DNAベースの設計自由度の高い膜貫通ナノ細孔構造

被膜ナノ細孔は分子輸送において鍵を握ります。
それは
〇生物学
〇DNA配列決定(2-5)
〇ラベルフリーの単一分子分析(6-15)
〇ナノ医療(6)
これらに応用できます。
輸送は数ナノメートルのシリンダー様経路に依存します。
これらの方式はその設計自由度から
科学的、技術的に注目を浴びています。
しかし、ナノ細孔は自然には存在せず、
人工的にタンパク質の新たな経路を生み出すことは
技術的に難しいとされています(11,16-18)。
Yongzheng Xing, Adam Dorey, Lakmal Jayasinghe & Stefan Howorka 
(敬称略)からなる医療研究グループは
被膜ナノ細孔の構造的、機能的範囲を劇的に拡張できる
論理根拠あるDNAの設計を提供されています(1)。
DNA2重らせん構造を束上に形成し、
それを穴を形成するサブユニットとして組み込みます。
それによって穴の形、サイズを任意に変える事ができます。
穴の大きさは数十ナノメートルまで拡張する事が可能です(1)。
通過する分子の認識やそれによる信号のための
機能を持つユニットは選択的に構造の中に結合させる事が可能です。
重要なパラメータを調整する事によって
カスタムメイドのナノ細孔を作ることができます。
例えば、10nmサイズのタンパク質の
直接的な単一分子検知を電気信号を使って行うことができます。
これは研究への利用性は高く、
携帯できるほどの大きさの分析デバイスになります。
このDNAを使ったナノ技術は
〇合成生物学
〇単一分子酵素学
〇生物物理分析
〇環境センシング
〇携帯型分析装置
これらへの使用が想定されます。
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膜のナノ細孔の内腔は生物学、技術の中の機能を決めます。
ナノ細孔センシング(検知)では内腔であるチャンネル幅が
検知の対象となる分子の入場と通過を制御します。
通過によって生じた電気信号は
通過する分子、あるいは大きさに影響を受けます(19-21)。
例えば、1-5nmの幅の生物学的タンパク質の細孔は
〇均等な大きさのDNAらせん構造のセンシング(3-5)
〇有機分子のセンシング(22,23)
〇小さなタンパク質のセンシング(12-14,21)
これらに使う事が出来ます。
この大きさが変われば、検知できる物質も
その大きさに応じて変わります。
従って、Yongzheng Xing氏らが示したの様に
ナノ細孔の大きさと形を可変性の高さは
様々な物質の詳細なセンシングに貢献すると考えられます。
また、ナノ細孔に特定の受容体を設ける事で
特定の分析対象物質を定めることもできます(12,13,24,25)。
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今までは被膜貫通型のナノ細孔を形成する材料として
タンパク質やペプチドを使用する事は難しかったです。
なぜなら、複雑に折りたたまれた3次元構造であるからです(26-28)。
一方、DNAは大きなナノスケールの構造を作るための
代替となる材料とされていまs(29-33)。
今までのDNAベースのナノ細孔の内腔は10nm程度までです(34-40)。
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DNAを使ったナノ細孔ユニットは
参考文献(1)からわかるように
一定の大きさを持った2本鎖のDNAユニットを
束状にした構造となっています。
その束の部分が形状の「辺」となっています。
そして三角形、四角形、五角形とするための
「角」の部分は大きさの異なる、小さな
2本鎖と1本鎖の組み合わせで出来ていて
それぞれの隣り合う「辺」を
1本鎖によって柔軟に架橋しています。
従って、「辺」と「角」を閉ループで繋いだ時に
自然にできる形は決まってきます。
例えば、辺が4つ、角が4つであれば、四角形となります。
辺は束の大きさを変える事で変化するので
それによってできる大きさも変わってきます。

//考察1//ーー
主に分子オーダーのセンシングに使われる
膜貫通のナノ細孔のユニットをタンパク質ではなく
核酸であるDNAで作ったことは
その形の安定性、制御性において論理根拠があります。
タンパク質の場合は構造の対称性が低く
複雑に折りたたまれています。
それをベースにナノオーダーの構造物を作った時の
形は不安定になり、かつ異種性が生じます。
一方、らせん構造はベクトルが定まっていて
中心線は直線となります。
従って、それがベースになる1本鎖、2本鎖の構造は
形として対称性が高く、安定であると考えられます。
それを束とすることで直線性の高い
ナノオーダーの円柱が得られるということです。
どれくらい絡ませるかによって
その構造物の堅牢性は決まってくると考えられます。
形が柔軟に変わってほしい角の部分は
より細い構造である1本鎖で架橋する構造となっています。
また、切断されないように適度な大きさで
2本鎖の束構造が角の部分の外側の中間部に挟まれてきます。

//考察2//ーー
Yongzheng Xing(敬称略)らが示した
膜にナノ細孔をDNA構造物で任意の形、大きさで開ける技術は
プラズマ膜を持つナノ粒子の薬剤の効率的な封入に使うことができるか？
という視点があります。
また、ナノ細孔によってセンシングができるというのは
ナノ粒子内に封入される薬剤や他の物質の検知にも使える
可能性があります。
つまり、実際にナノ粒子の中に入る物質を検知しながら
同時にナノ粒子の中にナノ細孔を通じて封入できるか？
という観点です。
また、一旦、穴をあけた膜が
再び、完全な膜として回復するかという視点もあります。

(参考文献）
(1)
Yongzheng Xing, Adam Dorey, Lakmal Jayasinghe & Stefan Howorka 
Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA
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(2)
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