can have an interval of 6 or 7 bp are the main groove side and the secondary groove. There are two locations on the groove side.
 ここで、DNA二重螺旋構造における、6bp分での位相差を考慮すると、DNA二重螺旋構造が10.5bpで一周する構造となっていることから、1bpあたりにおける二重螺旋の回転角度は、360°/10.5≒34.3°となる。そして、対向塩基バックボーン間の角度が135°であることを利用すると、下記(3),(4)の計算式より、
Major Groove:360°-(34.3°×6+135°)=19.2°・・・・・(3)
Minor Groove:34.3°×6-135°=70.8°・・・・・(4)
と、主溝側と副溝側における位相差を求めることができ、副溝側における位相差よりも主溝側における位相差の方が小さいことがわかる。また、7bp分での位相差を同様に考慮すると、下記(5)(6)の計算式より、
Major Groove:360°-(34.3°×7+135°)=-15.1°・・・・(5)
Minor Groove:34.3°×6-135°=105.1°・・・・(6)
と、この場合も副溝側における位相差よりも主溝側における位相差の方が小さいことがわかる。
Here, considering the phase difference of 6 bp in the DNA double helix structure, since the DNA double helix structure has a structure that makes one round at 10.5 bp, the rotation angle of the double helix per 1 bp is 360 ° / 10.5≈34.3 °. Then, using the fact that the angle between the opposing base backbones is 135 °, from the following formulas (3) and (4):
Major Groove: 360 °-(34.3 ° × 6 + 135 °) = 19.2 ° (3)
Minor Groove: 34.3 ° × 6-135 ° = 70.8 ° (4)
Thus, the phase difference between the main groove side and the sub groove side can be obtained, and it can be seen that the phase difference at the main groove side is smaller than the phase difference at the sub groove side. In addition, when the phase difference at 7 bp is considered in the same manner, from the following formulas (5) and (6),
Major Groove: 360 °-(34.3 ° × 7 + 135 °) = − 15.1 ° (5)
Minor Groove: 34.3 ° × 6-135 ° = 105.1 ° (6)
In this case also, it is understood that the phase difference on the main groove side is smaller than the phase difference on the sub groove side.
 このように、副溝側における位相差よりも主溝側における位相差の方が小さいことから、副溝側におけるDNA二重螺旋の伸長よりも主溝側におけるDNA二重螺旋の伸長の方がより好ましく、主溝側においてDNA二重螺旋を垂直方向に分岐させて、T字型形状からなる核酸構造体を形成するのに適しているということができる。 As described above, since the phase difference on the main groove side is smaller than the phase difference on the sub groove side, the extension of the DNA double helix on the main groove side is longer than the extension of the DNA double helix on the sub groove side. More preferably, it can be said that the DNA double helix is branched in the vertical direction on the main groove side to be suitable for forming a nucleic acid structure having a T-shape.
 以上の具体例に示すように、DNA二重螺旋構造の主溝側において6ないしは7bp分、すなわち、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数分の間隔を空けた接続部分を形成(6ないしは7bp-1=5ないしは6塩基からなる粘着部分を形成)することによって、DNA二重螺旋を上述したように垂直方向に伸長させることが可能となる。なお、このT字型形状は一本の二重螺旋で分岐構造を接続した外観を有するため、分岐部に生じた二重螺旋部の歪み(ねじれをふくむ)をある程度解消することが可能である。そのため、多少の設計上のズレが生じようとも解消が可能である。さらにいえば、自由端塩基配列長は5,6だけでなく、例えば7塩基でも、それにより生じる歪みが解消できる限り作製可能である。 As shown in the above specific examples, the number of bases constituting an oligonucleotide of 6 to 7 bp on the main groove side of the DNA double helix structure, that is, the length corresponding to the length between opposing complementary base pairs It is possible to extend the DNA double helix in the vertical direction as described above by forming a connecting portion with an interval of minutes (forming an adhesive portion consisting of 6 or 7 bp-1 = 5 or 6 bases). Become. In addition, since this T-shaped shape has an appearance in which a branch structure is connected by a single double helix, it is possible to eliminate distortion (including twist) of the double helix part generated in the branch part to some extent. . Therefore, even if a slight design deviation occurs, it can be resolved. Furthermore, the free-end base sequence length is not limited to 5 and 6, but can be prepared with 7 bases, for example, as long as distortion caused thereby can be eliminated.
 <電気泳動に基づく構造形成実証実験>
 以上のDNA二重螺旋構造の構造特性及び位相についての関係を踏まえて、主溝側における伸長と副溝側における伸長に関し、本実施形態に係るT字型形状をした核酸構造体の構造形成における違いの発生について、電気泳動を用いた実証実験結果に基づいて説明する。
<Structural demonstration experiment based on electrophoresis>
Based on the relationship between the structural characteristics and phase of the DNA double helix structure described above, regarding the extension on the main groove side and the extension on the sub groove side, in the structure formation of the T-shaped nucleic acid structure according to this embodiment The occurrence of the difference will be described based on the results of a demonstration experiment using electrophoresis.
 この実証実験においては、意図した順番で各オリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションして自己集積し、目的とするT字型形状の核酸構造体が形成されるように、塩基配列設計プログラムを用いて網羅的に塩基配列を設計し、下記の(I)で表される4種からなるオリゴヌクレオチドを人工的に合成し、この4種のオリゴヌクレオチドを用いて構造を形成した。なお、下記(I)に示した塩基配列(配列番号:1乃至4)を有するオリゴヌクレオチドは、主溝側(Major Groove側)においてDNA二重螺旋が分岐、すなわち垂直方向に伸長するように構造形成させるためのオリゴヌクレオチドであり、副溝側(Minor Groove側)に伸長するように構造形成させるにあたっては、下記の5’末端→3’末端の方向に記載された(I)のオリゴヌクレオチドに対し、5’末端→3’末端の方向が逆転した(II)に記載の塩基配列(配列番号:5乃至8)を有したオリゴヌクレオチドを用いることによって形成させた。 In this demonstration experiment, each nucleotide was hybridized and self-assembled in the intended order, and a comprehensive T-shaped nucleic acid structure was formed using a base sequence design program. A nucleotide sequence was designed, and four types of oligonucleotides represented by the following (I) were artificially synthesized, and a structure was formed using these four types of oligonucleotides. The oligonucleotide having the base sequence (SEQ ID NO: 1 to 4) shown in the following (I) has a structure in which the DNA double helix branches in the main groove side (Major (Groove side), that is, extends in the vertical direction. In order to form a structure so as to extend to the minor groove side (Minor Groove side), the oligonucleotide (I) described in the following 5 ′ end → 3 ′ end direction On the other hand, it was formed by using an oligonucleotide having the base sequence (SEQ ID NO: 5 to 8) described in (II) in which the direction from the 5 ′ end to the 3 ′ end was reversed.
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 図6は、上記(I)及び(II)に記載のオリゴヌクレオチドを用いて理論上とり得るT字型形状の核酸構造体の概略模式図である。 FIG. 6 is a schematic diagram of a T-shaped nucleic acid structure that can be theoretically obtained using the oligonucleotides described in (I) and (II) above.
 なお、当該核酸構造体の構造形成手順は、周知の方法であるワンポットアニーリング法により行った。具体的には、まず、上記塩基配列を決定して人工的に合成した各オリゴヌクレオチドを、濃度が1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解し、溶解させた各オリゴヌクレオチドをそれぞれ分注し、全て等量ずつ一本の反応用チューブに入れて混合させた。次に、その混合溶液を、約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内のオリゴヌクレオチドをハイブリダイゼーションさせた。このアニーリング操作は、サーマルサイクラー(エッペンドルフ社製)を用いて、24時間程度かけて継続的に冷却させることによって行った。このようにしてアニーリングさせたサンプルは、恒温槽に入れて約3℃にて保存させておいた。 In addition, the structure formation procedure of the said nucleic acid structure was performed by the one-pot annealing method which is a well-known method. Specifically, first, each oligonucleotide artificially synthesized by determining the base sequence was dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 1 μM, Dissolved oligonucleotides were dispensed and mixed in equal amounts in a single reaction tube. Next, the mixed solution was allowed to hybridize by slowly cooling to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. This annealing operation was performed by continuously cooling for about 24 hours using a thermal cycler (manufactured by Eppendorf). The sample thus annealed was placed in a thermostatic bath and stored at about 3 ° C.
 このアニーリング操作においては、塩基配列長の長いオリゴヌクレオチド同士が高い温度において相補的な関係にある塩基間で水素結合することから、例えば、主溝側における垂直方向への伸長を目的として合成した上記(I)に示す塩基配列を有するオリゴヌクレオチドは、高い温度から低い温度にかけて反応溶液を推移させるに従って、まずα+:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐TATATTATATAGAATAATAAGAGACTATACTAGAA-3’(配列番号:1)とα-:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐CCCCCTTCTAGTATAGTCTCTTATTATTCTATATAATATA-3’(配列番号:2)とがその相補的な塩基間において水素結合して二重螺旋を形成し、次にβ+:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐TGGGCAGCGGGGGGATTAAAACTATAATTC-3’(配列番号:3)とβ-:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐GAATTATAGTTTTAATCGCTGCCCA-3’(配列番号:4)とがその相補的な塩基間において水素結合して二重螺旋を形成する。そして続いて、α+とα-とによって形成されたDNA二重螺旋と、β+とβ-とによって形成されたDNA二重螺旋との間において、その遊離した相補的な関係を有する塩基配列間において水素結合し、目的とするT字型形状の核酸構造体を形成させていく。 In this annealing operation, oligonucleotides having a long base sequence length are hydrogen-bonded between bases in a complementary relationship at a high temperature. For example, the above-mentioned synthesis was performed for the purpose of extending in the vertical direction on the main groove side. In the oligonucleotide having the base sequence shown in (I), α +: oligonucleotide base sequence 5′-TATATTATATAGAATAATAAGAGACTATACTAGAA-3 ′ (SEQ ID NO: 1) and α− : Base sequence of oligonucleotide 5'-CCCCCTTCTAGTATAGTCTCTTATTATTCTATATAATATA-3 '(SEQ ID NO: 2) forms hydrogen bonds between its complementary bases to form a double helix, then β +: oligonucleotide base sequence 5' -TGGGCAGCGGGGGGATTAAAACTATAATTC-3 '(SEQ ID NO: 3) and β-: oligonucleotide base sequence 5'-GAATTATAGT TTTAATCGCTGCCCA-3 '(SEQ ID NO: 4) forms a double helix by hydrogen bonding between its complementary bases. Then, between the DNA double helix formed by α + and α− and the DNA double helix formed by β + and β−, between the nucleotide sequences having the free complementary relationship Hydrogen bonds to form the target T-shaped nucleic acid structure.
 図7は、上述のようにしてハイブリダイゼーションさせた反応溶液を電気泳動した実験結果である。なお、この図6において、レーン2のサンプルはα+を含有し、レーン3のサンプルはα-を含有し、レーン4のサンプルはβ+を含有し、レーン5のサンプルはβ-を含有し、レーン6のサンプルはα+及びα-を含有し、レーン7のサンプルはβ+及びβ-を含有し、レーン8のサンプルは副溝側における枝の伸長を目的とした全てのヌクレオチド(α+、α-、β+、β-)を含有し、レーン9のサンプルは主溝側における枝の伸長を目的とした全てのヌクレオチド(α+、α-、β+、β-)を含有するものである。なお、電気泳動にあたっては、12%ポリアクリルアミドゲル及びMg2+濃度が12.5mMのTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))液を用いて行った。 FIG. 7 shows the experimental results of electrophoresis of the reaction solution hybridized as described above. In FIG. 6, the sample in lane 2 contains α +, the sample in lane 3 contains α−, the sample in lane 4 contains β +, the sample in lane 5 contains β−, Sample 6 contains α + and α−, sample in lane 7 contains β + and β−, and sample in lane 8 contains all nucleotides (α +, α−, The sample in lane 9 contains all nucleotides (α +, α−, β +, β−) for the purpose of branch extension on the main groove side. The electrophoresis was performed using a 12% polyacrylamide gel and a TAE buffer solution (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) having a Mg 2+ concentration of 12.5 mM.
 この図7に示す電気泳動結果図から明らかなように、二重螺旋構造の副溝側における枝の伸長を目的とした全てのオリゴヌクレオチド(α+、α-、β+、β-)を含有するサンプルであるレーン8では、α+とα-とが水素結合することによって構成される二重螺旋と、β+とβ-とが水素結合することによって構成される二重螺旋とを示すバンドが確認され、各二重螺旋におけるその遊離した相補的な関係を有する塩基配列間においては水素結合を形成せず、完全に分離していることがわかる。 As is apparent from the electrophoretic results shown in FIG. 7, the sample contains all oligonucleotides (α +, α−, β +, β−) for the purpose of extending the branch on the minor groove side of the double helix structure. In Lane 8, a band indicating a double helix formed by hydrogen bonding of α + and α− and a double helix formed by hydrogen bonding of β + and β− was confirmed, It can be seen that hydrogen bonds are not formed between the base sequences having the free complementary relationship in each double helix and are completely separated.
 これに対し、二重螺旋構造の主溝側における枝の伸長を目的とした全てのオリゴヌクレオチド(α+、α-、β+、β-)を含有するサンプルであるレーン9では、薄く現れたα+とα-とから構成される二重螺旋を示すバンドの上に、さらに大きな構造を示すバンドが観察されていることがわかる。ここで、上記(I)で示す塩基配列を有するオリゴヌクレオチドを用いた実験においては、α+とα-とから構成される二重螺旋よりも大きな構造となり得るのは、全ての配列が構造形成に関与した構造、すなわち、α+とα-とが水素結合することによって構成される二重螺旋と、β+とβ-とが水素結合することによって構成される二重螺旋とが、各二重螺旋におけるその遊離した相補的な関係を有する塩基配列間において水素結合することによって形成されるT字型形状の核酸構造しかない。したがって、レーン9におけるサンプルには、DNA二重螺旋構造の任意の位相において垂直方向に伸長してT字型を形成した核酸構造体が形成されていたということが判明し、このことから、主溝側における垂直方向への二重螺旋の伸長でのみ、T字型形状の核酸構造体が形成されることが実証された。 In contrast, in Lane 9, which is a sample containing all oligonucleotides (α +, α−, β +, β−) for the purpose of extending branches on the main groove side of the double helix structure, α + It can be seen that a band showing a larger structure is observed on a band showing a double helix composed of α-. Here, in the experiment using the oligonucleotide having the base sequence shown in (I) above, the structure larger than the double helix composed of α + and α− The structures involved, ie, the double helix formed by hydrogen bonding of α + and α−, and the double helix formed by hydrogen bonding of β + and β− are in each double helix. There is only a T-shaped nucleic acid structure formed by hydrogen bonding between the base sequences having the free complementary relationship. Therefore, it was found that the sample in lane 9 was formed with a nucleic acid structure that formed a T-shape by extending vertically in an arbitrary phase of the DNA double helix structure. It was demonstrated that a T-shaped nucleic acid structure was formed only by extending the double helix in the vertical direction on the groove side.
 なお、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を形成するためのオリゴヌクレオチドは、上記(I)に記載したオリゴヌクレオチドの配列には限定されない。例えば、2つの二重螺旋DNAが水素結合を形成して核酸構造体を形成する相補的塩基配列部分は、(I)に記載のオリゴヌクレオチドでは、シトシン(C)とグアニン(G)の塩基を配列させたが、これに限られるものではなく、アデニン(A)とチミン(T)の塩基を配列させるようにしてもよく、当然にアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)を組み合わせた塩基配列としてもよい。 The oligonucleotide for forming the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment is not limited to the oligonucleotide sequence described in (I) above. For example, in the oligonucleotide according to (I), the bases of cytosine (C) and guanine (G) are used as complementary base sequence parts in which two double-stranded DNAs form a hydrogen bond to form a nucleic acid structure. However, the present invention is not limited to this, and bases of adenine (A) and thymine (T) may be arranged. Naturally, adenine (A), thymine (T), guanine (G), The base sequence may be a combination of cytosine (C).
 また、以上では、核酸分子としてDNAを用いた具体例について説明したが、核酸分子はDNAに限られるものではなく、また接続部分に形成する間隔は主溝側6または7bp分の間隔に限定されるものではない。すなわち、RNAやPNA等の核酸分子を用いて本実施の形態に係る核酸構造体を形成することも可能である。上述のDNAを用いた例においては、具体的に、DNA二重螺旋構造の主溝側において、二重螺旋の直径の長さ、換言すると、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数である5または6bp分の間隔を空けた接続部分を形成することによって、DNA二重螺旋を垂直方向に伸長させることができるという例を用いて説明したが、核酸分子としてRNAやPNA等を用いる場合においても、RNA又はPNAの二重螺旋構造において、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数分の間隔を空けた接続部分を形成することによって、二重螺旋を垂直方向に伸長させることが可能となる。すなわち、二重螺旋構造において、上記の説明と同様に、その対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数から1を減じた塩基数からなる塩基配列を粘着部分として形成することによって、二重螺旋を垂直方向に伸長させることが可能となる。そして、その粘着部分において、粘着部分と同じ塩基数であって、相補的な結合関係にある塩基配列を自由端塩基配列として有する他の二重螺旋を、当該部位において水素結合させることによって、T字型形状の核酸構造体を形成することが可能となる。したがって、核酸としてはDNAに限られず、RNAやPNA等用いてもよく、このことから当然に対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数は5または6塩基とは限られない。 In the above, specific examples using DNA as a nucleic acid molecule have been described. However, the nucleic acid molecule is not limited to DNA, and the interval formed at the connecting portion is limited to the interval corresponding to the main groove side 6 or 7 bp. It is not something. That is, the nucleic acid structure according to this embodiment can be formed using nucleic acid molecules such as RNA and PNA. In the example using the above DNA, specifically, on the main groove side of the DNA double helix structure, it corresponds to the length of the diameter of the double helix, in other words, the length between the opposing complementary base pairs. The DNA double helix can be extended in the vertical direction by forming a connecting portion with an interval of 5 or 6 bp that is the number of bases to be the length of the nucleic acid molecule. Even in the case of using RNA, PNA, etc., in the double helical structure of RNA or PNA, a connecting portion is formed with an interval corresponding to the number of bases corresponding to the length between opposing complementary base pairs. This makes it possible to extend the double helix in the vertical direction. That is, in the double helix structure, as described above, a base consisting of the number of bases obtained by subtracting 1 from the number of bases constituting an oligonucleotide having a length corresponding to the length between the opposing complementary base pairs. By forming the array as an adhesive portion, the double helix can be extended in the vertical direction. Then, in the adhesive portion, another double helix having the same base number as that of the adhesive portion and having a complementary binding relationship as a free-end base sequence is hydrogen-bonded at the site, so that T A character-shaped nucleic acid structure can be formed. Therefore, the nucleic acid is not limited to DNA, and RNA or PNA may be used. Therefore, the number of bases corresponding to the length between the complementary base pairs facing each other is naturally 5 or 6 bases. Not limited.
 また、DNAを核酸分子として用いた場合においても、接続する部分の塩基配列によって、二重螺旋の直径の長さが変化する場合があるが、この場合においても、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数分の間隔を空けた接続部分を形成することによって、二重螺旋を垂直方向に伸長させることが可能となる。 In addition, even when DNA is used as a nucleic acid molecule, the length of the double helix diameter may vary depending on the base sequence of the connecting portion. By forming the connecting portions spaced by the number of bases corresponding to the length of the double helix, the double helix can be extended in the vertical direction.
