(57)【要約】【課題】水分の蒸散を抑制し、長時間に渡って、特異な引張特性を有するＤＮＡ固体膜、並びに該ＤＮＡ固体膜を簡易な手法によって製造する方法を提供すること。【解決手段】水とＤＮＡと水分保持材とを含有する固体膜であって、特に水分保持材がイオン液体である固体膜、並びに該固体膜の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水とＤＮＡと水分保持材とを含有する固体膜。
【請求項２】
前記水分保持材がイオン液体である、請求項１に記載の固体膜。
【請求項３】
前記イオン液体が水和イオン液体である、請求項２に記載の固体膜。
【請求項４】
前記水和イオン液体がリン酸二水素コリンの水和イオン液体である、請求項３に記載の固体膜。
【請求項５】
さらに多価アルコールを含む、請求項１乃至請求項４のうち何れか一項に記載の固体膜。
【請求項６】
ＤＮＡ水溶液と水分保持材を混合する工程、及び該混合物を乾燥させる工程を含む、請求項１乃至請求項５のうちいずれか一項に記載の固定膜の作製方法。
【請求項７】
前記水分保持材がイオン液体である、請求項６に記載の固体膜の作製方法。
【請求項８】
前記イオン液体が水和イオン液体である、請求項７に記載の固体膜の作製方法。
【請求項９】
前記水和イオン液体がリン酸二水素コリンである、請求項８に記載の固体膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡ固体膜とその製造方法に関し、詳細には、ＤＮＡと水とを保持した固体膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然高分子は、低炭素社会に寄与する資源として注目されている。しかしながら、多種多様な天然高分子のうち、実用化に至った例は限られている。発明者らは、水とデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）から作製した自己支持性固体膜が、合成高分子にはみられない特異な引張特性を示すことを明らかにし、構造材料として展開できる可能性を見出している（非特許文献１）。ＤＮＡ固体膜は、試料中の水分量に応じて、ガラス状から半結晶性、さらにはゴム状高分子様まで幅広い引張特性を示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Tanaka et al., NPG Asia Mater. 2014, 6, e92.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固体膜中の水分は短時間で蒸発するため、結果として、引張特性も急速に変化し、これを抑制することが課題となっていた。また、固体膜の物性を制御する手法としては、乾燥させた固体膜を飽和水蒸気雰囲気下に曝す時間に依存するものであり、汎用性に乏しいものであった。
このように、水を含有することで特異な引張特性を発現しているＤＮＡ固体膜は、長時間放置することで、容易に水分が蒸散し、その特性を失うという不利な面を有する。また、その調製方法は、飽和水蒸気雰囲気下に曝すことが必須とされる。
本発明は、水分の蒸散を抑制し、長時間に渡って、特異な引張特性を有するＤＮＡ固体膜、並びに該ＤＮＡ固体膜を簡易な手法によって製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、ＤＮＡ固体膜に含有させる物質として水和イオン液体に着目し、水和イオン液体を含有するＤＮＡ固体膜が長時間に渡って、特異な引張特性を保持することを見出し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち本発明は、
第１観点として、水とＤＮＡと水分保持材とを含有する固体膜に関する。
第２観点として、前記水分保持材がイオン液体である、第１観点に記載の固体膜に関する。
第３観点として、前記イオン液体が水和イオン液体である、第２観点に記載の固体膜に関する。
