(57)【要約】【課題】  複雑で大きなナノ構造物を、欠陥を殆ど生じさせることなく所望の場所に作製することが可能なナノ構造物の作製装置及びその方法を提供する。【解決手段】  マイクロチャネル１３において、サービスポート２０に滴下された溶液は、毛管力によりキャピラリーポンプ２３へと送られる。リアクションチャンバ２２には、ナノ構造物の種結晶となる初期ストランドが固定化されており、リアクションチャンバ２２の温度はヒータ及び温度センサによって制御されている。ナノ構造物を作製する際には、例えばそれぞれ１種類のＤＮＡタイルが溶解された溶液が順次サービスポート２０に滴下され、溶液の流れ中で、種結晶の周囲にナノ構造物の結晶を成長させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネル内でナノ構造物を作製するナノ構造物の作製装置であって、
上記マイクロチャネルは、複数の領域に分割されており、
上記マイクロチャネルの少なくとも一部の領域に対して、上記ナノ構造物の自己集合可能な構成要素を含む溶液を供給する供給手段と、
上記マイクロチャネルの下流に設けられ、上記ナノ構造物の種結晶が固定化される反応槽と
を備えることを特徴とするナノ構造物の作製装置。
【請求項２】
上記マイクロチャネルの各領域及び上記反応槽の温度をそれぞれ制御する温度制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のナノ構造物の作製装置。
【請求項３】
上記反応槽は、その一部が開放された形状であることを特徴とする請求項１記載のナノ構造物の作製装置。
【請求項４】
上記自己集合可能な構成要素は、１本鎖ＤＮＡ又は複数の１本鎖ＤＮＡからなるＤＮＡ分子であることを特徴とする請求項１記載のナノ構造物の作製装置。
【請求項５】
上記ＤＮＡ分子は、ＤＮＡタイルであることを特徴とする請求項４記載のナノ構造物の作製装置。
【請求項６】
マイクロチャネル内でナノ構造物を作製するナノ構造物の作製方法であって、
上記マイクロチャネルは、複数の領域に分割されており、
上記マイクロチャネルの少なくとも一部の領域に対して、上記ナノ構造物の自己集合可能な構成要素を含む溶液を供給し、上記マイクロチャネルの下流に設けられ、上記ナノ構造物の種結晶が固定化された反応槽で上記ナノ構造物を作製する
ことを特徴とするナノ構造物の作製方法。
【請求項７】
上記マイクロチャネルの各領域及び上記反応槽の温度がそれぞれ制御されることを特徴とする請求項６記載のナノ構造物の作製方法。
【請求項８】
上記反応槽は、その一部が開放された形状であることを特徴とする請求項６記載のナノ構造物の作製方法。
【請求項９】
上記自己集合可能な構成要素は、１本鎖ＤＮＡ又は複数の１本鎖ＤＮＡからなるＤＮＡ分子であることを特徴とする請求項６記載のナノ構造物の作製方法。
【請求項１０】
上記ＤＮＡ分子は、ＤＮＡタイルであることを特徴とする請求項９記載のナノ構造物の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＤＮＡタイル等の構成要素を自己集合させることによってナノ構造物を作製する際に用いて好適なナノ構造物の作製装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノ構造物の構成要素としてＤＮＡ分子が注目を集めている。構成要素となるＤＮＡ分子のモチーフとしては様々なものがあり、例えばＤＮＡタイル、ＤＮＡジャンクション、ＤＮＡ多角形、ＤＮＡ多面体等が精力的に研究されている。これらのＤＮＡ分子は、それぞれ形状や、粘着末端（２重螺旋構造を形成していない１本鎖部分）の個数及び位置が異なっており、自己集合してできる構造も異なる。その中でもＤＮＡタイルは、図１０において丸で囲った４つの粘着末端の配列設計により、ＤＮＡタイル毎の特異的結合が自由に設計できるため、様々なナノ構造物を作製できる構成要素として期待されている。
【０００３】