 以上説明したように、DNAを用いた場合、二重螺旋構造の主溝側における位相差が極めて小さく、その主溝側において、二重螺旋の直径の長さ、換言すると、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数分の間隔を空けた接続部分を形成し、その対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数から1を減じた塩基数からなる自由端塩基配列を5’末端に有する第1のオリゴヌクレオチドと、その第1のオリゴヌクレオチドと相補的な関係を有する塩基配列を有する第2のオリゴヌクレオチド、並びに、その自由端塩基配列と相補的に結合する上記の対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数から1を減じた塩基数からなる塩基配列を非末端部に有する第3のオリゴヌクレオチドと、第3のオリゴヌクレオチドと相補的な関係を有する塩基配列を有する第4のオリゴヌクレオチド、とを含有する溶液を、周知のアニーリング操作によって反応させることによって、垂直方向に分岐する構造を有し、T字型形状をした核酸構造体を形成することができるようになっている。 As described above, when DNA is used, the phase difference on the main groove side of the double helix structure is extremely small, and on the main groove side, the length of the diameter of the double helix, in other words, the opposite complementary Bases constituting an oligonucleotide having a length corresponding to the length between the opposing complementary base pairs, forming a connecting portion with an interval corresponding to the number of bases corresponding to the length corresponding to the length between base pairs A first oligonucleotide having a free-end base sequence consisting of the number of bases obtained by subtracting 1 from the number at the 5 ′ end, and a second oligonucleotide having a base sequence having a complementary relationship with the first oligonucleotide, And a base sequence comprising the number of bases obtained by subtracting 1 from the number of bases constituting the oligonucleotide having a length corresponding to the length between the above-mentioned complementary base pairs opposed to each other complementary to the free-end base sequence By reacting a solution containing a third oligonucleotide having a non-terminal portion and a fourth oligonucleotide having a base sequence having a complementary relationship with the third oligonucleotide by a well-known annealing operation A nucleic acid structure having a structure branched in the vertical direction and having a T-shape can be formed.
 また、同様に、核酸としてRNAやPNA等を用いた場合においても、RNA又はPNAの二重螺旋構造において、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数分の間隔を空けた接続部分を形成することによって、二重螺旋を垂直方向に伸長させることが可能となり、垂直方向に分岐する構造を有したT字型形状の核酸構造体を形成することができるようになっている。 Similarly, even when RNA, PNA, or the like is used as a nucleic acid, in the double helical structure of RNA or PNA, an interval corresponding to the number of bases corresponding to the length between opposing complementary base pairs By forming the connecting portion with a gap, it is possible to extend the double helix in the vertical direction, and to form a T-shaped nucleic acid structure having a structure that branches in the vertical direction. It has become.
 従来のクロスオーバー等の核酸構造体では、隣り合った二重螺旋の位相が揃っている部位以外では、DNA分子の分岐構造を形成させることができず、DNA分子自体が持つ空間分解能と比較して、その核酸構造体を用いて作製できる構造モチーフのサイズが大きくなってしまうという問題があったが、本実施の形態に係る核酸構造体によれば、DNA二重螺旋構造の主溝側の位相であればどこでも分岐構造を形成することが可能となっており、この核酸構造体を構造単位とすることによって、空間分解能の高い核酸構造物を作製することが可能となる。具体的には、主溝側の同位相に枝を伸長させる場合には、およそ10.5×n(bp)(n=1,2,3,・・・)毎に分岐を形成させることが可能となり、また主溝側の逆位相に枝を伸長させる場合には、およそ10.5×m+5.25(bp)(m=0,1,2,・・・)毎に分岐構造を形成させることが可能となる。 A conventional nucleic acid structure such as a crossover cannot form a branched structure of a DNA molecule except in a region where the phases of adjacent double helices are aligned, which is compared with the spatial resolution of the DNA molecule itself. Thus, there is a problem that the size of the structural motif that can be produced using the nucleic acid structure becomes large. However, according to the nucleic acid structure according to the present embodiment, the main groove side of the DNA double helix structure is A branched structure can be formed anywhere as long as it is in phase. By using this nucleic acid structure as a structural unit, a nucleic acid structure with high spatial resolution can be produced. Specifically, when the branch is extended in the same phase on the main groove side, the branch may be formed at approximately every 10.5 × n (bp) (n = 1, 2, 3,...). When a branch is extended to the opposite phase on the main groove side, a branch structure is formed at approximately every 10.5 × m + 5.25 (bp) (m = 0, 1, 2,...). It becomes possible.
 また、任意の位相において分岐構造を形成することが可能となるので、垂直方向に直交させたより多くの構造物を形成し利用することができ、このようにして形成された多様な構造体を組み合わせることによって、多様なナノスケールの核酸構造物を作製することができる。そしてさらに、クロスオーバー等の既存の構造と組み合わせることも可能となり、多様性という点において、さらに多くの構造を設計することが可能となる。 In addition, since it is possible to form a branch structure at an arbitrary phase, more structures orthogonal to the vertical direction can be formed and used, and various structures thus formed can be combined. Thus, various nanoscale nucleic acid structures can be produced. Furthermore, it can be combined with an existing structure such as a crossover, and more structures can be designed in terms of diversity.
 以下では、上述したT字型核酸構造体を構造単位として用いて作製されるナノスケールの核酸構造物について説明する。なお、以下においても、核酸としてDNAを用い、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さのオリゴヌクレオチドを構成する塩基数である6bp分の間隔を空けた接続部分を形成(6bp-1=5塩基からなる粘着部分を形成)することによって、DNA二重螺旋を垂直方向に伸長させる場合の具体例について説明するが、核酸分子はDNAに限られるものではなく、RNAやPNA等を用いた場合であっても、対向する相補的な塩基対間の長さに相当する長さとなる塩基数分の間隔を空けた接続部分が形成されるように、また意図した順序でハイブリダイゼーションされるように、適切な塩基配列を設計することによって、以下に説明するようなナノスケールの核酸構造物を作製することができることは言うまでもない。 Hereinafter, a nanoscale nucleic acid structure produced using the above-described T-shaped nucleic acid structure as a structural unit will be described. In the following, DNA is used as a nucleic acid, and a connecting portion is formed with an interval of 6 bp, which is the number of bases constituting an oligonucleotide having a length corresponding to the length between opposing complementary base pairs ( A specific example of extending the DNA double helix in the vertical direction by forming an adhesive part consisting of 6 bp-1 = 5 bases) will be described. However, the nucleic acid molecule is not limited to DNA, but RNA or PNA Even in the case of using, etc., it is necessary to form a connection portion with an interval corresponding to the number of bases corresponding to the length corresponding to the length between opposing complementary base pairs, and in the intended order. It goes without saying that a nanoscale nucleic acid structure as described below can be produced by designing an appropriate base sequence so as to be hybridized.
 <ナノスケール核酸構造物の作製方法>
 本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構造単位としてナノスケールの核酸構造物(以下、「ナノ核酸構造物」という。)を作製させるに際しては、DNA二重螺旋構造を仮想的に円筒形状と想定し、その両端における塩基の相対回転角度(位相)および長さ(配列長)を適切に設計し、さらに反応時の温度を適切に制御することが重要となる。
<Method for producing nanoscale nucleic acid structure>
When a nanoscale nucleic acid structure (hereinafter referred to as “nanonucleic acid structure”) is produced using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit, a DNA double helix structure is hypothesized. It is important to properly design the relative rotation angle (phase) and length (sequence length) of the bases at both ends thereof, and to appropriately control the temperature during the reaction.
 DNA分子を用いた自己集積によるナノ核酸構造物の作製は、全ての材料をチューブ内にいれ、そこからアニーリングと呼ばれる温度降下方法で高温から低温にゆっくりと冷やし、その過程で構造を作製する、いわゆるワンポットによる作製方法を利用することによって行うことができる。アニーリング時、オリゴヌクレオチドは基本的には長い相補的結合関係を有する塩基配列から二重螺旋を形成していくが、その際、望み通りの順番で意図した構造が形成できるように、塩基配列の配列長の設計と、望まない二重螺旋形成を防ぐための塩基配列設計が必要となる。以下、具体的に説明する。 The production of nanonucleic acid structures by self-assembly using DNA molecules, all materials are put in a tube, and then slowly cooled from high temperature to low temperature by a temperature drop method called annealing, and a structure is created in the process. This can be done by using a so-called one-pot manufacturing method. During annealing, the oligonucleotide basically forms a double helix from a base sequence having a long complementary binding relationship, but at this time, the base sequence of the base sequence is formed so that the intended structure can be formed in the desired order. It is necessary to design the sequence length and to design a base sequence to prevent unwanted double helix formation. This will be specifically described below.
 まず、作製しようとするナノ核酸構造物を設計し、その構造物中において繰り返される1単位(ユニット)構造を決定する。ユニット構造の決定においては、回転・反転も含めて考慮し、さらに、その作成する構造がDNA二重螺旋構造の位相や長さに関する条件に合致するように調整を加え、内部配列の対称性に関する考慮も行うことが好ましい。 First, the nano-nucleic acid structure to be produced is designed, and the unit structure that is repeated in the structure is determined. In determining the unit structure, consideration is given to rotation and inversion, and the structure to be created is adjusted so that it matches the conditions related to the phase and length of the DNA double helix structure. It is also preferable to consider.
 目的とするナノ核酸構造物を設計し、その構造物中におけるユニット構造を決定すると、次に、どの部位に塩基間における相補的な結合性を持つ配列を有していれば、意図した順番で塩基間においてハイブリダイゼーションを起こし、目的とした構造に自己集積するかを検討し、複数のオリゴヌクレオチドの塩基配列の設計を行う。オリゴヌクレオチドの塩基配列は、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)の4つの組み合わせからなる1次元配列である。この塩基配列の設計に際しては、ユニット内部において互いに結合するオリゴヌクレオチドが有する塩基配列が、ユニット間において結合する塩基配列よりも、十分に長い配列長を有するように設計する。このように、オリゴヌクレオチドが有する塩基配列の配列長を異ならせることにより、目的とする配列を意図した順番で結合させ、目的とするナノ核酸構造物を形成させることが可能となる。すなわち、オリゴヌクレオチドは、その塩基配列長が長いものほど高い温度環境下において相補的塩基配列部分で水素結合を形成するという性質があることから、オリゴヌクレオチドの塩基配列長を相違させて合成し、合成したオリゴヌクレオチドを含有した反応溶液を高い温度から低い温度にかけて推移させる温度制御操作を行うことによって、意図した順番にオリゴヌクレオチドを相補的塩基配列部分において結合させることによって、目的としたナノ核酸構造物を形成することが可能となる。 Once the target nanonucleic acid structure is designed and the unit structure in the structure is determined, if any site has a sequence with complementary binding between bases, then in the intended order Hybridization between bases will be investigated to see if they will self-assemble into the target structure, and the base sequences of multiple oligonucleotides will be designed. The base sequence of the oligonucleotide is a one-dimensional sequence consisting of four combinations of adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C). In designing the base sequence, the base sequences of the oligonucleotides that bind to each other inside the unit are designed to have a sufficiently long sequence length than the base sequences that bind to each other between the units. Thus, by making the sequence lengths of the nucleotide sequences of the oligonucleotides different, it is possible to bind the target sequences in the intended order and form the target nanonucleic acid structure. In other words, the longer the base sequence length, the longer the base sequence length, the higher the temperature environment, the higher the temperature environment, the higher the temperature, the complementary base sequence part has the property of forming a hydrogen bond. The target nano-nucleic acid structure can be obtained by binding oligonucleotides in the complementary sequence sequence in the intended order by performing a temperature control operation that changes the reaction solution containing the synthesized oligonucleotide from high to low temperatures. An object can be formed.
 具体的には、ユニット内部において結合するオリゴヌクレオチドが有する塩基配列が、ユニット間において結合する塩基配列よりも、十分に長い配列長を有するように設計する。これにより、まず複数のオリゴヌクレオチドによって設計予定のナノ核酸構造物における繰り返し構造部分であるユニット構造が形成され、続いて低い温度条件において、形成されたユニット同士によって目的とするナノ核酸構造物が形成されるようになる。 Specifically, it is designed so that the base sequence possessed by the oligonucleotide bound inside the unit has a sufficiently longer sequence length than the base sequence bound between the units. As a result, first, a unit structure that is a repetitive structure portion of the nanonucleic acid structure to be designed is formed by a plurality of oligonucleotides, and then the target nanonucleic acid structure is formed by the formed units at low temperature conditions. Will come to be.
 なお、ユニット内部においても、そのユニット構造を形成するオリゴヌクレオチド間におけるハイブリダイゼーションの順番には差があり、例えば、T字型形状の核酸構造体ひとつのみをユニット構造と設定した場合には、図3を用いて説明したように、オリゴヌクレオチド間の相補的な塩基配列間において水素結合することによってT字型形状の核酸構造体を構成する2つの二重螺旋がまず形成され、続いてその2つの二重螺旋同士が、5塩基からなる相補的な塩基配列部分においてハイブリダイゼーションして、ユニット構造であるT字型形状の核酸構造体が形成される。そして、以上のようにして目的とするナノ核酸構造物におけるユニット構造が先に形成されると、次に、低い温度環境下において、ユニット間における結合が開始され、ユニット同士が複数水素結合されることによってナノ核酸構造物が形成されるようになっている。 Even within the unit, there is a difference in the order of hybridization between the oligonucleotides forming the unit structure. For example, when only one T-shaped nucleic acid structure is set as the unit structure, As described with reference to FIG. 3, two double helices constituting a T-shaped nucleic acid structure are first formed by hydrogen bonding between complementary base sequences between oligonucleotides, followed by Two double helices are hybridized at a complementary base sequence portion consisting of 5 bases to form a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure. When the unit structure in the target nanonucleic acid structure is formed first as described above, next, bonding between units is started under a low temperature environment, and a plurality of units are hydrogen-bonded. As a result, a nanonucleic acid structure is formed.
 このようにして意図した順番で目的としたナノ核酸構造物が形成されるように塩基配列を設計すると、次にその塩基配列に基づいて、実際に、糖、リン酸、塩基からなるオリゴヌクレオチドを複数合成する。このオリゴヌクレオチドの合成は、固相合成法等の周知の方法を用いて行うことができる。 When the base sequence is designed so that the intended nano-nucleic acid structure is formed in the intended order in this way, the oligonucleotide consisting of sugar, phosphate, and base is actually used based on the base sequence. Combine multiple. The oligonucleotide can be synthesized using a known method such as solid phase synthesis.
 複数のオリゴヌクレオチドを合成すると、次に、これらのオリゴヌクレオチドを適切なバッファに溶解し、その各溶液を等量ずつ分注し、これら各溶液を含有するオリゴヌクレオチド混合溶液とする。具体的に説明すると、例えば、濃度が1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解し、そのバッファに溶解した各溶液をそれぞれ分注し、分注した各溶液を全て等量ずつ一本の反応用チューブに混合させる。なお、これらの条件は一例であり、バッファの種類や濃度等はこれらの限られるものではない。 When a plurality of oligonucleotides are synthesized, these oligonucleotides are then dissolved in an appropriate buffer, and each solution is dispensed in equal amounts to obtain an oligonucleotide mixed solution containing these solutions. Specifically, for example, it is dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so that the concentration becomes 1 μM, and each solution dissolved in the buffer is dispensed and dispensed. Mix all solutions in equal volumes in a single reaction tube. Note that these conditions are merely examples, and the type and concentration of the buffer are not limited thereto.
 そして次に、この複数のオリゴヌクレオチドを含有した混合溶液をアニーリングして、目的とする順番にハイブリダイゼーションさせる。アニーリング操作は周知の方法で行うことができ、具体的に説明すると、例えば、精製したオリゴヌクレオチド混合溶液を、24時間程度かけて約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内の複数のオリゴヌクレオチドをアニーリングさせ、反応させた混合溶液を所定の温度で保存する。なお、このアニーリング操作における温度設定や時間に関しては、上記の条件に特に限られるものではなく、例えば、温度を順次降下させていく際、所定の温度で反応溶液を放置する操作を行っても構わない。 Next, the mixed solution containing the plurality of oligonucleotides is annealed and hybridized in the desired order. The annealing operation can be performed by a well-known method. Specifically, for example, the purified oligonucleotide mixed solution is gradually cooled to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. over about 24 hours. The plurality of oligonucleotides in the mixed solution are annealed, and the reacted mixed solution is stored at a predetermined temperature. The temperature setting and time in the annealing operation are not particularly limited to the above conditions. For example, when the temperature is sequentially lowered, an operation of leaving the reaction solution at a predetermined temperature may be performed. Absent.
 以上のように、目的とするナノ核酸構造物中におけるユニット構造に注目し、そのユニット内部及びユニット間における相補的塩基配列部分で、意図した順番で適切にハイブリダイゼーションによって自己集積されるようにオリゴヌクレオチドの塩基配列を設計し、適切な温度制御の下でアニーリングを行うことにより、T字型形状の核酸構造体を構造単位とし、この核酸構造体を複数水素結合させた複雑なナノ核酸構造物を作製することが可能となる。 As described above, paying attention to the unit structure in the target nano-nucleic acid structure, the oligo nucleotides can be appropriately self-assembled by hybridization in the intended order in the complementary base sequence part inside and between the units. A complex nano-nucleic acid structure in which a nucleotide sequence of nucleotides is designed and annealed under appropriate temperature control, so that a T-shaped nucleic acid structure is used as a structural unit and a plurality of the nucleic acid structures are hydrogen-bonded. Can be produced.
 なお、以上に説明したナノ核酸構造物の作製においては、用いるオリゴヌクレオチドの種類の数は限定されず、4種のオリゴヌクレオチドをアニーリングさせることによって核酸構造物を作製してもよいし、3種又は2種のオリゴヌクレオチドを反応させることによって核酸構造物を作成するようにしてもよい。 In the preparation of the nano-nucleic acid structure described above, the number of types of oligonucleotides used is not limited, and the nucleic acid structure may be prepared by annealing four kinds of oligonucleotides. Alternatively, a nucleic acid structure may be prepared by reacting two kinds of oligonucleotides.
 このようにして作製されたナノ核酸構造物は、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構造単位として用いることによって作製されているので、従来技術であるクロスオーバー構造において問題となっていた分岐構造を形成する方向に対する依存性や構造上の制約がなく、DNA二重螺旋構造の主溝側の位相であれば任意の位相においてDNA分岐構造を形成することが可能であり、より高い空間的分解能を有することとなる。 Since the nano-nucleic acid structure produced in this way is produced by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit, there is a problem in the conventional crossover structure. There is no dependency on the direction of forming the branched structure and restrictions on the structure, and it is possible to form a DNA branched structure at an arbitrary phase as long as it is a phase on the main groove side of the DNA double helix structure. It will have a higher spatial resolution.
 また、クロスオーバー構造のような二重螺旋を並行に並べることによってナノ核酸構造物を形成させていた従来技術に比して、静電的に反発する性質を持ったDNA二重螺旋構造を、直交させて構造を形成させることによって、隣り合う二重螺旋間の間隔をあけることが可能となるので、このT字型形状の核酸構造体を構造単位として作製されたこのナノ核酸構造物は、構造自体に生じるひずみが大幅に低減されており、例えば3次元構造等の高次元構造も安定的な構造物として作成することが可能となる。 In addition, a DNA double helix structure having electrostatic repulsion characteristics compared to the conventional technique in which a nano nucleic acid structure is formed by arranging double helixes such as a crossover structure in parallel, Since it is possible to form a space between adjacent double helixes by forming a structure orthogonal to each other, this nano-nucleic acid structure produced using the T-shaped nucleic acid structure as a structural unit is The strain generated in the structure itself is greatly reduced, and a high-dimensional structure such as a three-dimensional structure can be created as a stable structure.