第４観点として、前記水和イオン液体がリン酸二水素コリン（２−ヒドロキシ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルエタンアミニウム・二水素ホスファート、以下、ＣＤＰとも称する）の水和イオン液体である、３観点に記載の固体膜に関する。
第５観点として、さらに多価アルコールを含む、第１観点乃至第４観点のうちいずれか一項に記載の固体膜に関する。
第６観点として、ＤＮＡ水溶液と水分保持材を混合する工程、及び該混合物を乾燥させる工程を含む、第１観点乃至第５観点に記載の固定膜の作製方法に関する。
第７観点として、前記水分保持材がイオン液体である、第６観点に記載の固体膜の作製方法に関する。
第８観点として、前記イオン液体が水和イオン液体である、第７観点に記載の固体膜の作製方法に関する。
第９観点として、前記水和イオン液体がリン酸二水素コリンである、第８観点に記載の固体膜の作製方法に関する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のＤＮＡ固体膜は、長時間保存しても、水分の蒸散が起こりにくく、特異な引張特性を維持し続けることができるという効果を奏する。さらに水分の蒸散を抑制するための手法が、簡便であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、固体膜の調製方法を表す図である。
【図２】図２は、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜の応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図３】図３は、Ｄ／Ｃ３０膜の未延伸および延伸下における二次元ＷＡＸＤパターンを示す図である。
【図４】図４は、各周波数におけるＤ／Ｃ３０膜の貯蔵弾性率（Ｅ’）および損失弾性率（Ｅ”）と温度の関係を示す図である。
【図５】図５は、固体膜の調製方法、並びに、ＤＮＡ／ＣＤＰの割合を示す図である。
【図６】図６は、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理なし：ＤＣ１０−ｄ、ＤＣ２０−ｄ、ＤＣ２５−ｄ、ＤＣ３０−ｄ、ＤＣ４０−ｄ、ＤＣ５０−ｄ）の成分割合及び引張試験結果（応力−ひずみ曲線）を示す図である。
【図７】図７は、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理あり：ＤＣ１０、ＤＣ２０、ＤＣ２５、ＤＣ３０、ＤＣ４０、ＤＣ５０）の成分割合及び引張試験結果（応力−ひずみ曲線）を示す図である。
【図８】図８は、ＤＣ１０膜、ＤＣ２０膜、ＤＣ３０膜、ＤＣ４０膜、及びＤＮＡ膜の、ＴＧ測定による含水率の時間経過（水分蒸散の経時変化）を示す図である。
【図９】図９は、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理あり：ＤＣ１０、ＤＣ２０、ＤＣ３０、ＤＣ４０、ＤＣ５０）の引張試験結果（応力−ひずみ曲線：実線）、並びに、４２％湿度下で１０日間静置した後の引張試験結果（応力−ひずみ曲線：破線）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［固体膜］
本発明は、水とＤＮＡと水分保持材とを含有する固体膜に関する。
【００１０】
［水分保持材］
上記水分保持材は、好ましくはイオン液体であり、より好ましくは水和イオン液体である。
中でも、水和イオン液体として、下記構造式で表されるリン酸二水素コリン（ＣＤＰ）の水和イオン液体を、水分保持材に用いることが好適である。
【化１】
2018076473.tif 000002
【００１１】
［水分量］
本発明の固体膜における水分量は、通常、固体膜の全量に対して、１０〜４０ｗｔ％、
好ましくは２０〜３０ｗｔ％である。
【００１２】
［リン酸二水素コリン（ＣＤＰ）の量］
本発明の固体膜におけるリン酸二水素コリン（ＣＤＰ）の量は、固体膜の全量に対して、１０〜５０ｗｔ％が好ましい。
ＣＤＰ含量を６０ｗｔ％とするとゲル化が生じ、１０ｗｔ％未満では、通常の湿度環境下では、湿潤化が起こらず、引っ張り特性は１０ｗｔ％と同様のガラス状高分子様を示す。