ところで、ＤＮＡタイルの自己集合プロセスは、数学的にはＷａｎｇタイルと称される１次元セルオートマトンモデルに対応し、これを用いてある種の並列計算を行うことをアルゴリズミックセルフアセンブリ（Algorithmic Self-assembly）という。例えば、状態遷移ルールとしてＸＯＲ（排他的論理和）演算に対応する粘着末端を有するＤＮＡタイルセットを用いると、シェルピンスキフラクタル構造を持つＤＮＡタイルの２次元結晶（ナノ構造物）が得られる（例えば、非特許文献１を参照）。この際、各ＤＮＡタイルの濃度を一定に制御し、温度を成長臨界点付近の最適温度に保つことができれば、理論的には、計算素子として十分な１０−６〜１０−８程度の極めて低い欠陥率を持つナノ構造物が作製可能であるとされている。
【０００４】
【非特許文献１】Paul W. K. Rothemund, Nick Papadakis, Eric Winfree,“Algorithmic Self-Assembly of DNA Sierpinski Triangles.”, PLoS Biology, 2(12) e424, 2004
【非特許文献２】T. H. LaBean et al.,“Stepwise DNA Self-Assembly of Fixed-size Nanostructures.”, Proc. FNANO'05, pp.179-181
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来は全てのＤＮＡタイルを１本の試験管内で自己集合させるワンポット反応によってナノ構造物を作製していたため、各ＤＮＡタイルの濃度や温度等の環境パラメータの制御が困難であり、作製されるナノ構造物に欠陥が多くなるという問題があった。具体的に、ワンポット反応ではナノ構造物の結晶が大きくなるに従って各ＤＮＡタイルの濃度が低下するため、濃度低下に応じて反応液の温度を下げる必要があるが、そのような環境パラメータの制御は困難であるため、１％程度までしか欠陥率を下げることができない。また、試験管内には目的のナノ構造物以外の結晶が多数できるため、それらが互いに成長を阻害してしまい、大きなナノ構造物が作製できなかった。さらに、ワンポット反応では、ナノ構造物の結晶が溶液中に作製されるため、その後利用することが困難であった。
【０００６】
一方、別のアプローチとして、試験管内に２つずつＤＮＡタイルを加えることにより、階層的に自己集合を進めるステップワイズセルフアセンブリ（Stepwise Self-assembly）も研究されている（例えば、非特許文献２を参照）。例えば図１１（Ａ）に示すように、インデックス番号が１〜１６のＤＮＡタイルを階層的に加えることにより、図１１（Ｂ）に示すような縦横４×４のＤＮＡタイルからなるフルアドレッシング可能なナノ構造物を実現することができる。なお、図１１（Ｂ）では各ＤＮＡタイルを四角で概念的に示している。この方法では、比較的確実に自己集合させることが可能であるが、実験操作が煩雑である上に、上述と同様にＤＮＡタイルの濃度や温度等の環境パラメータの制御が困難であり、且つ大きなナノ構造物が作製できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、複雑で大きなナノ構造物を、欠陥を殆ど生じさせることなく所望の場所に作製することが可能なナノ構造物の作製装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明に係るナノ構造物の作製装置は、マイクロチャネル内でナノ構造物を作製するナノ構造物の作製装置であって、上記マイクロチャネルは、複数の領域に分割されており、上記マイクロチャネルの少なくとも一部の領域に対して、上記ナノ構造物の自己集合可能な構成要素を含む溶液を供給する供給手段と、上記マイクロチャネルの下流に設けられ、上記ナノ構造物の種結晶が固定化される反応槽とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係るナノ構造物の作製方法は、マイクロチャネル内でナノ構造物を作製するナノ構造物の作製方法であって、上記マイクロチャネルは、複数の領域に分割されており、上記マイクロチャネルの少なくとも一部の領域に対して、上記ナノ構造物の自己集合可能な構成要素を含む溶液を供給し、上記マイクロチャネルの下流に設けられ、