 さらに、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構造単位として作製したナノ核酸構造物は、上述したように直交した二重螺旋を組み合わせることにより形成しているので、さらにT字型形状の核酸構造体を利用して、既存のモチーフと組み合わせたナノ核酸構造物の作製が可能となり、既存のモチーフに比べて、さらに多様性という点でより多くの構造物を設計することが可能になる。そして、このようにして本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構造単位として作製されたナノスケールの核酸構造物によれば、より小型かつ高密度・高精細な機能性ナノデバイスを作製することが可能になる。 Furthermore, since the nanonucleic acid structure produced by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit is formed by combining orthogonal double spirals as described above, a T-shape is further formed. It is possible to create nano-nucleic acid structures in combination with existing motifs by using a nucleic acid structure in a mold shape, and design more structures in terms of diversity compared to existing motifs. It becomes possible. And according to the nanoscale nucleic acid structure produced by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit in this way, a smaller, high-density and high-definition functional nanodevice Can be produced.
 以下では、具体的なナノ核酸構造物に関する実施例を挙げて説明する。 Hereinafter, specific examples of nano-nucleic acid structures will be described.
 <ナノ核酸構造物の具体的実施形態>
 (実施例1)
 図8は、具体的なナノ核酸構造物のユニット構造と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製するナノ核酸構造物である梯子型構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図8に示すように、この実施形態に係る梯子型構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図8に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示しており、α-、β+、β-は下記で示す塩基配列を有したオリゴヌクレオチドの配置部位を示している。
<Specific Embodiment of Nano-Nucleic Acid Structure>
Example 1
FIG. 8 is a diagram schematically showing a specific unit structure of a nano-nucleic acid structure and a part of a ladder-type structure that is a nano-nucleic acid structure that is produced by repeating the unit structure. As shown in FIG. 8, the ladder structure according to this embodiment is formed by connecting a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of the T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. To do. The numbers shown in the structure shown in FIG. 8 indicate the number of base pairs (bp), and α−, β +, and β− indicate the positions of oligonucleotides having the base sequences shown below. Yes.
 この梯子型構造物は、並行に並んだ二重螺旋DNAの間を垂直に二重螺旋DNAが結んでいるような形状を基本としており、二重螺旋構造の同位相における分岐構造の形成により作製することができる。DNAの二重螺旋構造からみて、同位相に分岐構造を形成させる場合には、およそ10.5×n(bp)(n=1,2,3,・・・)毎に分岐構造を形成させることが可能であることから、この実施形態における梯子型構造物の場合には、DNA二重螺旋の4ターン毎に垂直方向に分岐構造を形成させるようにすることで、T字型形状の核酸構造体を繰り返し構造とする梯子型構造物を作成することができる。 This ladder-type structure is based on a shape in which double helix DNA is vertically connected between double helix DNAs arranged in parallel, and is produced by forming a branched structure in the same phase of the double helix structure. can do. When a branched structure is formed in the same phase as seen from the double helix structure of DNA, a branched structure is formed at approximately every 10.5 × n (bp) (n = 1, 2, 3,...). Therefore, in the case of the ladder structure in this embodiment, a T-shaped nucleic acid is formed by forming a branched structure in the vertical direction every 4 turns of the DNA double helix. A ladder-type structure having a structure as a repeating structure can be created.
 下記(III)に示した3種の塩基配列(配列番号:9乃至11)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The three base sequences (SEQ ID NOs: 9 to 11) shown in (III) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure that becomes the above-mentioned repeating structure and examining the phase. This is the base sequence possessed by the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
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 これらのオリゴヌクレオチドを用いたナノ核酸構造物の形成手法としては、周知の方法であるワンポットアニーリング法により行うことができる。 As a method for forming a nanonucleic acid structure using these oligonucleotides, a known one-pot annealing method can be used.
 この実施形態に係る梯子型構造物においては、上記の(III)に示した塩基配列を有するオリゴヌクレオチドのうち、高い温度状況下において、まずβ+:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐CCCTGGGCAGCGGGAGGATTAAAACTATAATTCTGCGTGATCATTAAATCTCTA-3’(配列番号:10)とβ-:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐CACGCAGAATTATAGTTTTAATCGCTGCCCAGGGTTCGAA-3’(配列番号:11)とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、上記(III)に記載のβ+には、共に二重螺旋DNAを形成するβ-とは相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列GGAGG(上記(III)のβ+:オリゴヌクレオチド中の下線部分)を有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応するβ-は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。したがって、この塩基配列GGAGGが形成されている部分において二重螺旋DNAが折り曲り、略垂直方向に分岐した構造を形成するようになる。 In the ladder structure according to this embodiment, among the oligonucleotides having the base sequence shown in (III) above, under a high temperature condition, β +: oligonucleotide base sequence 5′-CCCTGGGCAGCGGGAGGATTAAAACTATAATTCTGCGTGATCATTAAATCTCTA-3 ′ (SEQ ID NO: 10) and β-: oligonucleotide base sequence 5′-CACGCAGAATTATAGTTTTAATCGCTGCCCAGGGTTCGAA-3 ′ (SEQ ID NO: 11) form a hydrogen bond in the complementary base sequence portion, forming a double helix DNA. . In this case, the base sequence GGAGG (β + in the above (III): in the oligonucleotide) cannot form a complementary hydrogen bond with β-, which forms a double-stranded DNA, together with β + described in (III) above. In this base sequence part, hydrogen bonds are not formed with each other, while the corresponding β-s forming base pairs skip base sequences without their complementary binding relationship. Thus, the base portion having the next complementary bond relationship continues to form hydrogen bonds. Therefore, the double helix DNA is bent at the portion where the base sequence GGAGG is formed, and a structure branched in a substantially vertical direction is formed.
 アニーリング操作を続けていくと、上記(III)に示した塩基配列を有するα-:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐CCTCCTAGAGATTTAATGAT-3’(配列番号:9)の図8中X部分に示す塩基配列によって構成される部分と、β+の塩基配列の図8中X’部分に示す塩基配列によって構成される部分とが、水素結合を形成することによって接続される。 When the annealing operation is continued, α-: oligonucleotide base sequence 5′-CCTCCTAGAGATTTAATGAT-3 ′ (SEQ ID NO: 9) having the base sequence shown in (III) above is the base sequence shown in the X part in FIG. And the part constituted by the base sequence shown in the X ′ part in FIG. 8 of the base sequence of β + are connected by forming a hydrogen bond.
 そして、さらにアニーリング操作を続けていくと、上記(III)に示した塩基配列を有するα-の塩基配列の5’末端部に設計された5塩基からなる塩基配列CCTCC(上記(III)のα-:オリゴヌクレオチド中の下線部分)は、先にβ+とβ-との間において形成された二重螺旋DNAの水素結合が形成されていない遊離な塩基配列部分と、相補的水素結合を形成する関係を有するように設計されていることから、より低い温度において、図8中Y部分で示す、この5塩基からなる相補的塩基配列部分おいて最終的に水素結合を形成し、目的とする梯子形構造体が形成されるようになっている。 Then, when the annealing operation is further continued, the base sequence CCTCC consisting of 5 bases designed at the 5 ′ end of the base sequence of α- having the base sequence shown in (III) above (the α in base of (III) above) -: Underlined portion in the oligonucleotide) forms a complementary hydrogen bond with the free base sequence portion in which the hydrogen bond of the double helix DNA previously formed between β + and β- is not formed. Since it is designed to have a relationship, at the lower temperature, a hydrogen bond is finally formed in the complementary base sequence portion consisting of 5 bases indicated by a Y portion in FIG. A shaped structure is formed.
 このように、図8中Yに示す部位において結合する塩基配列は、図8中XとX’に示す部位において結合する塩基配列よりも、極めて短く設計されているので、アニーリング操作によって、最後に図8中Yに示す部位における相補的塩基間において水素結合が形成されて、梯子型構造物が形成されるようになっている。 Thus, the base sequence that binds at the site indicated by Y in FIG. 8 is designed to be extremely shorter than the base sequence that binds at the sites indicated by X and X ′ in FIG. In FIG. 8, a hydrogen bond is formed between complementary bases at the site indicated by Y, so that a ladder-type structure is formed.
 この梯子型形状の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。 The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed as follows.
 まず、上述したような知見に基づきプログラムによって塩基配列を決定して合成した各オリゴヌクレオチドを、濃度が1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解してオリゴヌクレオチド溶液を精製した。そして、その各溶液をそれぞれ分注し、分注した各溶液を全て等量ずつ一本の反応用チューブに入れて混合させ、オリゴヌクレオチド混合溶液を精製した。 First, each oligonucleotide synthesized by determining a base sequence by a program based on the knowledge as described above is dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 1 μM. The oligonucleotide solution was purified. Then, each of the solutions was dispensed, and all the dispensed solutions were mixed in equal amounts in one reaction tube to purify the oligonucleotide mixed solution.
 次に、そのオリゴヌクレオチド混合溶液を、サーマルサイクラー(エッペンドルフ社製)を用い、約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内の各オリゴヌクレオチドをアニーリングさせ、相補的塩基配列部分においてハイブリダイゼーションさせた。なお、アニーリング操作は24時間程度かけて継続的に行った。アニーリングさせたサンプルは恒温槽に入れ、約3℃にて保存した。 Next, the oligonucleotide mixed solution is annealed by using a thermal cycler (Eppendorf) and slowly cooling to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. Hybridization was performed at the target nucleotide sequence. The annealing operation was continuously performed for about 24 hours. The annealed sample was placed in a thermostatic bath and stored at about 3 ° C.
 図9は、上記操作により具体的に作製した梯子型構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。このAFMによるナノ構造形成の確認観察においては、24時間程度かけて継続的に冷却させてアニーリング反応させた後、恒温槽に保存させておいたサンプルから、適宜ピペットを用いて観察する分をその都度取り出し、ビーコ社製NanoScope IIIを利用して、液中タッピングモード観察にて行った。 FIG. 9 is an atomic force microscope (AFM) observation image of a ladder structure specifically manufactured by the above operation. In the confirmation observation of nanostructure formation by this AFM, the sample to be observed using a pipette as appropriate from the sample that has been continuously cooled and annealed for about 24 hours and then stored in a thermostatic bath The sample was taken out each time and was observed in a liquid tapping mode using NanoScope® III manufactured by Beco.
 この図9のAFM観察画像からも明らかのように、約100nm程度の梯子型構造物が形成されていることがわかる。そして、各梯子型構造物の略並行に並んだ二重螺旋DNAの間を垂直に二重螺旋DNAが結ぶ形を形成し、いわゆる梯子の踏み台部分を形成している。また、この梯子型構造物の踏み台間には、約10~15nm程度の空間を形成させていることが明確にわかる。 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 9, it can be seen that a ladder type structure of about 100 nm is formed. Then, a double helix DNA is vertically connected between the double helix DNAs arranged substantially in parallel in each ladder type structure, and a so-called ladder step portion is formed. It can also be clearly seen that a space of about 10 to 15 nm is formed between the ladders of this ladder structure.
 このように、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体によれば、DNAの二重螺旋構造の任意の位相において分岐構造を形成することができ、より分解能の高いナノ核酸構造物を作成することが可能となっている。 As described above, according to the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, a branched structure can be formed at an arbitrary phase of the double helical structure of DNA, and the nano-nucleic acid structure with higher resolution can be formed. It is possible to create.
 (実施例2)
 図10は、具体的なナノ核酸構造物のユニット構造と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製するナノ核酸構造物である平面構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図10に示すように、この実施形態に係る平面構造物は、T字型形状の核酸構造体を反対向きに2つ組み合わせた構造をユニット構造と決定し、このユニット構造を繰り返し構造として複数接続させることによって形成される格子構造である。なお、図10に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示しており、+及び-は下記で示す塩基配列を有したオリゴヌクレオチドの配置部位を示している。
(Example 2)
FIG. 10 is a diagram schematically showing a specific unit structure of a nano-nucleic acid structure and a partial structure of a planar structure that is a nano-nucleic acid structure that is produced using the unit structure as a repetitive structure. As shown in FIG. 10, in the planar structure according to this embodiment, a structure in which two T-shaped nucleic acid structures are combined in opposite directions is determined as a unit structure, and a plurality of unit structures are connected as a repeating structure. It is a lattice structure formed by making it. The numbers described in the structure shown in FIG. 10 indicate the number of base pairs (bp), and + and − indicate the arrangement site of the oligonucleotide having the base sequence shown below.
 この平面構造物は、並行に並んだ二重螺旋DNAの間を垂直に二重螺旋DNAが結んでいるような形状を基本としており、DNA二重螺旋構造の逆位相における分岐構造の形成により作成することができる。DNAの二重螺旋構造からみて、逆位相に分岐構造を形成させる場合には、およそ10.5×m+5.25(bp)(m=0,1,2,・・・)毎に分岐構造を形成させることが可能であることから、この実施形態における平面構造体の場合には、DNAの二重螺旋の1.5ターン毎に垂直方向に逆位相分岐構造を形成させるようにすることで、2つのT字型核酸構造体を繰り返し構造とする平面構造体を作成することができる。 This planar structure is based on a shape in which double helix DNAs are vertically connected between double helix DNAs arranged in parallel, and is created by forming a branched structure in the reverse phase of the DNA double helix structure. can do. In view of the double helix structure of DNA, when a branched structure is formed in an opposite phase, a branched structure is formed approximately every 10.5 × m + 5.25 (bp) (m = 0, 1, 2,...). In the case of the planar structure in this embodiment, an antiphase branching structure is formed in the vertical direction every 1.5 turns of the double helix of DNA. A planar structure having two T-shaped nucleic acid structures as repeating structures can be prepared.
 下記(IV)に示した2種の塩基配列(配列番号:12及び13)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、それぞれ5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The two base sequences (SEQ ID NOs: 12 and 13) shown in (IV) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure to be a repetitive structure and examining the phase. The nucleotide sequence of the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide indicates the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end, respectively.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 このオリゴヌクレオチドを用いた平面構造物の形成手法としては、第1の実施形態に記載した梯子型構造物の形成手法と同様に、ワンポットアニーリング法により作成することができる。 As a method for forming a planar structure using this oligonucleotide, it can be prepared by a one-pot annealing method, similarly to the method for forming a ladder structure described in the first embodiment.
 この実施形態に係る平面構造物においては、高い温度環境下において、まず上記(IV)で示した+:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐AGCCCTTGTGGTAGTTGGCACCAGAAGCCAACCGAAGACCACGGTGGGCTTAACACCATC-3’(配列番号12)と、-:オリゴヌクレオチドの塩基配列5’‐CGACGGATGGTGTTAACCGTGGTCTTCGGTTGGCTTCTGGTGCCACGTCGACTACCACAA-3’(配列番号13)とが、相補的塩基配列部分(上記(IV)の各オリゴヌクレオチドの下線部分)において水素結合を形成し、これらからなる二重螺旋が形成される。その時、上記(IV)記載の+:オリゴヌクレオチドには、-:オリゴヌクレオチドと相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列GGGCT(上記(IV)の+:オリゴヌクレオチドの非末端部の非下線部分)を有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、対応する-:オリゴヌクレオチドは、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。したがって、図10のユニット模式図におけるX部分に示すように、この+:オリゴヌクレオチドの塩基配列GGGCTが形成されている部分において二重螺旋が折り曲り、垂直方向に分岐した構造を形成するようになる。 In the planar structure according to this embodiment, under a high temperature environment, first, the nucleotide sequence 5′-AGCCCTTGTGGTAGTTGGCACCAGAAGCCAACCGAAGACCACGGTGGGCTTAACACCATC-3 ′ (SEQ ID NO: 12) shown in the above (IV) and −: oligonucleotide The base sequence 5′-CGACGGATGGTGTTAACCGTGGTCTTCGGTTGGCTTCTGGTGCCACGTCGACTACCACAA-3 ′ (SEQ ID NO: 13) forms a hydrogen bond in the complementary base sequence part (underlined part of each oligonucleotide in the above (IV)), and a double helix comprising these forms It is formed. At that time, the +: oligonucleotide described in the above (IV) includes the base sequence GGGCT that cannot form a complementary hydrogen bond with the oligonucleotide (+: the non-underline in the non-terminal portion of the oligonucleotide (IV) above). In this base sequence portion, hydrogen bonds are not formed with each other, while the corresponding-: oligonucleotide skips the base sequence without its complementary binding relationship and the next complement It continues to form hydrogen bonds with the base moiety having a chemical bond relationship. Therefore, as shown in the X part in the unit schematic diagram of FIG. 10, the double helix is bent at the part where the base sequence GGGCT of the oligonucleotide is formed, so as to form a structure branched in the vertical direction. Become.
 また一方で、-:オリゴヌクレオチドにおいても、+:オリゴヌクレオチドと相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列CGTCG(上記(IV)の-:オリゴヌクレオチドの非末端部の非下線部分)を有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、対応する+:オリゴヌクレオチドは、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。したがって、図10のユニット模式図におけるX’部分に示すように、この-:オリゴヌクレオチドの塩基配列CGTCGが形成されている部分においても二重螺旋が折り曲り、垂直方向に分岐した構造を形成するようになる。 On the other hand, −: oligonucleotide also has +: base sequence CGTCG that cannot form a complementary hydrogen bond with the oligonucleotide (in the above (IV), −: non-underlined portion of the non-terminal portion of the oligonucleotide). In this base sequence portion, hydrogen bonds are not formed with each other, while the corresponding +: oligonucleotide skips the base sequence without its complementary binding relationship and has the following complementary binding relationship. Continue to form hydrogen bonds with the base moiety it has. Therefore, as shown in the X ′ part in the unit schematic diagram of FIG. 10, the double helix is bent even in the part where the base sequence CGTCG of the oligonucleotide is formed to form a structure branched in the vertical direction. It becomes like this.
 当該平面構造物のユニット構造においては、このようにユニット構造を形成する2種のオリゴヌクレオチドの各々が、二重螺旋を折り曲げて垂直方向に分岐させるための塩基配列を有しており、分岐構造がDNA二重螺旋構造の主溝側の逆位相において形成されるようにそれぞれの塩基配列を設計することによって、図10に示すようなユニット構造をなす2つのT字型形状の核酸構造体及びそのユニット構造を繰り返し構造とした複雑なナノ核酸構造物を形成することができるようになっている。 In the unit structure of the planar structure, each of the two kinds of oligonucleotides forming the unit structure has a base sequence for folding the double helix and branching in the vertical direction, and the branched structure. Are designed in the opposite phase on the main groove side of the DNA double helix structure to thereby form two T-shaped nucleic acid structures having a unit structure as shown in FIG. It is possible to form a complex nanonucleic acid structure having the unit structure as a repeating structure.
 このようにして、アニーリング操作の開始後、高い温度環境下において、+:及び-:オリゴヌクレオチドがその相補的塩基配列部分において水素結合を形成することによって、T字型形状の核酸構造体を2つ接続させた構造を有するユニット構造が形成される。 In this manner, after the start of the annealing operation, in a high temperature environment, the +: and −: oligonucleotides form hydrogen bonds at their complementary base sequence portions, thereby forming a T-shaped nucleic acid structure. A unit structure having two connected structures is formed.
 そして次に、より低い温度環境下において、このユニット同士を接続させることによって、ユニット構造を繰り返し構造とした平面構造物を作成させることができる。ユニット同士の結合においては、上記(IV)で示した+:及び-:オリゴヌクレオチドの各5’末端に設計された自由端塩基配列部分が、他のユニット構造の二重螺旋DNAにおける分岐構造部分である水素結合を形成していない塩基配列と、水素結合を形成することによってユニット間が接続されるようになっている。具体的には、図10のユニット模式図のY部分の自由端塩基配列部分が、他のユニットのXで示す分岐部分と相補的に水素結合を形成して接続し、また、図10のユニット模式図のY’部分の自由端塩基配列部分が、さらに他のユニットのX’で示す分岐部分と相補的に水素結合を形成して接続する。そして、その際には、ユニット同士が反転しながら接続される。 Then, by connecting these units under a lower temperature environment, it is possible to create a planar structure having the unit structure as a repeated structure. In the unit-to-unit connection, the +: and −: free end base sequence portions designed at the 5 ′ ends of the oligonucleotides shown in the above (IV) are branched structure portions in the double helix DNA of other unit structures. Units are connected by forming a hydrogen bond with a base sequence that does not form a hydrogen bond. Specifically, the free end base sequence portion of the Y portion in the unit schematic diagram of FIG. 10 is connected in a complementary manner to form a hydrogen bond with the branched portion indicated by X of the other unit, and the unit of FIG. The free end base sequence portion of the Y ′ portion of the schematic diagram is further connected by forming a hydrogen bond in a complementary manner with the branched portion indicated by X ′ of another unit. At that time, the units are connected while being reversed.
