(57)【要約】【課題】  本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の塩基のπ電子系の電子又は電荷の移動を利用したＤＮＡの新規な応用技術、新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。【解決手段】  本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。詳細には、プリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。また、本発明は、前記したナノエレクトロニックデバイス材料を用いた記憶素子材料、センサー素子材料、論理素子材料、演算素子材料などのエレクトロニックデバイス材料に関する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項２】
物性の差が、電気伝導度の差である請求項１に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項３】
ＤＮＡが、プリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するものである請求項１又は２に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項４】
ＤＮＡの塩基におけるピリミジン環が、ピリミジン−ジオン又はその誘導体である請求項３に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項５】
物性の差が、蛍光の有無、波長、及び又は強度である請求項１に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項６】
ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態の変化が、可逆的な転移反応である請求項１〜５のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項７】
可逆的な転移反応が、温度、塩濃度、及び／又は小分子やタンパク質の結合によって起こされるものである請求項６に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項８】
ＤＮＡが、天然型のものである請求項１〜７のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項９】
ＤＮＡが、アミノプリンまたはその誘導体を塩基として含有するものである請求項１〜８のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１０】
ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態の変化が、不可逆的な転移反応である請求項１〜５のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１１】
不可逆的な転移反応が、光の照射によって起こされるものである請求項１０に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１２】
ＤＮＡが、塩基部分としてピリミジン−ジオン環又はその誘導体からなる環を有するものである請求項１０又は１１に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１３】
ナノエレクトロニックデバイスが、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態による記憶装置の素子である請求項１〜１２に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１４】
ナノエレクトロニックデバイスが、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態によるセンサー装置の素子である請求項１〜１２に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１５】
センサー装置の素子が、温度検知用のセンサーである請求項１４に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【請求項１６】
センサー装置の素子が有機分子などの小分子又はタンパク質の存在を検出するためのセンサーである請求項１４に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。ＤＮＡは通常は右巻きの螺旋構造を有するものであるが、その一部又は全部が左巻きの螺旋構造に転移する。この転移は可逆的な場合もあり、また不可逆的な場合もある。そして、ＤＮＡの巻き方によりＤＮＡの電気的、若しくは光学的などの物理的、又は化学的な物性が変化することから、本発明はこの物性の差を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡは遺伝情報を有する分子種として生命科学の分野では重要な物質であるとされているが、同時にＤＮＡは塩基中に多数のπ電子系を有する分子種であり、かつ独特の化学構造を有する分子種としても注目されている。そして、ＤＮＡは多糖類に属する線状の高分子化合物であり、材料としての特性も有している。例えば、線状の高分子化合物である点に着目したナノワイヤー技術や、π電子系に着目した電荷移動によるナノ電子デバイス技術などのナノテクノロジー分野においても材料としての特性が注目されている。
このようなＤＮＡの特性を利用して電子デバイスに応用する技術も多数報告されてきている。例えば、ＤＮＡの選択された位置に結合する無機分子を含有する構造、例えばＡＮＤゲート又はＯＲゲートである構造に関する発明（特許文献１及び２参照）、ＤＮＡに電荷供給材料を結合させた導電性有機高分子に関する発明（特許文献３参照）、ＤＮＡなどの棒状有機分子を並列してなる層を複数有する有機フォトニック結晶を含有してなる光学デバイスに関する発明（特許文献４参照）などがある。
【０００３】