上記ナノ構造物の種結晶が固定化された反応槽で上記ナノ構造物を作製することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るナノ構造物の作製装置及びその方法によれば、複雑で大きなナノ構造物を、欠陥を殆ど生じさせることなく所望の場所に作製することが可能とされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、マイクロチャネル（直径数μｍ〜数百μｍ程度の微細な流路）内の反応場でＤＮＡタイルを自己集合させ、ナノ構造物を作製するマイクロ流体デバイスに適用したものである。
【００１２】
先ず、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイスの外観構成を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１は、主としてガラス基板１０上にシリコン基板１１が積層されてなる。シリコン基板１１の中央には凹部１２が形成されており、凹部１２の底面には、ＤＮＡタイルが溶解された溶液を流すためのマイクロチャネル１３１〜１３３（以下、特に区別する必要がない場合、「マイクロチャネル１３」と総称する。）が形成されている。なお、図１ではマイクロチャネル１３の数を３つとしているが、この数に限定されないことは勿論である。このマイクロチャネル１３は、作製途中又は作製後のナノ構造物の結晶をＡＦＭ（Atomic Force Microscope）で観察可能とするため、表面がオープンな形状とされている。このようにオープンな形状とすることに伴う溶液の蒸発を抑えるため、凹部１２にはＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）で用いられるミネラルオイル等のオイルが充填される。また、自己集合の際の温度を制御するため、ガラス基板１０とシリコン基板１１との間には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）製のヒータ１４及び温度センサ１５１〜１５４（以下、特に区別する必要がない場合、「温度センサ１５」と総称する。）が設けられている。
【００１３】
上述したマイクロチャネル１３の形状を図２に示す。マイクロチャネル１３は、図２に示すように、ＤＮＡタイルが溶解された溶液を滴下するためのサービスポート２０と、後述する機能を有するストップバルブ２１と、ＤＮＡタイルが自己集合する反応場であるリアクションチャンバ２２と、キャピラリーポンプ２３とから構成されている。このうちリアクションチャンバ２２には、ナノ構造物の種結晶となる初期ストランドが固定化されている。
【００１４】
このマイクロチャネル１３は、全体としては、サービスポート２０の末端からキャピラリーポンプ２３にかけて次第に流路幅が狭くなり、その結果、毛管力が強くなるように設計されており、この毛管力によりサービスポート２０からキャピラリーポンプ２３への溶液の流れが生じる。以下、サービスポート２０の方向を上流と表現し、キャピラリーポンプ２３の方向を下流と表現する。
【００１５】
マイクロチャネル１３内の位置と毛管力との関係を図３に示す。図３に示すように、サービスポート２０では、溶液をキャピラリーポンプ２３へと導くために、下流に進むに従って流路幅が狭くなり、それに応じて毛管力も強くなっている。ストップバルブ２１では、流路幅が急激に狭くなるのに応じて毛管力が急激に強くなっており、リアクションチャンバ２２では、流路幅が若干広くなるのに応じて毛管力が若干弱くなっている。そして、キャピラリーポンプ２３では、流路幅が再びストップバルブ２１と同じ幅まで狭くなり、それに応じて毛管力もストップバルブ２１の位置と同程度に強くなっている。
【００１６】