 このようにユニット間において、ユニット同士が反転しながら、自由端塩基配列部分と、分岐構造を形成する部分とが水素結合することによって、ユニット間が接続され、最終的に目的とする格子状の平面構造物が形成される。 In this way, between the units, while the units are inverted, the free end base sequence portion and the portion forming the branched structure are hydrogen-bonded, so that the units are connected, and finally the target lattice-like shape A planar structure is formed.
 この格子状平面構造の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。 The formation operation and confirmation observation of the nucleic acid structure having a lattice-like planar structure by the one-pot annealing method were performed according to the following procedure.
 まず、上述したような知見に基づきプログラムによって塩基配列を決定して合成した各オリゴヌクレオチドを、濃度が1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解した。そして、その各溶液をそれぞれ分注し、分注した各溶液を全て等量ずつ一本の反応用チューブに入れて混合させた。 First, each oligonucleotide synthesized by determining the base sequence by a program based on the above-described knowledge was dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 1 μM. Then, each of the solutions was dispensed, and each of the dispensed solutions was mixed in an equal amount in one reaction tube.
 次に、そのオリゴヌクレオチド混合溶液を、サーマルサイクラー(エッペンドルフ社製)を用い、約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内の各オリゴヌクレオチドをアニーリングさせ、相補的塩基配列部分においてハイブリダイゼーションさせた。なお、アニーリング操作は24時間程度かけて継続的に行った。アニーリングさせたサンプルは恒温槽に入れ、約3℃にて保存した。 Next, the oligonucleotide mixed solution is annealed by using a thermal cycler (Eppendorf) and slowly cooling to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. Hybridization was performed at the target nucleotide sequence. The annealing operation was continuously performed for about 24 hours. The annealed sample was placed in a thermostatic bath and stored at about 3 ° C.
 図11は、上記操作により具体的に作成した平面構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。このAFMによるナノ構造形成の確認観察においては、24時間程度かけて継続的に冷却させてアニーリング反応させた後、恒温槽に保存させておいたサンプルから、適宜ピペットを用いて観察する分をその都度取り出し、ビーコ社製NanoScope IIIを利用して、液中タッピングモード観察にて行った。 FIG. 11 is an atomic force microscope (AFM) observation image of the planar structure specifically created by the above operation. In the confirmation observation of nanostructure formation by this AFM, the sample to be observed using a pipette as appropriate from the sample that has been continuously cooled and annealed for about 24 hours and then stored in a thermostatic bath The sample was taken out each time and was observed in a liquid tapping mode using NanoScope® III manufactured by Beco.
 この図11に示すAFM観察画像から明らかなように、約10~15nm程度の穴を規則正しく段違いに有した格子状の平面構造物が形成されていることがわかる。 As is apparent from the AFM observation image shown in FIG. 11, it can be seen that a lattice-like planar structure having holes of about 10 to 15 nm regularly and in steps is formed.
 また、この第2の実施形態に係る平面構造物は、ナノ核酸構造物の第1の実施形態において説明した梯子型構造物の基本的な設計指針を変更することなく、DNA二重螺旋構造の分岐構造を形成する位相を逆転するのみで作製できることが証明された。 In addition, the planar structure according to the second embodiment has a DNA double helix structure without changing the basic design guideline of the ladder structure described in the first embodiment of the nanonucleic acid structure. It was proved that it can be produced only by reversing the phase forming the branched structure.
 このように、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を基本単位としてナノ核酸構造物を作製することにより、分岐構造を形成させる際の位相、すなわち同位相に分岐させるか、逆位相に分岐させるか、等を考慮するだけで、基本となる特定の設計指針は変更することなく、全く異なった形状からなる多種多様なナノ核酸構造物を容易に設計することが可能となる。 Thus, by producing a nanonucleic acid structure using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a basic unit, the phase at the time of forming a branched structure, that is, branching to the same phase or vice versa It is possible to easily design a wide variety of nano-nucleic acid structures having completely different shapes without changing the basic specific design guideline only by considering whether the phase is branched or not.
 さらに、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体からなる分岐構造を形成したユニット同士を、反転させながら接続させるように塩基配列を設計することによって、より多くの構造体を容易に作成することができる。 Furthermore, by designing the base sequence so that the units having the branched structure composed of the T-shaped nucleic acid structures according to the present embodiment are connected while being inverted, more structures can be easily formed. Can be created.
 (実施例3)
 以上のように、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体をその構造単位として利用することによって作製することが可能な具体的なナノ核酸構造物について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。すなわち、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を構造単位として、また上述したナノ核酸構造物の作製方法と同様の方法により、さらに以下のようなナノ核酸構造物を作製することも可能となる。
(Example 3)
As described above, specific nano-nucleic acid structures that can be produced by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as the structural unit have been described. It is not intended to limit. That is, using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit and using the same method as the above-described method for producing a nanonucleic acid structure, the following nanonucleic acid structure is further produced. Is also possible.
 図12は、本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作成することが可能な2次元極座標構造体を概略的に示した模式図である。また、図13は、本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作成することが可能な3次元結晶構造体を概略的に示した模式図である。さらに、図14は、本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作成することが可能な3次元曲面構造体を概略的に示した模式図である。 FIG. 12 is a schematic diagram schematically showing a two-dimensional polar coordinate structure capable of creating the nucleic acid structure according to this embodiment as a structural unit. FIG. 13 is a schematic view schematically showing a three-dimensional crystal structure that can be prepared using the nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit. Furthermore, FIG. 14 is a schematic diagram schematically showing a three-dimensional curved surface structure that can be created using the nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit.
 これらの図12~図14に示すように、本実施の形態に係るT字型の核酸構造体によれば、従来技術であるクロスオーバー構造において問題となっていた分岐構造を形成する方向に対する依存性や構造上の制約がなく、DNA二重螺旋構造の主溝側の位相であれば任意の位相においてDNAの分岐構造を形成することが可能であることから、このT字型形状の核酸構造体を構造単位として、より高い空間的分解能を有した、多種多様な構造を作製すること可能となる。 As shown in FIGS. 12 to 14, according to the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, the dependence on the direction in which the branched structure that has been a problem in the crossover structure of the prior art is formed. Since there is no restriction in terms of structure and structure, and a phase on the main groove side of the DNA double helix structure, it is possible to form a DNA branched structure at an arbitrary phase. With a body as a structural unit, a wide variety of structures having higher spatial resolution can be produced.
 また、クロスオーバー構造のような二重螺旋を並行に並べることによってナノ核酸構造物を形成させていた従来技術に比して、本実施の形態に係る核酸構造体は、静電的に反発する性質を持ったDNA二重螺旋構造を、直交させて構造を形成させることによって、隣り合う二重螺旋間の間隔をあけることが可能となるので、このT字型形状の核酸構造体を構造単位としてナノ核酸構造物を形成することにより、作成された構造自体に生じるひずみを大幅に低減させることが可能となり、図13や図14に示すような3次元構造も安定的な構造物として作成することが可能となる。 In addition, the nucleic acid structure according to the present embodiment is electrostatically repelled compared to the conventional technique in which a nanonucleic acid structure is formed by arranging double spirals like a crossover structure in parallel. Since the DNA double helix structure having the property is orthogonalized to form a structure, it is possible to provide a space between adjacent double helixes. Therefore, this T-shaped nucleic acid structure is a structural unit. By forming a nanonucleic acid structure as described above, it becomes possible to greatly reduce the strain generated in the created structure itself, and a three-dimensional structure as shown in FIGS. 13 and 14 is also created as a stable structure. It becomes possible.
 さらに、本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作製した構造物は、上述したように直交した二重螺旋を組み合わせることにより形成しているので、さらにT字型形状の核酸構造体を利用して、既存のモチーフと組み合わせたナノ核酸構造物の作製が可能となり、既存のモチーフに比べて、さらに多様性という点でより多くの構造を設計することが可能になる。 Furthermore, since the structure produced using the nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit is formed by combining orthogonal double helices as described above, a T-shaped nucleic acid structure is further formed. By utilizing this, it becomes possible to produce nano-nucleic acid structures combined with existing motifs, and it is possible to design more structures in terms of diversity compared to existing motifs.
 <ナノ核酸構造物を基本構造としたナノデバイスへの応用>
 以上に説明したように、本実施の形態に係る核酸構造体によれば、この核酸構造体を構造単位として、これまで知られているどのナノ核酸構造物よりも、より空間分解能が高く、高密度・高精細なナノ核酸構造物を実現することができ、列挙した二次元構造体及び3次元構造体のほか、種々の複雑多岐にわたる構造物を作製することが可能となり、しかも二重螺旋が本来的に有する静電的反発力を低減させた構造を実現することができ、構造体に生じるひずみを低減し、より安定した構造体を作成することが可能となっている。
<Application to nanodevices with nanonucleic acid structures as basic structure>
As described above, according to the nucleic acid structure according to the present embodiment, this nucleic acid structure is used as a structural unit, and the spatial resolution is higher and higher than any known nano-nucleic acid structure. It is possible to realize high-density and high-definition nanonucleic acid structures. In addition to the listed two-dimensional structures and three-dimensional structures, it is possible to produce various complicated and diverse structures. It is possible to realize a structure in which the electrostatic repulsive force that is inherently reduced can be realized, to reduce strain generated in the structure, and to create a more stable structure.
 そして、このようにして本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作製されたナノスケールの核酸構造物によれば、例えばその構造物中に機能性粒子を整列固定させる等することによって、より小型かつ高密度・高精細な機能性ナノデバイスを作製することが可能になる。以下に、その具体的な応用例を挙げる。 Then, according to the nanoscale nucleic acid structure produced using the nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit in this way, for example, by aligning and fixing functional particles in the structure, It becomes possible to fabricate functional nanodevices that are smaller and have higher density and higher definition. The specific application example is given below.
 例えば、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体をその構造単位として作製した高密度なナノ核酸構造物を利用することにより、1単位面積当たりの記憶容量が飛躍的に向上した磁気記憶媒体を実現することができる。具体的には、図8や図10に示した梯子型構造物や平面構造体等に関し、記憶媒体であるハードディスク表面にこのナノ核酸構造物をテンプレートとして用い、これらの構造物におけるT字型形状の核酸構造体の分岐構造によって所定の間隔に形成された空間部位に、磁性体ナノ粒子を整列固定させることによって、ナノスケールでより細かく磁性ナノ粒子を並べることが可能となり、100テラバイト/平方インチの超高密度磁気記憶媒体を実現することができる。 For example, by using a high-density nano-nucleic acid structure produced by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment as its structural unit, the magnetic capacity with dramatically improved storage capacity per unit area A storage medium can be realized. Specifically, regarding the ladder-type structure or planar structure shown in FIGS. 8 and 10, the nano-nucleic acid structure is used as a template on the surface of a hard disk as a storage medium, and the T-shaped shape of these structures is used. By aligning and fixing magnetic nanoparticles in space portions formed at predetermined intervals by the branched structure of the nucleic acid structure, it is possible to arrange magnetic nanoparticles more finely on a nanoscale, and 100 terabytes / square inch. The ultra-high density magnetic storage medium can be realized.
 また、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を基本として多種多様な形状にオリゴヌクレオチドを自己集積させることによって、リソグラフィーに応用することもできる。電子機器の小型化に一層の拍車がかかり、電子部品の高密度・高精細化の要求は高まっている中、この本実施の形態に係る核酸構造体を利用して、オリゴヌクレオチドを自己集積させて複雑かつ高密度な形状を形成させることにより、高密度・高精細な回路パターンを作成することが可能となる。具体的には、例えば、目的とする構造となるようにT字型形状の核酸構造体を基礎としてオリゴヌクレオチドの塩基配列を設計するとともに、所定の部位にRecAタンパク質を結合させ、それをSi基板上で自己集積させ、この基板をAgNO等で処理することによって、RecAタンパク質がレジストの役割をし、複雑かつ高密度な回路パターンを形成することも可能となる。 Moreover, it can also be applied to lithography by self-assembling oligonucleotides in various shapes based on the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment. As the downsizing of electronic equipment has further accelerated and the demand for higher density and higher definition of electronic components has increased, oligonucleotides can be self-assembled using the nucleic acid structure according to this embodiment. By forming a complicated and high-density shape, it is possible to create a high-density and high-definition circuit pattern. Specifically, for example, the base sequence of an oligonucleotide is designed based on a T-shaped nucleic acid structure so as to have a target structure, and a RecA protein is bound to a predetermined site, which is then used as a Si substrate. When the substrate is self-assembled and the substrate is treated with AgNO 3 or the like, the RecA protein acts as a resist, and a complicated and high-density circuit pattern can be formed.
 また、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体を利用することによって、ナノギャップ電極、ナノLCR回路、フォトニック結晶等のナノ光・電気回路の高精度及び大量生産を実現することが可能となる。 In addition, by using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, high accuracy and mass production of nano-optical / electrical circuits such as nano-gap electrodes, nano-LCR circuits, and photonic crystals are realized. Is possible.
 また、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体によれば、複雑かつ多様なナノ核酸構造物を安定的に作製することができるので、図14に示した3次元曲面構造物や3次元格子構造物も作製することも可能であり、そしてこれらの3次元構造物を利用することによって、蛋白質の結晶構造解析に利用することも可能となる。例えば、本実施の形態に係るT字型核酸構造体を用いて3次元格子構造物を作成し、構造を解析しようとする蛋白質をその3次元格子構造に沿って配列させて結合させ、それをX線解析することによって、複雑な蛋白質の結晶構造を、高精度かつ安価、迅速に調べることが可能となる。 In addition, according to the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, complicated and diverse nano-nucleic acid structures can be stably produced, so the three-dimensional curved surface structure shown in FIG. A three-dimensional lattice structure can also be produced, and by using these three-dimensional structures, it can be used for crystal structure analysis of proteins. For example, a three-dimensional lattice structure is created using the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, and proteins to be analyzed are arranged and bound along the three-dimensional lattice structure. By performing X-ray analysis, it becomes possible to examine the crystal structure of a complex protein quickly, with high accuracy, at low cost.
 また、生体分子であるDNA等の核酸分子を構成要素として構造体を形成しているので、生体に関する親和性が高く、酵素や生理活性物質等を容易に結合させることが可能となる。したがってこれを利用し、作製したナノ核酸構造物に酵素や生理活性物質等を結合させ、これらの反応経路を物理的な場に置換させることによって、その酵素等の機能を解析する研究材料として用いることもでき、多くの酵素が関係する複雑な化学反応系、例えば、光合成やセルロース分解反応等の反応系を実装したナノ反応場を実現することが可能となり、既存の化学工学的手法では実現が難しい有用反応解析の効率化を実現することができる。 In addition, since the structure is formed by using nucleic acid molecules such as DNA, which is a biomolecule, as a constituent element, it has high affinity with respect to the living body, and it becomes possible to easily bind enzymes, physiologically active substances, and the like. Therefore, it is used as a research material to analyze the function of the enzyme, etc. by binding the enzyme or bioactive substance to the prepared nanonucleic acid structure and substituting these reaction pathways with physical fields. It is possible to realize a complex chemical reaction system involving many enzymes, for example, a nano-reaction field that implements a reaction system such as photosynthesis or cellulose decomposition reaction, which can be realized by existing chemical engineering methods. The efficiency of difficult useful reaction analysis can be realized.
 また、図8や図10を用いて説明した梯子型構造物や平面構造体等の2次元構造を、フィルターとして利用することも可能となる。具体的には、本実施の形態に係るT字型形状の核酸構造体によれば、二重螺旋構造における任意の位相において分岐構造を形成することが可能となるので、このT字型形状の核酸構造体を構造単位として梯子型構造物や格子状の平面構造体等を作製することにより、その構造物中に設けられた空間部分の大きさを任意に調節することが可能となり、その空間部分に化学物質を担持させることによってフィルターを作製し、そのフィルターに所定の化合物を含有する溶液等を通過させることにより、その空間に担持させた化学物質と特異的に結合する所望の物質を分離するといった処理に利用することができる。 Also, it is possible to use a two-dimensional structure such as a ladder structure or a planar structure described with reference to FIGS. 8 and 10 as a filter. Specifically, according to the T-shaped nucleic acid structure according to the present embodiment, it is possible to form a branched structure at an arbitrary phase in the double helix structure. By creating a ladder-type structure or a lattice-like planar structure using the nucleic acid structure as a structural unit, the size of the space portion provided in the structure can be arbitrarily adjusted. A filter is prepared by loading a chemical substance on the part, and a desired substance that specifically binds to the chemical substance carried in the space is separated by passing a solution containing a predetermined compound through the filter. It can be used for such processing.
 また同様に、オリゴヌクレオチドを材料として核酸構造体を作成し、この核酸構造体を構造単位として種々のナノ核酸構造物を作製しているため、化学修飾が容易であるという利点がある。そのため、ドラッグデリバリーシステム等のナノ材料及びナノデバイス等に、例えば、図14で示した3次元曲面構造体等を利用することも可能となる。 Similarly, since a nucleic acid structure is prepared using an oligonucleotide as a material, and various nanonucleic acid structures are prepared using the nucleic acid structure as a structural unit, there is an advantage that chemical modification is easy. Therefore, for example, the three-dimensional curved surface structure shown in FIG. 14 can be used for nanomaterials and nanodevices such as drug delivery systems.
 なお、これらのデバイスへの応用はその一例であり、また具体的に説明した方法によってのみ、その応用化が限定されるわけではない。また、上述したように、用いる核酸はDNAに限られるものではなく、核酸としてRNAやPNA等を用いた場合であっても、機能性ナノデバイスへの応用は可能であることは言うまでもない。 It should be noted that application to these devices is one example, and application thereof is not limited only by the method specifically described. Further, as described above, the nucleic acid to be used is not limited to DNA, and it goes without saying that application to functional nanodevices is possible even when RNA, PNA, or the like is used as the nucleic acid.
 以上、これまで詳細に説明してきたように、本実施の形態に係る核酸構造体は、一本鎖の自由端塩基配列を有する二重螺旋構造からなる第1の核酸分子と、その自由端塩基配列と相補的な塩基配列を一方のヌクレオチド鎖に有する二重螺旋構造からなる第2の核酸分子とを有し、上記自由端塩基配列と、第2の核酸分子が有するその自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、水素結合していることを特徴としており、この核酸構造体は、二重螺旋構造を仮想的に円筒形状と想定したときに、二重螺旋の主溝側における任意の位相において、円筒形状に対して垂直方向に分岐する分岐構造を形成させるようになっている。 As described above in detail, the nucleic acid structure according to the present embodiment includes the first nucleic acid molecule having a double helix structure having a single-stranded free end base sequence and the free end base thereof. A second nucleic acid molecule having a double helix structure having a base sequence complementary to the sequence in one nucleotide chain, the free end base sequence, and the free end base sequence of the second nucleic acid molecule; The nucleic acid structure is characterized in that a complementary base sequence is hydrogen-bonded, and this nucleic acid structure is an arbitrary on the main groove side of the double helix when the double helix structure is assumed to be virtually cylindrical. In this phase, a branching structure that branches in a direction perpendicular to the cylindrical shape is formed.