【００１３】
本発明の固体膜は、さらに多価アルコールを含んでもよい。
【００１４】
［ＤＮＡ固体膜の作製方法］
従来の作製方法は、ＤＮＡ水溶液をポリスチレン皿に均一に満たした後に、一旦水分を蒸発させる。その後、飽和水蒸気下で、水分を吸収させ、固体膜とする。
本発明の作製方法は、ＤＮＡ水溶液に任意の水和イオン液体を混合し、これをペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）製皿に均一に満たした後に、水分を蒸発させる。その後、湿度４２％程度の雰囲気下で、１２時開以上静置して、水分を吸収させ、固体膜を製造する。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００１６】
＜実施例（１）＞
高分子試料として鮭・鰊精巣由来ＤＮＡを、イオン液体としてリン酸二水素コリン（ＣＤＰ）の水和イオン液体を用いた。
ＤＮＡおよびＣＤＰ水溶液を、質量比（ＤＮＡ／ＣＤＰ（ｗｔ／ｗｔ））が、（８０／２０）、（７４／２６）、または、（７０／３０）になるように混合し、下記手順に従い、溶媒キャスト法に基づき固体膜を作製した。以下、得られた膜をＤ／Ｃ２０、Ｄ／Ｃ２６およびＤ／Ｃ３０と表記する。
【００１７】
［フィルム（固体膜）調製法］
市販のデオキシリボ核酸ナトリウム塩（以下、ＤＮＡと表記）（ＭＰ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓ社製）４５０ｍｇを、５０ｍＬ  Ｆａｌｃｏｎ（登録商標）チューブに秤量し、超純水（Ｍｉｌｌｉ−Ｑ（登録商標）水）３０ｍＬを添加した。ローテーター（ＲＴ−５０、タイテック社製）を用い、室温下で４８時間、穏やかに（泡立たないように）転倒混和することでＤＮＡを溶解し、ＤＮＡ水溶液を得た。
別途、調製したコリンリン酸二水素塩（ＣＤＰ、関東化学社製）水溶液（質量濃度：２ｗｔ％）を、前記ＤＮＡ水溶液に所定量添加した後、室温下で、２４時間転倒混和した。
得られた混合溶液２本分を、内径１００ｍｍのペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）製シャーレ（サンプラテック社製）に注いだ後（すなわち、ＤＮＡ量：９００ｍｇ／シャーレ）、シャーレの上を覆うようにアルミホイル緩く被せ、３０３Ｋ（２９．８５℃）に加熱したホットプレート上で７２時間静置した後、室温下にて４時間真空乾燥することでＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜を得た。
その後、固体膜への含水を、室温下、飽和炭酸カリウム水溶液を用いて、湿度４２％に制御した容器内に静置することで行った。
図１に固体膜の調整方法を表す図を示す。
【００１８】
固体膜の引張特性および分子鎖熱運動性は、一軸引張試験および動的粘弾性測定に基づき評価した。
図２に、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（Ｄ／Ｃ２０、Ｄ／Ｃ２６およびＤ／Ｃ３０）の応力−ひずみ曲線を示す。ＣＤＰ含量に依存して、引張特性は著しく変化した。CDP含量の低いD/C20膜は、最も高いヤング率を有し、ひずみ(ε) = 0.1付近で降伏点に達した後、ひずみ軟化し破断した。一方、Ｄ／Ｃ２６膜では、降伏点に達した後、ひずみ軟化および冷延伸が観測され、さらにε= 1.2付近から顕著なひずみ硬化が観測された。ＣＤＰ含量の最も高いD/C30膜では、降伏応力が著しく低下し、わずかなひずみ軟化の後、ε= 1.2付近からひずみ硬化を示し、破断した。CDP含量の増加に伴い、破壊に必要なエネルギーを示す靱性および破断ひずみはともに増加したのに対し、ヤング率および降伏応力は減少した。また、これら固体膜の引張特性は、数時間以上にわたり保持された。
図３に、Ｄ／Ｃ３０膜の未延伸および延伸下における二次元ＷＡＸＤパターンを示す。