このようなマイクロチャネル１３において、サービスポート２０に溶液を滴下した場合の溶液の流れについて図４を用いて説明する。なお、この図４においては、毛管力が働く方向を矢印で表し、毛管力の強さを矢印の大きさで表す。サービスポート２０に対してピペットで溶液を滴下すると（同図（Ａ））、溶液は毛管力によって下流方向に流れる（同図（Ｂ））。溶液の最後尾がストップバルブ２１に到達すると、キャピラリーポンプ２３における下流方向への毛管力とストップバルブ２１における上流方向への毛管力とが釣り合い、溶液はリアクションチャンバ２２を含む周辺領域で滞留する（同図（Ｃ））。次に、再びサービスポート２０に対してピペットで溶液を滴下すると（同図（Ｄ））、ストップバルブ２１の位置での境界面がなくなり、溶液は毛管力によって下流方向に流れる（同図（Ｅ））。そして、溶液の最後尾がストップバルブ２１に到達すると、溶液はリアクションチャンバ２２を含む周辺領域で滞留する（同図（Ｆ））。このように、サービスポート２０に溶液を滴下する毎に、サービスポート２０からキャピラリーポンプ２３への溶液の流れが生じる。
【００１７】
本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１では、サービスポート２０にＤＮＡタイルが溶解された溶液を滴下し、ＤＮＡタイルの濃度が一定とされた溶液の流れ中で、リアクションチャンバ２２に固定化した種結晶の周囲にナノ構造物の結晶を成長させる。このように、溶液の流れ中で結晶を成長させることで、種結晶の周囲の不要な副生成物が押し流され、大きなナノ構造物を作製することができる。また、溶液の流れに沿って結晶を成長させることで、結晶の歪みを抑制することができる。さらに、このようなマイクロ流体デバイス１によれば、サービスポート２０にリガーゼを滴下してＤＮＡタイルを連結したり、制限酵素を滴下して特定部位を切断したりするなど、従来のワンポット反応では困難な反応を自由に扱うことができる。
【００１８】
また、ＤＮＡタイルの自己集合によりナノ構造物を作製する際には、ＤＮＡタイルの濃度のみならず、反応時の温度も重要な環境パラメータとなるが、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１では、ヒータ１４及び温度センサ１５により、リアクションチャンバ２２の温度を制御することができる。具体的にヒータ１４に２４Ｖの電圧を印加した際のマイクロ流体デバイス１の温度プロファイルを図５に示す。図５から分かるように、３つのマイクロチャネル１３１〜１３３において均一な温度場を得ることができる。反応時の温度としては、ＤＮＡタイル同士が結合可能な最も高い温度が好ましい。これは、相補的でない粘着末端同士の結合力は相補的な粘着末端同士の結合力よりも弱いため、温度を可能な限り高くすることで欠陥を抑制することができるためである。このためには、精密な温度制御が必要であるが、マイクロ流体デバイス１は、単位容積当たりの表面積が非常に大きいため、熱交換の効率が極めて高く、非常に精密な温度制御を容易に行うことができる。
【００１９】
このようなマイクロ流体デバイス１を用いてアルゴリズミックセルフアセンブリを行う場合には、複数のＤＮＡタイル（ＤＮＡタイルセット）が溶解された溶液をサービスポート２０に滴下することになる。これにより、リアクションチャンバ２２に固定化した初期ストランドを種結晶として、周囲のＤＮＡタイルの濃度を一定に保ちながらナノ構造物の結晶を成長させ、欠陥率が理論通りに極めて低い大きなナノ構造物を作製することができる。
【００２０】
また、マイクロ流体デバイス１を用いてステップワイズセルフアセンブリを行う場合には、それぞれ１種類のＤＮＡタイルが溶解された溶液を順次サービスポート２０に滴下することになる。このように、ＤＮＡタイルを１種類ずつ滴下することにより、ＤＮＡタイルの粘着末端の配列が極めて限定されたものであっても、従来のワンポット反応では不可能な階層的なナノ構造物を作製することができる。
【００２１】
一例として、図６に示すように白、黒、灰色の３種類のＤＮＡタイルが存在し、白及び黒のＤＮＡタイルは全く同じ配列の粘着末端を有し、灰色のＤＮＡタイルはそれらを繋ぐコネクタとなる配列の粘着末端を有しているという状況を想定する。なお、図６では、四角で表したＤＮＡタイルの各片の形状（凹凸）で粘着末端の配列を概念的に示している。従来のワンポット反応では、図６（Ａ）に示すように、３種類のＤＮＡタイルがランダムに集合したナノ構造物しか得ることができない。これに対して、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１を用いた場合には、図６（Ｂ）に示すように、各色のＤＮＡタイルが層状に集合したナノ構造物を作製することができる。なお、各色のＤＮＡタイルを流す前にＤＮＡタイルを含まない水を流し、結合しなかった余分なＤＮＡタイルを除去することが好ましい。