 したがって、本実施の形態に係る核酸構造体によれば、二重螺旋の主溝側の位相であれば任意の位相において分岐構造を形成することが可能となるので、二重螺旋の位相が揃った部位でなければ構成することができない等の分岐構造を形成する際の制約があるクロスオーバー構造等の従来技術に比べて、より空間的分解能の高く、多種多様な構造を形成することが可能となる。 Therefore, according to the nucleic acid structure according to the present embodiment, it is possible to form a branched structure at an arbitrary phase as long as the phase is on the main groove side of the double helix. Compared to conventional technologies such as a crossover structure that has restrictions when forming a branched structure that can only be configured by different parts, it is possible to form a wide variety of structures with higher spatial resolution. It becomes.
 また、本実施の形態に係る核酸構造体によれば、クロスオーバー構造のような二重螺旋を並行に並べることによってナノ核酸構造物を形成させていた従来技術に対して、静電的に反発する性質を持った二重螺旋を直交させて構造を形成させることによって、隣り合う二重螺旋間の間隔をあけることが可能となるので、作製された構造物自体に生じるひずみを大幅に低減させることが可能となり、3次元構造等のひずみがその安定性に影響を与えやすい高次元構造も安定的に作製することが可能となる。 In addition, according to the nucleic acid structure according to the present embodiment, electrostatic repulsion is achieved in contrast to the conventional technique in which a nanonucleic acid structure is formed by arranging double spirals such as a crossover structure in parallel. By forming the structure by making the double helix having the property to intersect perpendicularly, it becomes possible to make a space between the adjacent double helix, so that the strain generated in the manufactured structure itself is greatly reduced. Therefore, it is possible to stably produce a high-dimensional structure in which a strain such as a three-dimensional structure easily affects the stability.
 さらに、本実施の形態に係る核酸構造体を構造単位として作製した構造物は、上述したように直交した二重螺旋を組み合わせることにより形成しているので、さらにT字型形状の核酸構造体を利用して、既存のモチーフと組み合わせたナノ核酸構造物の作製が可能となり、既存のモチーフに比べて、多様性という点でより多くの構造を設計することが可能となる。 Furthermore, since the structure produced using the nucleic acid structure according to the present embodiment as a structural unit is formed by combining orthogonal double helices as described above, a T-shaped nucleic acid structure is further formed. Utilizing it, it becomes possible to produce nano-nucleic acid structures combined with existing motifs, and it is possible to design more structures in terms of diversity compared to existing motifs.
 このように本実施の形態に係る核酸構造体は、従来開発されていたクロスオーバー等の核酸構造体にあった問題点と、その構造体を用いて作製することができるナノ核酸構造物の作製上の制約及び問題点を全て解消することができるものである。 As described above, the nucleic acid structure according to the present embodiment has a problem in a conventionally developed nucleic acid structure such as a crossover, and production of a nano-nucleic acid structure that can be produced using the structure. All the above restrictions and problems can be solved.
 以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはもちろんである。 The embodiment to which the present invention is applied has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the present invention. .
 例えば、上述した実施の形態においては、主に、核酸としてDNAを用いた具体例について説明したが、核酸はDNAに限られるものではなく、RNAやPNA等の核酸を用いてもよく、DNAとRNA、DNAとPNA等といったように、異なる核酸同士を組み合わせ、ハイブリダイゼーションさせることによって、本実施の形態に係る核酸構造体並びにナノ核酸構造物を形成するようにしてもよい。 For example, in the embodiment described above, specific examples using DNA as a nucleic acid have been mainly described. However, the nucleic acid is not limited to DNA, and a nucleic acid such as RNA or PNA may be used. The nucleic acid structure and the nano nucleic acid structure according to the present embodiment may be formed by combining different nucleic acids such as RNA, DNA and PNA and hybridizing them.
 また、上述した実施の形態においては、オリゴヌクレオチドを合成し、これを自己集積させることにより、核酸構造体やナノ核酸構造物を作製する例について説明したが、上述した説明に基づいて設計した塩基配列を有するポリヌクレオチドを合成し、これを自己集積させるようにしても構わない。 Further, in the above-described embodiment, an example in which a nucleic acid structure or a nanonucleic acid structure is produced by synthesizing an oligonucleotide and self-assembling the oligonucleotide has been described. However, a base designed based on the above description is used. A polynucleotide having a sequence may be synthesized and self-assembled.
 つぎに、核酸構造物及びその核酸構造物の作製方法にかかる発明を実施するための形態について説明する。 Next, a mode for carrying out the invention relating to a nucleic acid structure and a method for producing the nucleic acid structure will be described.
 核酸構造物の作製方法は、複数のオリゴヌクレオチドを含む溶液を、アニーリングして核酸構造物を作製する方法において、表面電荷を有する基板を溶液に浸す方法である。 The method for producing a nucleic acid structure is a method of immersing a substrate having a surface charge in a solution in a method for producing a nucleic acid structure by annealing a solution containing a plurality of oligonucleotides.
 ここで、基板は負の表面電荷を有することが好ましい。
 核酸構造物は、平面構造を有することが好ましい。また、核酸構造物は、二重螺旋単体構造を有することが好ましい。また、核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成することが好ましい。
Here, the substrate preferably has a negative surface charge.
The nucleic acid structure preferably has a planar structure. In addition, the nucleic acid structure preferably has a double helix simple substance structure. Further, the nucleic acid structure is preferably constituted by combining a plurality of repetitive structures.
 また、核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成し、この複数の繰り返し構造物は平面構造と二重螺旋単体構造を有し、複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物のヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物が有するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有することが好ましい。 In addition, the nucleic acid structure is configured by combining a plurality of repeating structures, the plurality of repeating structures have a planar structure and a double helix single structure, and one repeating structure among the plurality of repeating structures The nucleotide chain of the product preferably has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure.
 核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成し、複数の繰り返し構造物は、平面構造と二重螺旋単体構造を有し、複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物のヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物が有するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有するものである。 The nucleic acid structure is configured by combining a plurality of repetitive structures. The plurality of repetitive structures have a planar structure and a double helix single structure, and one of the repetitive structures is a repetitive structure. The nucleotide chain has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure.
 ここで、複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物の外周に存在するヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物の外周に存在するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有することが好ましい。 Here, the nucleotide chain existing on the outer periphery of one of the plurality of repeating structures has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain existing on the outer periphery of another adjacent repeating structure. It is preferable to have.
 各オリゴヌクレオチドの濃度は0.001μM~10μM単位の範囲内にあることが好ましい。 The concentration of each oligonucleotide is preferably in the range of 0.001 μM to 10 μM units.
 基板としては、モチーフに対して適切な表面電荷密度をもつ平板ならば何でも良く、マイカ、シリコン、ガラス、金、グラファイトなどの基板、およびこれらの表面を自己組織化単分子膜等により化学修飾した基板などを採用することができる。また、基板表面を電極として、全体あるいは局部的に電位差を生じさせたものも利用可能である。マイカの場合は、マイカがマイナス、DNAもマイナスに帯電していて、これらをつなぐ2価イオンとしてマグネシウムをつかっているが、プラスに帯電している基板でDNAを直接吸着してもよい。 As the substrate, any flat plate having an appropriate surface charge density with respect to the motif may be used, and substrates such as mica, silicon, glass, gold, and graphite, and these surfaces are chemically modified with a self-assembled monolayer or the like. A board | substrate etc. can be employ | adopted. Further, it is also possible to use a substrate whose electrode surface is used as an electrode and in which a potential difference is generated entirely or locally. In the case of mica, mica is negatively charged and DNA is also negatively charged, and magnesium is used as a divalent ion that connects these. However, DNA may be directly adsorbed on a positively charged substrate.
 バッファとしては、TAEバッファ、TBEバッファ、燐酸バッファ、SSCバッファ、TEバッファなど、核酸のハイブリダイゼーションに悪影響のないバッファは基本的に利用可能である。 Buffers that do not adversely affect nucleic acid hybridization such as TAE buffer, TBE buffer, phosphate buffer, SSC buffer, and TE buffer can be basically used.
 陽イオンとしては、Mg2+ばかりでなく、2価以上のイオンおよびその組み合わせが利用可能である。陽イオンとしては、金属でも、有機分子でもかまわない。また、ヘキサアンミンコバルト(III) イオンをはじめとした錯イオンなども利用することができる。 As the cation, not only Mg 2+ but also divalent or higher ions and combinations thereof can be used. The cation may be a metal or an organic molecule. Further, complex ions such as hexaamminecobalt (III) ions can also be used.
 2価以上の陽イオンの濃度の好ましい範囲について説明する。まず、マイカに限った基板吸着について説明する。好ましい2価以上の陽イオンの濃度は、2mM~1Mの範囲内にあることが望ましい。例えばMg2+イオンの場合、およそ1M以下であれば吸着を起こすことが知られている。下限については溶液中のNa+などの1価イオン濃度により変動し、1価イオン濃度が低ければ低いほど低濃度で吸着を起こすことが知られており、参考文献では2mMまでの範囲について実験で確認している。 A preferable range of the concentration of the cation having a valence of 2 or more will be described. First, substrate adsorption limited to mica will be described. The concentration of the cation having a valence of 2 or more is desirably in the range of 2 mM to 1 M. For example, in the case of Mg 2+ ions, it is known that adsorption occurs if it is about 1 M or less. The lower limit varies depending on the concentration of monovalent ions such as Na + in the solution, and the lower the monovalent ion concentration is known to cause adsorption at lower concentrations. I have confirmed.
 金属種およびイオン種、また溶液内の1価の陽イオンの濃度、基板の種類によって決まる表面電荷密度によりこの値は増減するため、この範囲外の濃度における作製可能性を否定するものではない(参考文献: David Pastre, Loic Hamon, Fabrice Landousy, Isabelle Sorel, Marie-Odile David, Alain Zozime, Eric Le Cam, Olivier Pietrement. Anionic polyelectrolyte adsorption on mica mediated by multivalent cations: a solution to DNA imaging by atomic force microscopy under high ionic strengths. Langmuir. (2006). 22 (15) 6651-60.)。 This value increases or decreases depending on the metal species and ionic species, the concentration of monovalent cations in the solution, and the surface charge density determined by the type of substrate, and thus the possibility of production at concentrations outside this range is not denied ( References: David Pastre, Loic Hamon, Fabrice Landousy, Isabelle Sorel, Marie-Odile David, Alain Zozime, Eric Le Cam, Olivier Pietrement. Anionic polyelectrolyte adsorption on mica mediated high ionic strengths. Langmuir. (2006). 22 (15) 6651-60.).
 以下では、具体的な核酸構造物及びその核酸構造物の作製方法に関する実施例を挙げて説明する。 Hereinafter, specific examples of the nucleic acid structure and a method for producing the nucleic acid structure will be described.
 <梯子型構造物(1)>
 図17は、具体的な核酸構造物のユニット構造(a1)と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製する核酸構造物(a2)である梯子型構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図17に示すように、この実施形態に係る梯子型構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図17に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示している。
<Ladder type structure (1)>
FIG. 17 schematically shows a specific structure of a nucleic acid structure unit structure (a1) and a part of a ladder structure that is a nucleic acid structure (a2) that is produced by repeating the unit structure. FIG. As shown in FIG. 17, the ladder structure according to this embodiment is formed by connecting a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of the T-shaped nucleic acid structures as a repeating structure. To do. The numbers described in the structure shown in FIG. 17 indicate the number of base pairs (bp).
 下記(V)に示した2種の塩基配列(配列番号:14,15)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The two base sequences (SEQ ID NOs: 14 and 15) shown in (V) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure that becomes the repetitive structure and examining the phase. The nucleotide sequence of the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 アニーリング開始後、まずは高温時に+配列とした配列14と-配列とした配列15とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、この両配列内部には相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内部のCGACAC,-配列内部のACTGCA)を2箇所有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応する配列は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。また、両配列共にその5’末端側には、それぞれ+配列なら-配列の、-配列ならば+配列が内部に有する相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列の相補配列があり、これらはこの段階では水素結合は形成しない。したがって、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内のCGACAC,-配列内のACTGCA)2箇所の部分において二重螺旋DNAが折り曲り、コの字型構造を形成するようになる。さらに温度を下げていくと、上記水素結合をしなかった塩基配列同士が粘着末端として機能し水素結合する。このとき,図17(a1)に示すX部分とY部分、またX’部分とY’部分が相補配列を有するよう設計しているので、結果として冷却後、図17(a2)に示す梯子型構造物が得られる。 After the start of annealing, first, the sequence 14 as the + sequence and the sequence 15 as the − sequence form hydrogen bonds at the complementary base sequence portion at a high temperature to form double-stranded DNA. At that time, both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ CGACAC inside the sequence, ACTGCA inside the -sequence), and in this base sequence part, On the other hand, the corresponding sequence forming the base pair does not form a hydrogen bond, skips the base sequence having no complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with the base portion having the next complementary binding relationship. . Further, both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double helical DNA bends at two parts of the base sequence (CGACAC in sequence, ACTGCA in sequence) that cannot form complementary hydrogen bonds within the sequence, forming a U-shaped structure. To come. When the temperature is further lowered, the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond. At this time, since the X portion and the Y portion shown in FIG. 17 (a1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences, as a result, after cooling, the ladder type shown in FIG. 17 (a2) is obtained. A structure is obtained.
 (実施例4)
 この梯子型形状の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。
Example 4
The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed in the following procedure.
 まず、上述したような知見に基づきプログラムによって塩基配列を決定して合成した各オリゴヌクレオチドを、濃度が1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解してオリゴヌクレオチド溶液を精製した。そして、その各溶液をそれぞれ分注し、分注した各溶液を全て等量ずつ一本の反応用チューブに入れて混合させ、オリゴヌクレオチド混合溶液を精製した。 First, each oligonucleotide synthesized by determining a base sequence by a program based on the knowledge as described above is dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 1 μM. The oligonucleotide solution was purified. Then, each of the solutions was dispensed, and all the dispensed solutions were mixed in equal amounts in one reaction tube to purify the oligonucleotide mixed solution.
 次に、そのオリゴヌクレオチド混合溶液を、サーマルサイクラー(エッペンドルフ社製)を用い、約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内の各オリゴヌクレオチドをアニーリングさせ、相補的塩基配列部分においてハイブリダイゼーションさせた。なお、アニーリング操作は2日程度かけて継続的に行った。アニーリングさせたサンプルは恒温槽に入れ、約3℃にて保存した。 Next, the oligonucleotide mixed solution is annealed by using a thermal cycler (Eppendorf) and slowly cooling to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. Hybridization was performed at the target nucleotide sequence. The annealing operation was continuously performed over about 2 days. The annealed sample was placed in a thermostatic bath and stored at about 3 ° C.
 図18(a3)は、上記操作により具体的に作製した梯子型構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。このAFMによるナノ構造形成の確認観察においては、2日程度かけて継続的に冷却させてアニーリング反応させた後、恒温槽に保存させておいたサンプルから、適宜ピペットを用いて観察する分をその都度取り出し、ビーコ社製NanoScope IIIを利用して、液中タッピングモード観察にて行った。 FIG. 18 (a3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of a ladder structure specifically manufactured by the above operation. In the confirmation observation of the nanostructure formation by this AFM, the sample to be observed using a pipette is appropriately measured from the sample that has been continuously cooled and annealed for about 2 days and then stored in a thermostat. The sample was taken out each time and was observed in a liquid tapping mode using NanoScope® III manufactured by Beco.
 この図18(a3)のAFM観察画像からも明らかのように、設計通りの梯子型構造物が得られた。ただし、その長さは数百ナノから1マイクロメートル程度であった。 As is clear from the AFM observation image of FIG. 18 (a3), a ladder structure as designed was obtained. However, the length was about several hundred nanometers to 1 micrometer.
 (実施例5)
 実施例4とは異なる方法で、この梯子型形状の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察を、以下のような手順で行った。
(Example 5)
The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from Example 4.
 まず、上述したような知見に基づきプログラムによって塩基配列を決定して合成した各オリゴヌクレオチドを、濃度が0.1μMとなるようにTAEバッファ(1×TAE/Mg2+(12.5mM))に溶解してオリゴヌクレオチド溶液を精製した。そして、その各溶液をそれぞれ分注し、分注した各溶液を全て等量ずつ一本の反応用チューブに入れて混合させ、オリゴヌクレオチド混合溶液を精製した。溶液を混合する際、チューブ内に同時に6mm角程度に切断したうえで劈開したマイカ片(ニラコ社製、天然マイカ(白雲母))を投入した。また、溶液量は200μlとし、マイカ片全体が溶液に触れることができるようにした。 First, each oligonucleotide synthesized by determining a base sequence by a program based on the above-described knowledge is dissolved in TAE buffer (1 × TAE / Mg 2+ (12.5 mM)) so as to have a concentration of 0.1 μM. The oligonucleotide solution was purified. Then, each of the solutions was dispensed, and all the dispensed solutions were mixed in equal amounts in one reaction tube to purify the oligonucleotide mixed solution. When mixing the solution, mica pieces (manufactured by Niraco, natural mica (muscovite)) cleaved after being simultaneously cut into about 6 mm square were put into a tube. The solution volume was 200 μl so that the entire mica piece could touch the solution.
 次に、そのオリゴヌクレオチド混合溶液を、サーマルサイクラー(エッペンドルフ社製)を用い、約95℃から開始して約4℃までゆるやかに冷却することによって、混合溶液内の各オリゴヌクレオチドをアニーリングさせ、相補的塩基配列部分においてハイブリダイゼーションさせた。なお、アニーリング操作は2日程度かけて継続的に行った。アニーリングさせたサンプルは恒温槽に入れ、約3℃にて保存した。 Next, the oligonucleotide mixed solution is annealed by using a thermal cycler (Eppendorf) and slowly cooling to about 4 ° C. starting from about 95 ° C. Hybridization was performed at the target nucleotide sequence. The annealing operation was continuously performed over about 2 days. The annealed sample was placed in a thermostatic bath and stored at about 3 ° C.
 図18(a4,a5)は、上記操作により具体的に作製した梯子型構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。このAFMによるナノ構造形成の確認観察においては、2日程度かけて継続的に冷却させてアニーリング反応させた後、恒温槽に保存させておいたサンプルから、適宜ピペットを用いて観察する分をその都度取り出し、ビーコ社製NanoScope IIIを利用して、液中タッピングモード観察にて行った。 FIG. 18 (a4, a5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of a ladder structure specifically manufactured by the above operation. In the confirmation observation of the nanostructure formation by this AFM, the sample to be observed using a pipette is appropriately measured from the sample that has been continuously cooled and annealed for about 2 days and then stored in a thermostat. The sample was taken out each time and was observed in a liquid tapping mode using NanoScope® III manufactured by Beco.
 この図18(a4,a5)のAFM観察画像からも明らかのように、実施例4に比べ、基板成長によりその構造長が大幅に長くなり、また、基板上では構造同士が整列することが明確にわかる。構造同士が整列する現象は、基板がもつ電荷を打ち消すためになるべく多くのDNAを、カウンターイオンを介して吸着させることが望ましいことによると考えられる。なるべく多くの構造物を限られた平面内に載せるため、構造物同士が平面上でのみ動く拘束を受けながら移動し、最終的に細密充填すると考えられる。 As is clear from the AFM observation images of FIGS. 18 (a4, a5), it is clear that the structure length is greatly increased by the growth of the substrate as compared with Example 4, and the structures are aligned on the substrate. I understand. The phenomenon that the structures are aligned is thought to be due to the fact that it is desirable to adsorb as much DNA as possible through counter ions in order to cancel the charge of the substrate. In order to place as many structures as possible in a limited plane, it is considered that the structures move while receiving restraints that move only on the plane, and finally are densely packed.
 <梯子型構造物(2)>
 図19は、具体的な核酸構造物のユニット構造(b1)と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製する核酸構造物(b2)である梯子型構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図19に示すように、この実施形態に係る梯子型構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図19に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示している。
<Ladder type structure (2)>
FIG. 19 schematically shows the structure of a part of a ladder structure, which is a specific nucleic acid structure unit structure (b1) and a nucleic acid structure (b2) that is produced by repeating the unit structure as a repetitive structure. FIG. As shown in FIG. 19, the ladder-type structure according to this embodiment is formed by connecting a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. To do. Note that the numbers described in the structure shown in FIG. 19 indicate the number of base pairs (bp).