ε =０において、周期長0.34 nmおよび2.4 nmに相当する同心円が観測された。二重らせんDNAのB型コンフォメーションにおける塩基対間距離が0.34 nmであることを考えると、CDPを混合した固体膜においてもDNA鎖はB型コンフォメーションをとり、等方的に存在していると考えられる。一方、周期長2.4 nmは、B型DNAの直径2.0 nmと比較してやや大きい。これは、膜中において、CDPが吸着したDNA鎖同士の分子間距離を反映していると考えられる。ε = 1.5において、延伸方向に0.34 nmに相当するアーク、および、垂直方向に2.2 nmに相当するアークが観測された。これは、CDPが吸着したDNA鎖が延伸方向に平行に配向し、分子鎖間距離が短くなったと考えれば説明できる。また、ε= 2.0におけるWAXDパターンは、ε= 1.5とほぼ同様であり変化しなかった。以上の結果から、D/C30の応力-ひずみ曲線の低ひずみ領域で観測されたひずみ軟化と冷延伸は、DNA鎖の配向と分子鎖間距離の減少に基づく構造再編成に起因しており、一方、高ひずみ領域で観測されたひずみ硬化は凝集構造が安定したことに起因する弾性的な応答と考えられる。
図４に、各周波数におけるＤ／Ｃ３０膜の貯蔵弾性率（Ｅ’）および損失弾性率（Ｅ”）と温度の関係を示す。250 Kおよび180 K付近において、E′の分散とE″の吸収ピークが観測された。E″のピークは周波数に依存して高温側にシフトした。高温側からそれぞれαおよびβ緩和過程に帰属した。吸収極大温度の逆数と周波数の自然対数との関係の傾きから求めたα緩和過程の活性化エネルギー(ΔH)は187±7 kJ・mol-1であった。この値は、CDPを含まないDNA含水固体膜で観測された協同的分子運動に起因する緩和のΔH (131±3 kJ・mol-1)と比べ若干大きかった。これはD/C30膜内においてDNA鎖とCDPが協同的に分子運動すると考えることで説明できる。一方、β緩和過程のΔHは111±4 kJ・mol-1であり、CDPを含まないDNA含水固体膜で観測されたDNA鎖のＢＩ−ＢＩＩ転位に起因する緩和のΔH (44±1 kJ・mol-1)と比較して大きかった。これは、DNAに吸着したＣＤＰが、リン酸骨格のコンフォメーション転位の運動性を低下させている可能性を示している。
【００１９】
＜実施例（２）＞
ＤＮＡおよびＣＤＰ水溶液を、質量比（ＤＮＡ／ＣＤＰ（ｗｔ／ｗｔ））が、（９０／１０）、（８０／２０）、（７５／２５）、（７０／３０）、（６０／４０）、（５０／５０）となるように混合し、上記＜実施例（１）＞の手順と同様に、溶媒キャスト法に基づき固体膜を作製した。以下、得られた膜について、含水処理前の膜をＤＣ１０−ｄ、ＤＣ２０−ｄ、ＤＣ２５−ｄ、ＤＣ３０−ｄ、ＤＣ４０−ｄ、ＤＣ５０−ｄ、含水処理後の膜をＤＣ１０、ＤＣ２０、ＤＣ２５、ＤＣ３０、ＤＣ４０、ＤＣ５０と表記する。
【００２０】
図５に、固体膜の調製方法、並びに、ＤＮＡ／ＣＤＰの割合を示す。
図６に、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理なし：ＤＣ１０−ｄ、ＤＣ２０−ｄ、ＤＣ２５−ｄ、ＤＣ３０−ｄ、ＤＣ４０−ｄ、ＤＣ５０−ｄ）の成分割合及び引張試験結果（応力−ひずみ曲線）を示す。
図７に、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理あり：ＤＣ１０、ＤＣ２０、ＤＣ２５、ＤＣ３０、ＤＣ４０、ＤＣ５０）の成分割合及び引張試験結果（応力−ひずみ曲線）を示す。
図８に、ＤＣ１０膜、ＤＣ２０膜、ＤＣ３０膜、ＤＣ４０膜、及びＤＮＡ膜の、ＴＧ測定による含水率の時間経過（水分蒸散の経時変化）を示す。
図９に、ＤＮＡ／ＣＤＰ固体膜（含水処理あり：ＤＣ１０、ＤＣ２０、ＤＣ３０、ＤＣ４０、ＤＣ５０）の引張試験結果（応力−ひずみ曲線：実線）、並びに、４２％湿度下で１０日間静置した後の引張試験結果（応力−ひずみ曲線：破線）を示す。
【図１】
2018076473.tif 000003
【図２】
2018076473.tif 000004
【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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