【００２２】
また、これを拡張して、マイクロ流体デバイス１を用いてアルゴリズミックセルフアセンブリを階層的に行うことも可能である。この場合、例えば異なる状態遷移ルールに対応した偶数層用のＤＮＡタイルセットと奇数層用のＤＮＡタイルセットとを交互にサービスポート２０に滴下することにより、図７に示すような複雑なパターンのナノ構造物を作製することができる。特に、マイクロ流体デバイス１によれば、各ＤＮＡタイルセットで粘着末端の配列を同じにすることができるため、粘着末端の配列数を増やす必要がない。
【００２３】
さらに、このマイクロ流体デバイス１においては、特定のＤＮＡ配列に特異的に結合する各種のタンパク質をサービスポート２０に滴下するようにしても構わない。タンパク質はそれぞれ固有の機能を有するため、それをＤＮＡタイルからなるナノ構造物に結合させることにより、有用な機能を有するシステム、例えば、特定の分子を分解するために必要な酵素群（タンパク質群）が最適に配置されたＤＮＡ格子等を構築することができる。
【００２４】
また、マイクロ流体デバイス１においては、溶液条件（金属イオン濃度や、他のＤＮＡ配列の存在）によって形を変える各種のＤＮＡアクチュエータ要素をサービスポート２０に滴下するようにしても構わない。このようなＤＮＡアクチュエータ要素をＤＮＡタイルの間に組み込むことで、例えば特定の分子のみを認識して通す格子（網目の大きさを動的に変える）でできたフィルタを構築することができる。
【００２５】
また、マイクロ流体デバイス１においては、金属コロイド（例えば金コロイド）のナノ粒子にＤＮＡ結合用のリンカーを結合させたものをサービスポート２０に滴下するようにしても構わない。これを一列に並べることでナノワイヤになり配線パターンを形成することができる。
【００２６】
また、マイクロ流体デバイス１においては、化学的に合成した各種のナノ電子デバイス（整流、増幅効果を有する電子素子）にＤＮＡ結合用のリンカーを結合させたものをサービスポート２０に滴下するようにしても構わない。これを一定のパターンで並べることにより、演算回路やメモリ回路を構築することができる。
【００２７】
ところで、図２では、各マイクロチャネル１３のサービスポートの数を１つとして説明したが、このような構成に限定されるものではなく、マイクロチャネルを複数の領域に分割し、各領域に対してサービスポートを設けるようにしても構わない。この場合、複数の１本鎖ＤＮＡからのＤＮＡタイル形成→２つのＤＮＡタイルからのサブ構造Ａ形成→２つのサブ構造Ａからのサブ構造Ｂ形成→・・・→目的のナノ構造物、という各段階を上述の各領域で行わせることができる。なお、各領域はそれぞれ最適温度に制御される。一般的には、ナノ構造物を作製する最初の段階を高温にし、段階が進むに従って低温にすることが好ましい。
【００２８】
このようなマイクロチャネルの一例を図８に示す。図８に示すマイクロチャネル３０は、第１〜第４の領域３１１〜３１４に分割されており、第１の領域３１１は高温に、第２，第３の領域３１２，３１３は中温に、第４の領域３１４は低温に制御される。また、サービスポート３２１，３２２には１本鎖ＤＮＡが溶解された溶液が滴下され、サービスポート３２３にはＤＮＡタイルが溶解された溶液が滴下され、サービスポート３２４にはＤＮＡタイルのサブ構造が溶解された溶液が滴下される。このようなマイクロチャネル３０において、第２の領域３１２では複数の１本鎖ＤＮＡからＤＮＡタイルが形成され、第３の領域３１３では２つのＤＮＡタイルからＤＮＡタイルのサブ構造が形成され、第４の領域３１４では２つのＤＮＡタイルのサブ構造からナノ構造物が形成され、そのナノ構造物がリアクションチャンバ３３で固定化される。結晶化できなかった構成要素はマイクロポンプ３４によって還流され、第１の領域３１１で１本鎖ＤＮＡに分解される。なお、全体の溶液の流れはマイクロポンプ３５によって生じる。