 下記(VI)に示した2種の塩基配列(配列番号:16,17)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The two base sequences shown in (VI) below (SEQ ID NOs: 16 and 17) are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure to be a repetitive structure and examining the phase. The nucleotide sequence of the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 アニーリング開始後、まずは高温時に+配列とした配列16と-配列とした配列17とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、この両配列内部には相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内部のCGACAC,-配列内部のACTGCA)を2箇所有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応する配列は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。また、両配列共にその5’末端側には、それぞれ+配列なら-配列の、-配列ならば+配列が内部に有する相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列の相補配列があり、これらはこの段階では水素結合は形成しない。したがって、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内のCGACAC,-配列内のACTGCA)2箇所の部分において二重螺旋DNAが折り曲り、くの字2つ型構造を形成するようになる。さらに温度を下げていくと、上記水素結合をしなかった塩基配列同士が粘着末端として機能し水素結合する。このとき,図19(b1)に示すX部分とY部分、またX’部分とY’部分が相補配列を有するよう設計しているので、結果として冷却後、図19(b2)に示す梯子型構造物が得られる。 After the start of annealing, firstly, the sequence 16 having the + sequence and the sequence 17 having the − sequence form a hydrogen bond at the complementary base sequence portion at a high temperature to form double-stranded DNA. At that time, both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ CGACAC inside the sequence, ACTGCA inside the -sequence), and in this base sequence part, On the other hand, the corresponding sequence forming the base pair does not form a hydrogen bond, skips the base sequence having no complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with the base portion having the next complementary binding relationship. . Further, both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA bends at two parts of the base sequence (+ CGACAC in the sequence, ACTGCA in the sequence) that cannot form complementary hydrogen bonds inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form. When the temperature is further lowered, the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond. At this time, the X portion and the Y portion shown in FIG. 19 (b1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences. As a result, after cooling, the ladder type shown in FIG. 19 (b2) is obtained. A structure is obtained.
 (実施例6)
 この梯子型形状の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。
(Example 6)
The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed in the following procedure.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例4と同様である。
 図20(b3)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例4と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 4.
FIG. 20 (b3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 4.
 この図20(b3)のAFM観察画像からも明らかのように、設計通りの梯子型構造物が得られた。ただし、その長さは数百ナノから1マイクロメートル程度であった。 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 20 (b3), a ladder structure as designed was obtained. However, the length was about several hundred nanometers to 1 micrometer.
 (実施例7)
 実施例6とは異なる方法で、この梯子型形状の核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察を、以下のような手順で行った。
(Example 7)
The formation operation and confirmation observation of this ladder-shaped nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from that in Example 6.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例5と同様である。
 図20(b4,b5)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例5と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 5.
FIG. 20 (b4, b5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
 この図20(b4,b5)のAFM観察画像からも明らかのように、実施例6に比べ、基板成長によりその構造長が大幅に長くなり、また、基板上では構造同士が整列することが明確にわかる。構造同士が整列する現象は、基板がもつ電荷を打ち消すためになるべく多くのDNAを、カウンターイオンを介して吸着させることが望ましいことによると考えられる。なるべく多くの構造物を限られた平面内に載せるため、構造物同士が平面上でのみ動く拘束を受けながら移動し、最終的に細密充填すると考えられる。 As is clear from the AFM observation images of FIGS. 20 (b4, b5), compared with Example 6, the structure length is significantly increased by the growth of the substrate, and it is clear that the structures are aligned on the substrate. I understand. The phenomenon that the structures are aligned is thought to be due to the fact that it is desirable to adsorb as much DNA as possible through counter ions in order to cancel the charge of the substrate. In order to place as many structures as possible in a limited plane, it is considered that the structures move while receiving restraints that move only on the plane, and finally are densely packed.
 <平面構造物(1)>
 図21は、具体的な核酸構造物のユニット構造(c1)と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製する核酸構造物(c2)である核酸構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図21に示すように、この実施形態に係る核酸構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図21に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示している。
<Plane structure (1)>
FIG. 21 is a diagram schematically showing a part of the structure of a nucleic acid structure which is a specific nucleic acid structure unit structure (c1) and a nucleic acid structure (c2) produced by repeating the unit structure as a repetitive structure. It is. As shown in FIG. 21, the nucleic acid structure according to this embodiment is formed by connecting a plurality of T-shaped nucleic acid structures as unit structures and connecting a plurality of T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. . The numbers described in the structure shown in FIG. 21 indicate the number of base pairs (bp).
 下記(VII)に示した2種の塩基配列(配列番号:18,19)、下記(VIII)に示した2種の塩基配列(配列番号:20,21)、および下記(IX)に示した2種の塩基配列(配列番号:22,23)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。下記(VII),(VIII)および(IX)の配列はどれも同様の指針に基づいて設計されたものであり、同一の構造を作製可能である。これにより、T字型形状構造体は特異的な(ある一種類の)配列のみで再現されるものではなく、設計指針に基づいた配列であれば広く作製できることを示している。 The two types of base sequences shown in (VII) below (SEQ ID NO: 18, 19), the two types of base sequences shown in (VIII) below (SEQ ID NO: 20, 21), and the following (IX) The two types of base sequences (SEQ ID NOs: 22 and 23) are the base sequences possessed by the oligonucleotides designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure to be a repetitive structure and examining the phase. It is. The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end. The following sequences (VII), (VIII) and (IX) are all designed based on the same guidelines, and the same structure can be produced. This indicates that the T-shaped structure is not reproduced only by a specific (one kind of) array, and can be widely produced if the array is based on the design guidelines.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 アニーリング開始後、まずは高温時に+配列とした配列18と-配列とした配列19とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、この両配列内部には相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内部のGGGCT,-配列内部のCGTCG)を2箇所有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応する配列は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。また、両配列共にその5’末端側には、それぞれ+配列なら+配列の、-配列ならば-配列が内部に有する相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列の相補配列があり、これらはこの段階では水素結合は形成しない。したがって、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内のGGGCT,-配列内のCGTCG)2箇所の部分において二重螺旋DNAが折り曲り、くの字2つ型構造を形成するようになる。さらに温度を下げていくと、上記水素結合をしなかった塩基配列同士が粘着末端として機能し水素結合する。このとき,図21(c1)に示すX部分とY部分、またX’部分とY’部分が相補配列を有するよう設計しているので、結果として冷却後、図21(c2)に示す平面型構造物が得られる。 After the start of annealing, first, the sequence 18 having the + sequence and the sequence 19 having the − sequence form a hydrogen bond at the complementary base sequence portion at a high temperature to form a double helix DNA. At that time, both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ GGGCT inside the sequence, -CGTCG inside the -sequence). On the other hand, the corresponding sequence forming the base pair does not form a hydrogen bond, skips the base sequence having no complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with the base portion having the next complementary binding relationship. . In addition, both sequences have a complementary sequence of a base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond inside the + sequence if it is a + sequence, or if it is a − sequence, on the 5 ′ end side. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA is folded at two parts of the base sequence (+ GGGCT in the sequence, -CGTCG in the sequence) that cannot form a complementary hydrogen bond inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form. When the temperature is further lowered, the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond. At this time, the X portion and the Y portion shown in FIG. 21 (c1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences. As a result, after cooling, the planar type shown in FIG. 21 (c2) is obtained. A structure is obtained.
 配列20および21の場合、上記の配列18を20に、配列19を21に置き換えたもの、また同様に配列22,23の場合、配列18を22に、配列19を23に置き換えたものになる。またこのとき、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列はそれぞれ、20,21の場合が+配列内のGGGCTおよび-配列内のCGTCGであり、22,23の場合が+配列内のCCACAおよび-配列内のATCCGとなる。  In the case of the arrays 20 and 21, the above-described array 18 is replaced with 20 and the array 19 is replaced with 21. Similarly, in the case of the arrays 22 and 23, the array 18 is replaced with 22 and the array 19 is replaced with 23. . At this time, the base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds within the sequence are the GGGCT in the + sequence and the CGTCG in the − sequence in the case of 20, 21 respectively, and the + sequence in the case of 22, 23 Within the CCACA and-within the sequence ATCCG.
 (実施例8)
 この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。
(Example 8)
The formation operation and confirmation observation of this nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed according to the following procedure.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例4と同様である。
 図22(c3)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例4と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 4.
FIG. 22 (c3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 4.
 この図22(c3)のAFM観察画像からも明らかのように、設計通りの平面型構造物が得られたが、その成長方向には特異性がみられる。これは、自由溶液中成長においては主にチューブ状構造をとることによると考えられる。 As is clear from the AFM observation image of FIG. 22 (c3), a planar structure as designed was obtained, but the growth direction has peculiarities. This is considered to be mainly due to the tube-like structure in the growth in free solution.
 (実施例9)
 実施例8とは異なる方法で、この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察を、以下のような手順で行った。
Example 9
The formation procedure and confirmation observation of this nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from that in Example 8.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例5と同様である。
 図22(c4,c5)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例5と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 5.
FIG. 22 (c4, c5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
 この図22(c4,c5)のAFM観察画像からも明らかのように、実施例8ではチューブ状の成長をみせていたものが、実施例9では基板上成長の効果により平面状に成長している。μmオーダーの平面単結晶構造が基板上すべてを覆っている。成長プロセスの工夫によりこの単結晶領域の拡大は可能であることから、大規模結晶成長が実現できる。 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 22 (c4, c5), the tube-like growth was shown in Example 8, but in Example 9, it grew in a planar shape due to the growth effect on the substrate. Yes. A planar single crystal structure on the order of μm covers the entire surface of the substrate. Since this single crystal region can be expanded by devising the growth process, large-scale crystal growth can be realized.
 <平面構造物(2)>
 図23は、具体的な核酸構造物のユニット構造(d1)と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製する核酸構造物(d2)である核酸構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図23に示すように、この実施形態に係る核酸構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図23に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示している。
<Plane structure (2)>
FIG. 23 is a diagram schematically showing a part of the structure of a nucleic acid structure which is a specific nucleic acid structure unit structure (d1) and a nucleic acid structure (d2) which is produced by repeating the unit structure as a repetitive structure. It is. As shown in FIG. 23, the nucleic acid structure according to this embodiment is formed by using a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of the T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. . Note that the numbers described in the structure shown in FIG. 23 indicate the number of base pairs (bp).
 下記(X)に示した2種の塩基配列(配列番号:24,25)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The two base sequences (SEQ ID NOs: 24, 25) shown in (X) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure that becomes the above-mentioned repeating structure and examining the phase. The nucleotide sequence of the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide shows the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 アニーリング開始後、まずは高温時に+配列とした配列24と-配列とした配列25とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、この両配列内部には相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内部のCTCTT,-配列内部のGATGA)を2箇所有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応する配列は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。また、両配列共にその5’末端側には、それぞれ+配列なら-配列の、-配列ならば+配列が内部に有する相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列の相補配列があり、これらはこの段階では水素結合は形成しない。したがって、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内のCTCTT,-配列内のGATGA)2箇所の部分において二重螺旋DNAが折り曲り、くの字2つ型構造を形成するようになる。さらに温度を下げていくと、上記水素結合をしなかった塩基配列同士が粘着末端として機能し水素結合する。このとき,図23(d1)に示すX部分とY部分、またX’部分とY’部分が相補配列を有するよう設計しているので、結果として冷却後、図23(d2)に示す平面型構造物が得られる。 After the start of annealing, first, the sequence 24 having the + sequence and the sequence 25 having the − sequence form a hydrogen bond at a complementary base sequence portion at a high temperature to form a double helix DNA. At that time, both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ CTCTT inside the sequence, -GATGA inside the -sequence). A corresponding sequence that forms a base pair does not form a hydrogen bond, but skips a base sequence that does not have a complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with a base portion that has the next complementary binding relationship. . Further, both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA bends at two parts of the base sequence (+ CTCTT in the sequence, GATGA in the sequence) that cannot form complementary hydrogen bonds within the sequence, and a double-shaped structure Will come to form. When the temperature is further lowered, the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond. At this time, the X portion and the Y portion shown in FIG. 23 (d1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences. As a result, after cooling, the planar type shown in FIG. 23 (d2) is obtained. A structure is obtained.
 (実施例10)
 この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。
(Example 10)
The formation operation and confirmation observation of this nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed according to the following procedure.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例4と同様である。
 図24(d3)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例4と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 4.
FIG. 24 (d3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 4.
 この図24(d3)のAFM観察画像からも明らかのように、設計通りの平面型構造物が得られたが、その成長サイズは数百×数百ナノメートル程度に限られている。 As is clear from the AFM observation image of FIG. 24 (d3), a planar structure as designed was obtained, but the growth size is limited to about several hundreds × several hundred nanometers.
 (実施例11)
 実施例10とは異なる方法で、この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察を、以下のような手順で行った。
(Example 11)
The formation procedure and confirmation observation of this nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from Example 10.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例5と同様である。
 図24(d4,d5)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例5と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 5.
FIG. 24 (d4, d5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
 この図24(d4,d5)のAFM観察画像からも明らかのように、実施例10ではほとんど成長をみせなかったが、実施例11では基板上成長を行うことで平面構造物を作製することができる。 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 24 (d4, d5), almost no growth was observed in Example 10, but in Example 11, a planar structure can be produced by growing on the substrate. it can.
 <二次元極座標構造物>
 図25は、具体的な核酸構造物のユニット構造(e1)と、そのユニット構造を繰り返し構造として作製する核酸構造物(e2)である核酸構造物の一部の構造を模式的に示した図である。図25に示すように、この実施形態に係る核酸構造物は、T字型形状の核酸構造体をユニット構造とし、このT字型形状の核酸構造体を繰り返し構造として複数接続させることによって形成する。なお、図25に示す構造体中に記載した数字は塩基対(bp)の数を示している。
<Two-dimensional polar coordinate structure>
FIG. 25 is a diagram schematically showing a part of the structure of a nucleic acid structure which is a specific nucleic acid structure unit structure (e1) and a nucleic acid structure (e2) produced as a repeating structure of the unit structure. It is. As shown in FIG. 25, the nucleic acid structure according to this embodiment is formed by forming a T-shaped nucleic acid structure as a unit structure and connecting a plurality of the T-shaped nucleic acid structures as repeating structures. . The numbers shown in the structure shown in FIG. 25 indicate the number of base pairs (bp).
 下記(XI)に示した2種の塩基配列(配列番号:26,27)は、上述した繰り返し構造となるユニット構造の決定及び位相に関する検討を行い、意図した順番でハイブリダイゼーションが起こるように設計したオリゴヌクレオチドが有する塩基配列である。なお、このオリゴヌクレオチドの塩基配列は、5’末端→3’末端の方向の塩基配列を示している。 The two types of base sequences (SEQ ID NOs: 26 and 27) shown in (XI) below are designed so that hybridization occurs in the intended order by determining the unit structure to be a repetitive structure and examining the phase. The nucleotide sequence of the oligonucleotide. The base sequence of this oligonucleotide indicates the base sequence in the direction from the 5 'end to the 3' end.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
 アニーリング開始後、まずは高温時に+配列とした配列26と-配列とした配列27とが相補的塩基配列部分において水素結合を形成し、二重螺旋DNAが形成される。その際、この両配列内部には相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内部のAAGCG,-配列内部のGTGGA)を2箇所有しており、この塩基配列部分においては、互いに水素結合を形成せず、一方、塩基対を形成する対応する配列は、その相補的な結合関係のない塩基配列を飛ばして、次の相補的結合関係を有する塩基部分と水素結合を形成し続ける。また、両配列共にその5’末端側には、それぞれ+配列なら-配列の、-配列ならば+配列が内部に有する相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列の相補配列があり、これらはこの段階では水素結合は形成しない。したがって、配列内部の相補的な水素結合を形成し得ない塩基配列(+配列内のAAGCG,-配列内のGTGGA)2箇所の部分において二重螺旋DNAが折り曲り、くの字2つ型構造を形成するようになる。さらに温度を下げていくと、上記水素結合をしなかった塩基配列同士が粘着末端として機能し水素結合する。このとき,図25(e1)に示すX部分とY部分、またX’部分とY’部分が相補配列を有するよう設計しているので、結果として冷却後、図25(e2)に示す二次元極座標構造物が得られる。 After the start of annealing, first, the sequence 26 having the + sequence and the sequence 27 having the − sequence form a hydrogen bond at a complementary base sequence portion at a high temperature to form a double helix DNA. At that time, both of these sequences have two base sequences that cannot form complementary hydrogen bonds (+ AAGCG inside the sequence, -GTGGA inside the -sequence), and in this base sequence part, On the other hand, the corresponding sequence forming the base pair does not form a hydrogen bond, skips the base sequence having no complementary binding relationship, and continues to form a hydrogen bond with the base portion having the next complementary binding relationship. . Further, both sequences have a complementary sequence of the base sequence that cannot form a complementary hydrogen bond in the + sequence of the-sequence if it is a + sequence, and in the case of a + sequence. Does not form hydrogen bonds at this stage. Therefore, double-stranded DNA is folded at two parts of the base sequence (+ AAGCG in the sequence, GTGGA in the sequence) that cannot form a complementary hydrogen bond inside the sequence, and a double-shaped structure Will come to form. When the temperature is further lowered, the base sequences that have not undergone hydrogen bonding function as sticky ends and hydrogen bond. At this time, the X portion and the Y portion shown in FIG. 25 (e1) and the X ′ portion and the Y ′ portion are designed to have complementary sequences. As a result, after cooling, the two-dimensional portion shown in FIG. 25 (e2) is obtained. A polar coordinate structure is obtained.
 (実施例12)
 この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察は、以下のような手順で行った。
Example 12
The formation operation and confirmation observation of this nucleic acid structure by the one-pot annealing method were performed according to the following procedure.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例4と同様である。
 図26(e3)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例4と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 4.
FIG. 26 (e3) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 4.
 この図26(e3)のAFM観察画像からも明らかのように、設計通りの二次元極座標構造物が得られた。また、このときマイカ基板上にはランダムに吸着しているだけである。 As is apparent from the AFM observation image of FIG. 26 (e3), a two-dimensional polar coordinate structure as designed was obtained. Further, at this time, it is adsorbed randomly on the mica substrate.
 (実施例13)
 実施例12とは異なる方法で、この核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作及び確認観察を、以下のような手順で行った。
(Example 13)
The formation procedure and confirmation observation of this nucleic acid structure by a one-pot annealing method were carried out by the following procedure using a method different from that in Example 12.
 核酸構造物のワンポットアニーリング法による形成操作は、実施例5と同様である。
 図26(e4,e5)は、上記操作により具体的に作製した核酸構造物の原子間力顕微鏡(AFM)観察画像である。核酸構造物の原子間力顕微鏡観察の方法は、実施例5と同様である。
The operation of forming the nucleic acid structure by the one-pot annealing method is the same as in Example 5.
FIG. 26 (e4, e5) is an atomic force microscope (AFM) observation image of the nucleic acid structure specifically produced by the above operation. The method for the atomic force microscope observation of the nucleic acid structure is the same as in Example 5.
 実施例13では、実施例12と比較して収率が急激に上昇する。実施例12ではおよそ20%前後だったものが、実施例13の基板上成長ではほぼ100%にまで大幅に向上している。また、図26(e4,e5)のAFM観察画像からも明らかのように、核酸構造同士が整列している。この場合円形の構造であるので、平面上に六方細密構造でもって並ぶことが確認できる。構造同士が整列する現象は、基板がもつ電荷を打ち消すためになるべく多くのDNAを、カウンターイオンを介して吸着させることが望ましいことによると考えられる。なるべく多くの構造物を限られた平面内に載せるため、構造物同士が平面上でのみ動く拘束を受けながら移動し、最終的に六方細密充填すると考えられる。 In Example 13, the yield increases sharply compared to Example 12. What was around 20% in Example 12 is greatly improved to almost 100% in the growth on the substrate in Example 13. In addition, as is apparent from the AFM observation image of FIG. 26 (e4, e5), the nucleic acid structures are aligned. In this case, since it is a circular structure, it can be confirmed that it is arranged in a hexagonal close-packed structure on a plane. The phenomenon that the structures are aligned is thought to be due to the fact that it is desirable to adsorb as much DNA as possible through counter ions in order to cancel the charge of the substrate. In order to place as many structures as possible in a limited plane, it is considered that the structures move while receiving restraints that move only on the plane, and finally close packed in hexagonal form.
 <平面構造物(3)>
 (比較例1)
 繰り返し構造物の基本構造について、図27,28を用いて説明する。基本構造は、図28のa~hの8本の一本鎖DNAで構成している。図28のc~hの6本のDNA分子が結合して六量体が形成した後、aとbの2本のDNA分子が六量体同士を接続することにより図29のような平面構造を形成する。
<Plane structure (3)>
(Comparative Example 1)
The basic structure of the repetitive structure will be described with reference to FIGS. The basic structure is composed of eight single-stranded DNAs a to h in FIG. After the six DNA molecules c to h in FIG. 28 are combined to form a hexamer, the two DNA molecules a and b connect the hexamers to each other to form a planar structure as shown in FIG. Form.
 図28のa,bの2本のみは環状のもの、すなわち閉じた一本鎖DNA構造のものを用いる。図28のa,bの2本は環状のものを用いるのは、以下の理由がある。DNA分子は基本的に連続した長い相補塩基配列の部分から順に結合していくが、a,bの配列が環状でなく、三角形構造の1つの辺にあたる部分が開いた構造である場合、連続していない辺の部分は相補塩基配列による結合力が弱くなるため、その辺は結合し辛くなる。a,bの配列が環状でなく、三角形構造の1つの頂点にあたる部分が開いた構造である場合、六量体で構成したモチーフ同士を、a,bの配列が定まった形に固定した状態で接続できなくなり、目的とは異なる構造となってしまう可能性が高まる。 Only two of a and b in FIG. 28 are circular, that is, a closed single-stranded DNA structure. The reason why two rings a and b in FIG. 28 are annular is as follows. DNA molecules are basically bound in order from a portion of a long continuous complementary base sequence. However, if the sequences of a and b are not circular and a portion corresponding to one side of a triangular structure is open, the DNA molecules are continuous. Since the binding force due to the complementary base sequence is weak in the part of the side that is not, the side becomes difficult to bind. When the arrangement of a and b is not circular and the structure corresponding to one vertex of the triangular structure is open, the motifs composed of hexamers are fixed in a form in which the arrangement of a and b is fixed. It becomes impossible to connect and the possibility of becoming a structure different from the purpose increases.
 三角形構造の1辺はDNA二重螺旋の約1回転分にあたる10塩基と、とても小さい構造である。また、図27に示すように、三角形構造の各頂点におけるヒンジ部分には、結合しない核酸塩基が複数個あるため、モチーフの柔軟性が高く、構造上の歪みが蓄積しない。今回のモチーフはチミン(T)が2つ配置されている。 One side of the triangular structure is a very small structure with 10 bases corresponding to about one rotation of the DNA double helix. In addition, as shown in FIG. 27, since there are a plurality of nucleobases that do not bind at the hinge portion at each vertex of the triangular structure, the motif is highly flexible and structural distortion does not accumulate. This motif has two thymines (T).
 核酸構造物の作製条件について説明する。材料である8本のDNAを全てチューブ内にいれ、アニーリングと呼ばれる温度降下方法で高温から低温にゆっくりと冷やすことにより、核酸構造物の作製を行った。ワンポットアニーリング法と呼ばれる、DNA構造物作製における一般的な方法である。以後、ここで示す全て構造形成はこの手順で行った。 The conditions for producing the nucleic acid structure will be described. All eight DNAs as materials were put in a tube, and a nucleic acid structure was prepared by slowly cooling from high temperature to low temperature by a temperature drop method called annealing. This is a general method for preparing a DNA structure, called a one-pot annealing method. Thereafter, all the structures shown here were formed by this procedure.
 図30に示すように、モチーフ単体の構造形成温度が50℃前後、平面結晶構造の成長温度が20℃前後となるように設計した。そのため、アニーリングは、まず90℃まで温度を上げた後に、2日間かけて4℃まで徐冷することにより行った。サンプル溶液の量は100μl、各DNA分子の濃度は0.04μMの等モル条件とした。 As shown in FIG. 30, the structure was designed so that the structure formation temperature of the motif alone was around 50 ° C., and the growth temperature of the planar crystal structure was around 20 ° C. Therefore, annealing was performed by first raising the temperature to 90 ° C. and then gradually cooling to 4 ° C. over 2 days. The amount of the sample solution was 100 μl, and the concentration of each DNA molecule was equimolar conditions of 0.04 μM.
 実験結果について説明する。自由溶液中におけるアセンブリでは平面構造を確認できず、その代わり、図31に示すような無数のクラスター化した小さな構造がAFM(原子間力顕微)により観察された。 Explain the experimental results. In the assembly in the free solution, the planar structure could not be confirmed. Instead, an infinite number of clustered small structures as shown in FIG. 31 were observed by AFM (atomic force microscope).
 (実施例14)
 繰り返し構造物の基本構造は、比較例1で作製したものと全く同じ構造を使用した。
(Example 14)
As the basic structure of the repetitive structure, the same structure as that prepared in Comparative Example 1 was used.
 核酸構造物の作製条件について説明する。ほぼ比較例1で作製した条件と同じだが、今回は基板上に直接DNA核酸構造物を作製するため、従来のサンプル溶液のみのアニーリングとは異なり、負の表面電荷をもつマイカ基板を同一チューブ内でサンプル溶液に浸してアニーリングを行った。 The conditions for producing the nucleic acid structure will be described. Although it is almost the same as the conditions prepared in Comparative Example 1, this time, since a DNA nucleic acid structure is directly formed on the substrate, a mica substrate having a negative surface charge is placed in the same tube, unlike the conventional annealing of only the sample solution. Was immersed in the sample solution for annealing.
 基板としてはマイカ(雲母)を使用し、サイズは約5mm×10mmのものを用い、使用したチューブに収まるサイズとした。サンプル溶液の量も、基板が溶液に十分浸った状態である必要があるため、比較例1の自由溶液中におけるサンプル量(100μl)の2倍量で行った。具体的には、サンプル量200μl、各DNA分子の濃度は0.04μMの等モル条件とした。濃度は比較例1の自由溶液中での作製時と同じである。 As the substrate, mica (mica) was used, and the size was about 5 mm × 10 mm, and the size fits in the used tube. Since the amount of the sample solution also needs to be in a state in which the substrate is sufficiently immersed in the solution, the amount of the sample solution was twice the amount of the sample (100 μl) in the free solution of Comparative Example 1. Specifically, the sample amount was 200 μl, and the concentration of each DNA molecule was equimolar conditions of 0.04 μM. The concentration is the same as that in the free solution of Comparative Example 1.
 実験結果について説明する。基板上におけるアセンブリでは、図32に示すように、ところどころに穴がある大きな平面構造をAFMにより確認した。均質な厚みのDNA構造で全体が覆われている。 Explain the experimental results. In the assembly on the substrate, as shown in FIG. 32, a large planar structure with holes in some places was confirmed by AFM. The whole is covered with a DNA structure of uniform thickness.
 <平面構造物(4)>
 (比較例2)
 繰り返し構造物の基本構造について、図33,34を用いて説明する。基本構造は、図34のa~fの6本の一本鎖DNAで構成している。図34のa~fのDNA分子が結合して六量体が形成した後、六量体同士が構造の外側に位置する辺における粘着末端部分で直接結合することにより図35のような平面構造を形成する。
<Plane structure (4)>
(Comparative Example 2)
The basic structure of the repetitive structure will be described with reference to FIGS. The basic structure is composed of six single-stranded DNAs a to f in FIG. After the DNA molecules a to f in FIG. 34 are bonded to form a hexamer, the hexamers are directly bonded to each other at the sticky end portion on the side located outside the structure, thereby forming a planar structure as shown in FIG. Form.
 三角形構造の1辺はDNA二重螺旋の約2回転分にあたる21塩基と、小さい構造である。また、図33に示すように、三角形構造の各頂点におけるヒンジ部分には、結合しない核酸塩基が複数個あるため、モチーフの柔軟性が高く、構造上の歪みが蓄積しない。今回のモチーフはチミン(T)が2つ配置されている。 One side of the triangular structure is a small structure with 21 bases corresponding to about two rotations of the DNA double helix. As shown in FIG. 33, since there are a plurality of nucleobases that do not bind at the hinge portion at each vertex of the triangular structure, the motif has high flexibility and structural distortion does not accumulate. This motif has two thymines (T).
 核酸構造物の作製条件について説明する。図36に示すように、モチーフ単体の構造形成温度が70℃前後、平面結晶構造の成長温度が40℃前後となるように設計した。アニーリングは90℃まで温度を上げた後に、2日間かけて20℃まで徐冷することにより行った。サンプル溶液の量は100μl、各DNA分子の濃度は0.01μMの等モル条件とした。 The conditions for producing the nucleic acid structure will be described. As shown in FIG. 36, the structure was designed so that the structure formation temperature of the motif alone was around 70 ° C., and the growth temperature of the planar crystal structure was around 40 ° C. Annealing was performed by raising the temperature to 90 ° C. and then gradually cooling to 20 ° C. over 2 days. The amount of the sample solution was 100 μl, and the concentration of each DNA molecule was 0.01 μM.
 実験結果について説明する。自由溶液中におけるアセンブリでは平面構造を確認できず、その代わり、図37に示すような無数のクラスター化した小さな構造がAFM(原子間力顕微)により観察された。 Explain the experimental results. In the assembly in the free solution, the planar structure could not be confirmed. Instead, an infinite number of clustered small structures as shown in FIG. 37 were observed by AFM (atomic force microscope).
 (実施例15)
 繰り返し構造物の基本構造は、比較例2で作製したものと全く同じ構造を使用した。
(Example 15)
As the basic structure of the repetitive structure, the same structure as that prepared in Comparative Example 2 was used.
 核酸構造物の作製条件について説明する。ほぼ比較例2で作製した条件と同じだが、今回は基板上に直接DNAナノ構造物を作製するため、従来のサンプル溶液のみのアニーリングとは異なり、負の表面電荷をもつマイカ基板を同一チューブ内でサンプル溶液に浸してアニーリングを行った。 The conditions for producing the nucleic acid structure will be described. Although it is almost the same as the conditions prepared in Comparative Example 2, this time, since a DNA nanostructure is directly formed on a substrate, a mica substrate having a negative surface charge is placed in the same tube unlike conventional annealing of only a sample solution. Was immersed in the sample solution for annealing.
 基板としてはマイカ(雲母)を使用し、サイズは約5mm×10mmのものを用い、使用したチューブに収まるサイズとした。サンプル溶液の量も、基板が溶液に十分浸った状態である必要があるため、自由溶液中におけるサンプル量(100μl)の2倍量で行った。具体的には、サンプル量200μl、各DNA分子の濃度は0.01μMの等モル条件とした。濃度は比較例2の自由溶液中での作製時と同じである。 As the substrate, mica (mica) was used, and the size was about 5 mm × 10 mm, and the size fits in the used tube. Since the amount of the sample solution also needs to be in a state in which the substrate is sufficiently immersed in the solution, the amount was twice as much as the sample amount (100 μl) in the free solution. Specifically, the sample amount was 200 μl, and the concentration of each DNA molecule was 0.01 μM. The concentration is the same as that in Comparative Example 2 when prepared in a free solution.
 実験結果について説明する。基板上におけるアセンブリでは、図38に示すように、AFMにより大きく一様な平面構造を確認した。また、図39に示すように、構造の構成単位である六角格子構造をAFMにより確認した。 Explain the experimental results. In the assembly on the substrate, as shown in FIG. 38, a large and uniform planar structure was confirmed by AFM. Further, as shown in FIG. 39, a hexagonal lattice structure, which is a structural unit of the structure, was confirmed by AFM.
 <平面構造物(5)>
 クロスモチーフの基本構造について説明する。基本構造は、図40に示すように、4本の一本鎖DNAからなり、矢印はDNA塩基配列の5’末端から3’末端への向きを表している。各一本鎖DNAは、他の3つの一本鎖DNAと3か所で結合する。図40に示したギリシャ文字の対応する配列部分(αとα’等)が互いに相補であり結合する個所である。
<Plane structure (5)>
The basic structure of the cross motif will be described. As shown in FIG. 40, the basic structure consists of four single-stranded DNAs, and the arrow indicates the direction from the 5 ′ end to the 3 ′ end of the DNA base sequence. Each single-stranded DNA binds to the other three single-stranded DNAs at three points. Corresponding arrangement parts (α and α ′, etc.) of the Greek letters shown in FIG. 40 are complementary and joined together.
 構造形成の際、まず高い温度において十字形のクロスモチーフが形成されてから、低い温度に下げたのちに各モチーフが互いに結合し広い平面構造をとるように塩基配列を設計している。具体的な配列は図41に示すとおりである。各一本鎖DNAの結合部分のうち、十字形を形成する結合、すなわちα、β、δ、ζの結合は60℃付近で結合する。残り2種の結合、γ、εは22℃近辺で互いに結合する。そのため、構造を形成する際は、まず60℃付近で図40のような十字形の構造が多数でき、22℃近辺で十字形の構造が互いに結合して、図42のような平面構造を形成する。 In the formation of the structure, the base sequence is designed so that a cross-shaped cross motif is first formed at a high temperature, and then the motifs are combined with each other after taking a low temperature to form a wide planar structure. A specific arrangement is as shown in FIG. Among the binding portions of each single-stranded DNA, the bonds forming a cross shape, that is, the bonds of α, β, δ, and ζ are bonded at around 60 ° C. The remaining two bonds, γ and ε, are bonded to each other around 22 ° C. Therefore, when forming the structure, a large number of cruciform structures as shown in FIG. 40 are first formed at around 60 ° C., and the cruciform structures are coupled to each other around 22 ° C. to form a planar structure as shown in FIG. To do.
 各一本鎖DNAは図40に示すように、十字形をとった際に角にあたる場所に、チミン(T)が2塩基存在している。このチミン2塩基には対応する相補配列が存在しないため、他の配列と結合せずに残る。そのため、このTTの部分は柔らかく、比較的自由な配置をとることができる。したがってこのTT2塩基が、平面構造を構成する際に生じる構造上の歪みを解消する役割を果たし、広い平面構造をとることを可能とする。 As shown in FIG. 40, each single-stranded DNA has two bases of thymine (T) at a position corresponding to a corner when taking a cross shape. Since this thymine dinucleotide does not have a corresponding complementary sequence, it remains unbound to other sequences. Therefore, this TT portion is soft and can be arranged relatively freely. Therefore, this TT2 base plays a role of eliminating structural distortion that occurs when a planar structure is formed, and enables a wide planar structure.
 (比較例3)
 作製条件について説明する。材料となる一本鎖DNA4本を一本のチューブ内に混ぜ、1×TAEバッファ(Mg2+(12.5mM))溶媒中に、最終生成物の濃度が0.1μMになるように溶解させ、溶液を精製する。溶液の量は50μlとした。このチューブを90℃のお湯の中に浸け、室温(24℃)まで20時間かけて自然冷却させることでアニーリングを行った。
(Comparative Example 3)
Manufacturing conditions will be described. 4 single-stranded DNAs as materials are mixed in one tube, dissolved in 1 × TAE buffer (Mg 2+ (12.5 mM)) solvent so that the final product concentration is 0.1 μM, Purify the solution. The solution volume was 50 μl. This tube was immersed in hot water at 90 ° C. and allowed to cool naturally to room temperature (24 ° C.) over 20 hours for annealing.
 実験結果について説明する。アニーリング終了後、チューブ内の溶液1μlをマイカの清浄表面の上に乗せ、その上から1×TAEバッファ(Mg2+(12.5mM))溶媒40μlを追加し、AFMによる観察を行った。図43はその図であるが、平面構造は形成されておらず、DNA片とおぼしきものが確認された。白く見えるのはDNAのランダム凝集体であり、測定ノイズとなってしまうため、画像の下半分が乱れている。 The experimental results will be described. After the annealing, 1 μl of the solution in the tube was placed on the clean surface of mica, 40 μl of 1 × TAE buffer (Mg 2+ (12.5 mM)) solvent was added from above, and observation by AFM was performed. FIG. 43 shows that, but a planar structure was not formed, and DNA fragments and objects were confirmed. What appears white are random agglomerates of DNA, resulting in measurement noise, and the lower half of the image is disturbed.
 (実施例16)
 作製条件について説明する。材料となる一本鎖DNA4本を一本のチューブ内に混ぜ、1×TAEバッファ(Mg2+(12.5mM))溶媒中に、最終生成物の濃度が0.1μMになるように溶解させ、溶液を精製する。溶液の量は200μlとした。チューブ内に清浄な表面を露出させたマイカ片をいれ、溶液内に浸かるようにする。このチューブを90℃のお湯の中に浸け、室温(24℃)まで20時間かけて自然冷却させることでアニーリングを行った。
(Example 16)
Manufacturing conditions will be described. 4 single-stranded DNAs as materials are mixed in one tube, dissolved in 1 × TAE buffer (Mg 2+ (12.5 mM)) solvent so that the final product concentration is 0.1 μM, Purify the solution. The volume of the solution was 200 μl. Place a piece of mica with a clean surface exposed in the tube and immerse it in the solution. This tube was immersed in hot water at 90 ° C. and allowed to cool naturally to room temperature (24 ° C.) over 20 hours for annealing.
 実験結果について説明する。アニーリング終了後、チューブから取り出したマイカ片をAFMにより観察した。図44において、広い平面構造が見える。右下に、AFMのカンチレバーにより一部剥がれた部分が見える。この剥がれた部分と他の部分との高さの差がほぼDNA1層分であることから、広い平面構造が見えていることがわかる。 Explain the experimental results. After the completion of annealing, the mica pieces taken out from the tube were observed by AFM. In FIG. 44, a wide planar structure can be seen. In the lower right, you can see the part peeled off by the AFM cantilever. Since the difference in height between the peeled portion and the other portion is almost equal to the DNA layer, it can be seen that a wide planar structure is visible.
 図45は平面構造が剥がされ、壊れた部分を拡大したものである。ところどころ正方格子構造を取っている部分が見える。これは平面構造が壊された際に構造が残った部分であるとみられ、この結果より、DNAは格子状の平面構造をとっているといえる。 FIG. 45 is an enlarged view of the broken part with the planar structure peeled off. In some places, a square lattice structure can be seen. This appears to be a portion where the structure remains when the planar structure is broken. From this result, it can be said that DNA has a lattice-like planar structure.
 以上のことから、本発明により以下のことが明らかになった。
 従来、多くのDNAナノ構造が提案されているが、それらはいずれも自由溶液中でセルフアセンブリするもので、界面上に大規模に結晶化させることはできない。その理由はおもに次のようなものと推測される。
From the above, the following has been clarified by the present invention.
Conventionally, many DNA nanostructures have been proposed, but they all self-assemble in a free solution and cannot be crystallized on a large scale on an interface. The reason is presumed as follows.