【００２９】
また、このようなマイクロチャネルの他の例を図９に示す。図９に示すマイクロチャネル４０は、第１〜第９の領域４１１〜４１９に分割されており、第１，第３，第６の領域４１１，４１３，４１６は高温に、第２，第４，第５，第７，第８の領域４１２，４１４，４１５，４１７，４１８は中温に、第９の領域４１９は低温に制御される。また、サービスポート４２１〜４２６にはＤＮＡタイルが溶解された溶液が滴下され、サービスポート４２７にはＤＮＡタイルが溶解された溶液が滴下される。このようなマイクロチャネル４０において、第１，第３，第６の領域４１１，４１３，４１６では完全に１本鎖ＤＮＡに分解される。また、第２，第４，第７の領域４１２，４１４，４１７では複数の１本鎖ＤＮＡからＤＮＡタイルが形成され、第５，第８の領域４１５，４１８では２つのＤＮＡタイルからＤＮＡタイルのサブ構造が形成され、第９の領域４１９では２つのＤＮＡタイルのサブ構造からナノ構造物が形成され、そのナノ構造物がリアクションチャンバ４３で固定化される。なお、全体の溶液の流れはマイクロポンプ４４によって生じる。
【００３０】
この図８，図９に示すように、ＤＮＡタイル自体もマイクロチャネル内で作製することで、より欠陥率の低いナノ構造物を作製することが可能となる。
【００３１】
なお、この図８，図９においても、サービスポートには、１本鎖ＤＮＡやＤＮＡタイル等の他、リガーゼ、制限酵素等の酵素群や、タンパク質、或いはＤＮＡアクチュエータ要素や各種のナノ粒子、ナノデバイスを滴下するようにしても構わない。
【００３２】
以上、本発明を適用した最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨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勿論である。
【００３３】
例えば、上述した実施の形態では、ナノ構造物の構成要素となるＤＮＡ分子のモチーフとしてＤＮＡタイルを例に挙げて説明したが、ＤＮＡジャンクション、ＤＮＡ多角形、ＤＮＡ多面体等の他のモチーフを用いても構わない。また、構成要素が１本鎖ＤＮＡ又はＤＮＡ分子に限られるものではなく、自己集合可能なものであれば、１本鎖ＲＮＡ又はＲＮＡ分子やタンパク質等の他の構成要素を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態におけるマイクロ流体デバイスの外観構成を示す図である。
【図２】マイクロチャネルの形状を示す図である。
【図３】マイクロチャネル内の位置と毛管力との関係を示す図である。
【図４】マイクロチャネルのサービスポートに溶液を滴下した場合の溶液の流れを示す図である。
【図５】ヒータに２４Ｖの電圧を印加した際のマイクロ流体デバイスの温度プロファイルを示す図である。
【図６】従来のワンポット反応によるステップワイズセルフアセンブリと、マイクロ流体デバイスを用いたステップワイズセルフアセンブリとを示す図である。
【図７】マイクロ流体デバイスを用いてアルゴリズミックセルフアセンブリを階層的に行った場合に作製されるナノ構造物の一例を示す図である。
【図８】複数の領域に分割されたマイクロチャネルの一例を示す図である。
【図９】複数の領域に分割されたマイクロチャネルの他の例を示す図である。
【図１０】ＤＮＡタイルの一例を模式的に示す図である。
【図１１】従来のステップワイズセルフアセンブリによってナノ構造物を作製する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  マイクロ流体デバイス、１０  ガラス基板、１１  シリコン基板、１２  凹部、１３，１３１〜１３３  マイクロチャネル、１４  ヒータ、１５，１５１〜１５４  温度センサ、２０  サービスポート、２１  ストップバルブ、２２  リアクションチャンバ、２３  キャピラリーポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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