(1)従来のモチーフ(セルフアセンブルの単位)は、モチーフ単体の剛性がなるべく大きくなるように、モチーフ内に複数のジョイント拘束(クロスオーバーと呼ばれる構造)をいれている。このことにより自由溶液中では小規模(1ミクロン以下)の結晶体はできやすくなる。その反面、モチーフのもつ微小な幾何学的歪が解消できないため、それ以上の巨大化は困難となる。 (1) A conventional motif (a unit of self-assembly) includes a plurality of joint constraints (a structure called a crossover) in the motif so that the rigidity of the motif itself is as large as possible. This facilitates the formation of small crystals (1 micron or less) in free solution. On the other hand, since the minute geometric distortion of the motif cannot be resolved, it is difficult to make it larger.
(2)従来のモチーフは二重らせんを複数本平行に束ねた構造を含む。DNAはバックボーンが負に帯電しており、これを無理に隣り合わせた格好になっている。このため、モチーフ表面における負の電荷密度が高く、基板上電荷との相互作用が強くなりすぎて、結晶化に必要なモチーフの界面上の自由な運動を阻害してしまう。 (2) The conventional motif includes a structure in which a plurality of double helices are bundled in parallel. DNA has a negatively charged backbone, and looks like it is forcibly placed next to each other. For this reason, the negative charge density on the motif surface is high, the interaction with the charge on the substrate becomes too strong, and free movement on the interface of the motif necessary for crystallization is hindered.
(3)モチーフがある程度以上大きい場合は、吸着効果によってモチーフの反転(裏返り)が許されないため、不純物が大量に存在するのと同じ状況になる。 (3) If the motif is larger than a certain level, the reverse of the motif is not allowed due to the adsorption effect, so that the situation is the same as if there are a large amount of impurities.
 本発明は、従来のDNAモチーフのもつ問題点を次のように解決する。 The present invention solves the problems of conventional DNA motifs as follows.
(1)モチーフの構造を、二重らせんを束ねない構造(二重螺旋単体構造)とすることで、モチーフの幾何学的形状の精度を失わずに、一定の柔らかさを確保する。 (1) A certain softness is ensured by losing the accuracy of the geometrical shape of the motif by making the motif structure a structure that does not bind the double helix (double helix simple structure).
(2)モチーフをアセンブルした構造が網目状の空隙をもつため、DNAバックボーン同士が近接することがなく、静電反発力による歪を緩和できる。また、モチーフの表面電荷密度が小さいため、界面内での平面運動を阻害しない。 (2) Since the structure in which the motif is assembled has a mesh-like void, the DNA backbones do not come close to each other, and the strain due to electrostatic repulsion can be alleviated. In addition, since the surface charge density of the motif is small, it does not hinder the planar motion in the interface.
(3)モチーフが小さいため(構成する本数が少なく、長さも短い)、界面上の電気二重層内で反転でき、すべての分子を結晶化させることができる。 (3) Since the motif is small (the number of constituents is small and the length is short), it can be inverted in the electric double layer on the interface, and all molecules can be crystallized.
 本発明の効果が現れる原理は次のように考えられる。マイカなどの負に帯電した基板上に、バッファ溶液をみたすと、バッファに含まれる陽イオンにより、固液界面に電気二重層を形成する。一方、DNA分子はバックボーンのリン酸基に負の電荷をもっている。電気二重層とDNA分子の相互作用により、DNA分子は基板近傍に引き寄せられる。2価の陽イオンがDNAとマイカの間に入ることにより、DNAとマイカが緩やかに結合する。この状態でDNA分子がセルフアセンブリ(自己集合)することにより、2次元のDNAナノ構造を自己組織的に成長させることができる。分子が3次元的に運動する自由溶液中のセルフアセンブリとは異なり、ここではDNA分子の運動はほぼ2次元平面内に拘束されていると考えられる。 The principle that the effect of the present invention appears is considered as follows. When a buffer solution is deposited on a negatively charged substrate such as mica, an electric double layer is formed at the solid-liquid interface by cations contained in the buffer. On the other hand, DNA molecules have a negative charge on the phosphate group of the backbone. Due to the interaction between the electric double layer and the DNA molecule, the DNA molecule is attracted to the vicinity of the substrate. When a divalent cation enters between DNA and mica, DNA and mica are slowly bonded. In this state, the DNA molecules self-assemble (self-assembly), so that a two-dimensional DNA nanostructure can be grown in a self-organized manner. Unlike self-assembly in free solution where the molecules move in three dimensions, here the movement of the DNA molecules is considered to be constrained in a nearly two-dimensional plane.
 従来のDNAナノ構造はすべて自由溶液中でアセンブリされたものであり、溶液をアニーリングしたあとで、溶液ごと基板に滴下してナノ構造を固定する方法が取られている。そのため、作製したナノ構造体を決められた位置、方向に並べることができない、また結晶化の条件が途中で変わってしまう(試験管内の濃度変化や温度変化)ため、ナノ構造の品質(結晶欠陥率)が悪い、また大きな構造をつくるのが困難である、また3次元結晶化ができない、また収率が悪い、すなわち溶液中で結晶化しないDNAが大量に残り、無駄が多いなどの難点があった。 Conventional DNA nanostructures are all assembled in a free solution, and after annealing the solution, the solution is dropped onto the substrate together to fix the nanostructure. Therefore, the quality of the nanostructures (crystal defects) cannot be arranged because the fabricated nanostructures cannot be arranged in the determined position and direction, and the crystallization conditions change midway (concentration changes and temperature changes in the test tube). Rate), it is difficult to form a large structure, three-dimensional crystallization cannot be performed, and the yield is poor, that is, a large amount of DNA that does not crystallize in the solution remains and is wasteful. there were.
 本発明はこれらの問題点を解決し、基板上に直接大面積、低欠陥率のDNAナノ2次元結晶が作製できるため、これまでの溶液中アセンブリでは手が出なかったさまざまな応用分野にDNAナノテクノロジーを適用するためのブレークスルーとなる。
(1)基板上に直接作製できるため、トップダウンのナノテクノロジー(リソグラフィー)と組み合せやすい。リソグラフィーで作ったパターンにあわせて、DNAナノ構造を自己組織化させることができる。応用分野としては、超高密度記憶媒体、ナノ電子回路デバイス、バイオセンサーなどがある。
The present invention solves these problems and can produce a large area, low defect rate DNA nano two-dimensional crystal directly on a substrate. This is a breakthrough for applying nanotechnology.
(1) Since it can be directly produced on a substrate, it is easy to combine with top-down nanotechnology (lithography). DNA nanostructures can be self-organized according to the pattern created by lithography. Application fields include ultra-high density storage media, nanoelectronic circuit devices, biosensors, and the like.
(2)溶液中のほぼすべてのDNAをすべて結晶化させることができ、無駄がない。
(3)基板上の溶液置換により階層的なアセンブリが可能となり、従来の単一溶液中のアセンブリに比べ、格段に複雑なもの、例えば、3次元結晶のセルフアセンブリが可能となる。応用分野としては、フォトニック結晶、タンパク質結晶解析などがある。
(2) Almost all DNA in the solution can be crystallized, and there is no waste.
(3) Hierarchical assembly is possible by solution replacement on the substrate, and self-assembly of a much more complicated one, for example, a three-dimensional crystal, is possible compared to the conventional assembly in a single solution. Application fields include photonic crystals and protein crystal analysis.
(4)可溶性の球面ビーズの上でアセンブリすれば、DNAマイクロカプセルが作製できる。DNAナノ構造を作成後、ビーズ素材のゲルを溶かすことにより、機能性の容器を作ることが可能である。この技術は、帯電した自由曲面上によく制御されたDNAナノ構造を作る技術に発展可能であり、全く新しい応用を生む可能性もある。応用分野としては、インテリジェント・ドラッグ・デリバリーシステムなどがある。 (4) DNA microcapsules can be produced by assembling on soluble spherical beads. After creating the DNA nanostructure, it is possible to make a functional container by melting the gel of the bead material. This technique can be developed into a technique for creating a well-controlled DNA nanostructure on a charged free-form surface, and may have a completely new application. Applications include intelligent drug delivery systems.
 なお、上述した実施の形態においては、主に、核酸としてDNAを用いた具体例について説明したが、核酸はDNAに限られるものではなく、RNAやPNA等の核酸を用いてもよく、DNAとRNA、DNAとPNA等といったように、異なる核酸同士を組み合わせ、ハイブリダイゼーションさせることによって、本実施の形態に係る核酸構造体並びにナノ核酸構造物を形成するようにしてもよい。 In the embodiment described above, specific examples using DNA as a nucleic acid have been mainly described. However, the nucleic acid is not limited to DNA, and a nucleic acid such as RNA or PNA may be used. The nucleic acid structure and the nano nucleic acid structure according to the present embodiment may be formed by combining different nucleic acids such as RNA, DNA and PNA and hybridizing them.
 また、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

Claims (30)

  1.  二重螺旋構造からなる第1の核酸分子が有する一本鎖の自由端塩基配列と、
     二重螺旋構造からなる第2の核酸分子の一方のヌクレオチド鎖が非末端部の所定位置に有する、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、
     水素結合してなることを特徴とする核酸構造体。
    A single-stranded free-end base sequence of the first nucleic acid molecule having a double helix structure;
    One nucleotide chain of the second nucleic acid molecule having a double helix structure has a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal portion, and is complementary to the above-mentioned free-end base sequence The base sequence is
    A nucleic acid structure formed by hydrogen bonding.
  2.  上記自由端塩基配列は、上記第2の核酸分子における相補的な塩基対間の長さに相当する長さのヌクレオチド鎖を構成する塩基数から1を減じた塩基数からなることを特徴とする請求項1記載の核酸構造体。 The free-end base sequence is composed of the number of bases obtained by subtracting 1 from the number of bases constituting a nucleotide chain having a length corresponding to the length between complementary base pairs in the second nucleic acid molecule. The nucleic acid structure according to claim 1.
  3.  当該核酸構造体は、略T字型に分岐した構造を有することを特徴とする請求項1又は2記載の核酸構造体。 The nucleic acid structure according to claim 1 or 2, wherein the nucleic acid structure has a substantially branched T-shaped structure.
  4.  二重螺旋構造からなる第1の核酸分子が有する一本鎖の自由端塩基配列と、
     二重螺旋構造からなる第2の核酸分子の一方のヌクレオチド鎖が非末端部の所定位置に有する、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、水素結合してなる核酸構造体を
     有することを特徴とする核酸構造物。
    A single-stranded free-end base sequence of the first nucleic acid molecule having a double helix structure;
    One nucleotide chain of the second nucleic acid molecule having a double helix structure has a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal portion, and is complementary to the above-mentioned free-end base sequence A nucleic acid structure comprising a nucleic acid structure formed by hydrogen bonding with a base sequence.
  5.  上記自由端塩基配列は、上記第2の核酸分子における相補的な塩基対間の長さに相当する長さのヌクレオチド鎖を構成する塩基数から1を減じた塩基数からなることを特徴とする請求項4記載の核酸構造物。 The free-end base sequence is composed of the number of bases obtained by subtracting 1 from the number of bases constituting a nucleotide chain having a length corresponding to the length between complementary base pairs in the second nucleic acid molecule. The nucleic acid structure according to claim 4.
  6.  上記核酸構造体は、略T字型に分岐した構造であることを特徴とする請求項4又は5記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 4 or 5, wherein the nucleic acid structure has a substantially T-shaped branched structure.
  7.  当該核酸構造物は、梯子型構造であることを特徴とする請求項6記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 6, wherein the nucleic acid structure has a ladder structure.
  8.  当該核酸構造物は、平面構造であることを特徴とする請求項6記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 6, wherein the nucleic acid structure has a planar structure.
  9.  当該核酸構造物は、格子構造であることを特徴とする請求項8記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 8, wherein the nucleic acid structure has a lattice structure.
  10.  当該核酸構造物は、2次元極座標構造であることを特徴とする請求項6記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 6, wherein the nucleic acid structure has a two-dimensional polar coordinate structure.
  11.  当該核酸構造物は、3次元結晶構造であることを特徴とする請求項6記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 6, wherein the nucleic acid structure has a three-dimensional crystal structure.
  12.  当該核酸構造物は、3次元曲面構造であることを特徴とする請求項6記載の核酸構造物。 The nucleic acid structure according to claim 6, wherein the nucleic acid structure has a three-dimensional curved surface structure.
  13.  一本鎖の自由端塩基配列を有する二重螺旋構造からなる第1の核酸分子と、一対のヌクレオチド鎖の他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列を一方のヌクレオチド鎖の非末端部の所定位置に有する二重螺旋構造からなる第2の核酸分子とを形成し、
     上記自由端塩基配列と、上記第2の核酸分子が有する上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とにおいて、水素結合させることを特徴とする核酸構造物の作製方法。
    A first nucleic acid molecule having a double helix structure having a single-stranded free-end base sequence, and a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain of a pair of nucleotide chains, and complementary to the free-end base sequence A second nucleic acid molecule having a double helix structure having a specific base sequence at a predetermined position of the non-terminal part of one nucleotide chain,
    A method for producing a nucleic acid structure, wherein a hydrogen bond is formed between the free end base sequence and a base sequence complementary to the free end base sequence of the second nucleic acid molecule.
  14.  上記核酸構造物は、上記第1の核酸分子と上記第2の核酸分子との水素結合部位において、分岐構造を形成することを特徴とする請求項13記載の核酸構造物の作製方法。 The method for producing a nucleic acid structure according to claim 13, wherein the nucleic acid structure forms a branched structure at a hydrogen bonding site between the first nucleic acid molecule and the second nucleic acid molecule.
  15.  上記分岐構造は、上記第2の核酸分子の二重螺旋構造の主溝側における任意の位相において分岐することを特徴とする請求項14記載の核酸構造物の作製方法。 The method for producing a nucleic acid structure according to claim 14, wherein the branched structure is branched at an arbitrary phase on the main groove side of the double helical structure of the second nucleic acid molecule.
  16.  一方のヌクレオチド鎖の非末端部の所定位置に、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列を有する一対のヌクレオチド鎖によって二重螺旋構造からなる核酸分子を形成し、
     上記塩基配列と相補的な自由端塩基配列を有するヌクレオチド鎖と、上記核酸分子とを、上記相補的な塩基配列間において水素結合させることを特徴とする核酸構造物の作製方法。
    A nucleic acid molecule having a double helix structure is formed by a pair of nucleotide chains having a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal part of one nucleotide chain,
    A method for producing a nucleic acid structure, wherein a nucleotide chain having a free-end base sequence complementary to the base sequence and the nucleic acid molecule are hydrogen-bonded between the complementary base sequences.
  17.  上記核酸構造物は、上記核酸分子と上記ヌクレオチド鎖との水素結合部位において、分岐構造を形成していることを特徴とする請求項16記載の核酸構造物の作製方法。 The method for producing a nucleic acid structure according to claim 16, wherein the nucleic acid structure forms a branched structure at a hydrogen bonding site between the nucleic acid molecule and the nucleotide chain.
  18.  上記自由端塩基配列は、上記核酸分子における相補的な塩基対間の長さに相当する長さのヌクレオチド鎖を構成する塩基数から1を減じた塩基数からなることを特徴とする請求項13又は16記載の核酸構造物の作製方法。 The free-end base sequence is composed of the number of bases obtained by subtracting 1 from the number of bases constituting a nucleotide chain having a length corresponding to the length between complementary base pairs in the nucleic acid molecule. Or a method for producing the nucleic acid structure according to 16;
  19.  上記分岐構造は、略T字型であることを特徴とする請求項14又は17記載の核酸構造物の作製方法。 The method for producing a nucleic acid structure according to claim 14 or 17, wherein the branched structure is substantially T-shaped.
  20.  上記分岐構造は、上記核酸分子の二重螺旋構造の主溝側における任意の位相において分岐することを特徴とする請求項17記載の核酸構造物の作製方法。 The method for producing a nucleic acid structure according to claim 17, wherein the branched structure is branched at an arbitrary phase on the main groove side of the double helix structure of the nucleic acid molecule.
  21.  複数のオリゴヌクレオチドを含む溶液を、アニーリングして核酸構造物を作製する
     核酸構造物の作製方法において、
     表面電荷を有する基板を溶液に浸す
     ことを特徴とする核酸構造物の作製方法。
    In a method for producing a nucleic acid structure, a solution containing a plurality of oligonucleotides is annealed to produce a nucleic acid structure.
    A method for producing a nucleic acid structure, which comprises immersing a substrate having a surface charge in a solution.
  22.  基板は、負の表面電荷を有する
     ことを特徴とする請求項21記載の核酸構造物の作製方法。
    The method for producing a nucleic acid structure according to claim 21, wherein the substrate has a negative surface charge.
  23.  基板は、マイカである
     ことを特徴とする請求項22記載の核酸構造物の作製方法。
    The method for producing a nucleic acid structure according to claim 22, wherein the substrate is mica.
  24.  核酸構造物は、平面構造を有する
     ことを特徴とする請求項21、22または23記載の核酸構造物の作製方法。
    The method for producing a nucleic acid structure according to claim 21, 22 or 23, wherein the nucleic acid structure has a planar structure.
  25.  核酸構造物は、二重螺旋単体構造を有する
     ことを特徴とする請求項21、22または23記載の核酸構造物の作製方法。
    The method for producing a nucleic acid structure according to claim 21, 22 or 23, wherein the nucleic acid structure has a double helix simplex structure.
  26.  核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成する
     ことを特徴とする請求項21、22または23記載の核酸構造物の作製方法。
    The method for producing a nucleic acid structure according to claim 21, 22 or 23, wherein the nucleic acid structure is constituted by combining a plurality of repetitive structures.
  27.  核酸構造物は、
     二重螺旋構造からなる第1の核酸分子が有する一本鎖の自由端塩基配列と、
     二重螺旋構造からなる第2の核酸分子の一方のヌクレオチド鎖が非末端部の所定位置に有する、他方のヌクレオチド鎖と非相補的な塩基配列であって、上記自由端塩基配列と相補的な塩基配列とが、水素結合してなる核酸構造体を有する
     ことを特徴とする請求項21、22または23記載の核酸構造物の作製方法。
    The nucleic acid structure is
    A single-stranded free-end base sequence of the first nucleic acid molecule having a double helix structure;
    One nucleotide chain of the second nucleic acid molecule having a double helix structure has a base sequence that is non-complementary to the other nucleotide chain at a predetermined position of the non-terminal portion, and is complementary to the above-mentioned free-end base sequence 24. The method for producing a nucleic acid structure according to claim 21, 22 or 23, wherein the nucleic acid structure is formed by hydrogen bonding with the base sequence.
  28.  核酸構造物は、複数の繰り返し構造物を結合して構成し、
     上記複数の繰り返し構造物は、平面構造と二重螺旋単体構造を有し、
     上記複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物のヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物が有するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有する
     ことを特徴とする請求項21、22または23記載の核酸構造物の作製方法。
    A nucleic acid structure is formed by combining a plurality of repetitive structures,
    The plurality of repeating structures have a planar structure and a double helix single structure,
    The nucleotide chain of one repeating structure among the plurality of repeating structures has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure. A method for producing a nucleic acid structure according to claim 22 or 23.
  29.  複数の繰り返し構造物を結合して構成し、
     上記複数の繰り返し構造物は、平面構造と二重螺旋単体構造を有し、
     上記複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物のヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物が有するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有する
     ことを特徴とする核酸構造物。
    Combining multiple repeating structures,
    The plurality of repeating structures have a planar structure and a double helix single structure,
    A nucleotide chain of one repeating structure among the plurality of repeating structures has a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain of another adjacent repeating structure. .
  30.  複数の繰り返し構造物のうちの1の繰り返し構造物の外周に存在するヌクレオチド鎖は、隣り合う他の繰り返し構造物の外周に存在するヌクレオチド鎖の塩基配列と、相補的な塩基配列を有する
     ことを特徴とする請求項29記載の核酸構造物。
    The nucleotide chain existing on the outer periphery of one of the plurality of repeating structures has a base sequence complementary to the nucleotide sequence of the nucleotide chain existing on the outer periphery of another adjacent repeating structure. 30. Nucleic acid structure according to claim 29, characterized in that
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