ＤＮＡは通常は右巻きの螺旋構造をした二重螺旋である。この螺旋に沿って塩基のπ電子系も螺旋状の階段のように延びている。これに対して左巻きのＤＮＡも存在することが約３０年前に発見された。結晶の状態のＸ線解析の結果として左巻きであることが証明されたが、その生物学的な役割は未だ不明である。自然界においても一部のＤＮＡは左巻きで存在している可能性があることも議論されているが、未だ実証されていない。可能性としては、転写因子などの結合部位の一部が左巻きになって、塩基が露出してくる状態となり、そこに転写因子などが結合することや、右巻きのＤＮＡを複製するときに右巻きのねじれをほぐすために一部が左巻きになることなどが挙げられているが、いずれも未だ実証されていない。
しかし、結晶状態では左巻きのＤＮＡが存在することは既に実証されており、その構造も解析されている。以下では、左巻きのＤＮＡのことをＺ型のＤＮＡといい、通常の右巻きのＤＮＡをＢ型のＤＮＡという。左巻きのＤＮＡ（Ｚ−ＤＮＡ）についての研究も進められているが、研究用に用いる６−２０ｍｅｒ程度の長さではＺ−ＤＮＡは、溶液中で安定に存在することが困難であり、Ｚ型ＤＮＡを溶液中で安定に存在させるための修飾が必要とされている。このような修飾に関して本発明者らは、既に報告している（特許文献５参照）。
また、本発明者らは、先にデオキシ型の８−メチルグアノシン（ＭｅＧ）によって、Ｚ型ＤＮＡが安定化されることを見出し、文献等により報告している（例えば、非特許文献１参照。）。また、このデオキシ型の８−メチルグアノシンを用いてこれまで種々の研究を行ってきた。さらに、Ｂ型のＤＮＡ中のハロウラシルにおいてウラシルラジカルによる５’側の糖のＣ１’位及びＣ２’β位の水素引き抜きが構造や配列に依存して起こることを示してきた（例えば、非特許文献１〜４参照。）。
これらの報告の中で、本発明者らは、６−ヨードウラシル（ＩＵ）を含む５’−ｄ（ＣＧＣＧＩＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（ｍＧはメチルググアニンを示す。）が、Ｂ型及びＺ型で安定に存在することができ、それぞれの型のＤＮＡの光反応について検討しており、その光反応はＤＮＡの構造に依存しＢ型では、リボノラクトンとエリスロースができ、Ｚ型ではｒＧができることを報告している。この光反応の５’−ＧＩＵ−３’の部分の反応式を次に示す。
【０００４】
【化１】
2005051082.tif 000002
【０００５】
右巻き（Ｂ型）のＤＮＡでは、光の照射によりウラシルのヨードが解離し、発生したラジカルが糖の水素を引き抜きリボノラクトンが生成する（非特許文献３及び５参照）。左巻き（Ｚ型）ＤＮＡでは、同様にラジカルが発生するが、隣接するプリン環には影響を与えず、糖の２’位を酸化して水酸基にする。即ち、ＲＮＡ型の糖鎖とする（ｒＧ）（非特許文献２及び４参照）。
このように、左巻きのＤＮＡ（Ｚ−ＤＮＡ）についての反応性や挙動についての研究が進められてきているが、Ｚ−ＤＮＡの機能や応用についての研究はほとんどなされていないのが現状である。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１０１１６７号
【特許文献２】特開２００３−３７３１３号
【特許文献３】特開２００３−１８３４００号
【特許文献４】特開２００３−１９５００２号
【特許文献５】特願２００３−５２８１７号
【非特許文献１】Sugiyama,H.;Kawai,K.; et al., Nucleic Acids Res., 1996, 24, 1272.
【非特許文献２】Kawai,K.;Saito,I.;et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1391-1392.
【非特許文献３】Sugiyama,H.;et al., Tetrahedron Letters 1996, 37, 1805-1808.
【非特許文献４】Oyoshi,T.;Kawai,K.;et al., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 1526-1531.
【非特許文献５】Sugiyama,H.;Tsutsumi,Y.;et al., J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 6720-6721.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の塩基のπ電子系の形態を解明し、π電子系による電子又は電荷の移動を明らかにし、このような電子又は電荷の移動を利用したＤＮＡの新規な応用技術を提供するものである。より詳細には、本発明は、ＤＮＡの螺旋構造の変化を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。詳細には、プリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差、好ましくは電気伝導度の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。また、塩基としてアミノプリンまたはその誘導体を含有するＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差、好ましくは蛍光の有無を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。
また、本発明は、前記したナノエレクトロニックデバイス材料を用いた記憶素子材料、センサー素子材料、論理素子材料、演算素子材料などのエレクトロニックデバイス材料に関する。
【０００９】
本発明者らは、比較的安定な左巻きＤＮＡを形成させることができる８−アルキルグアニンなどのヌクレオチドを提供してきた。
ブロモウラシル（ＢｒＵ）は、ヨードウラシルとは異なり、配列に依存しＧＢｒＵ配列ではＧへの逆電子移動反応により反応が進行しないと言われている。実際にＢ型構造での
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ１−２という。）は、光照射してもほとんど光反応は起こらない。しかし、このＯＤＮ１−２を２Ｍ ＮａＣｌ存在下でＺ型とすると反応が急速に進み、５’−ｄ（ＣＧＣ）ｒＧｄ（ＵＧＣＧ）−３’が、光反応により消失したＯＤＮ１に対して３５％の収率で生成することが明らかになった。ＤＮＡオリゴマーがＺ型構造を取ることはＣＤスペクトルにより確認した。図１にこれらの結果を示す。図１の上の段はＢ型のＤＮＡの場合を示し、下段はＺ型のＤＮＡの場合を示す。図１の左側は光照射したあとのＨＰＬＣの結果をそれぞれ示し、右側はＣＤの結果をそれぞれ示す。Ｂ型では光照射後もＯＤＮ１とＯＤＮ２の２本のピークのみであるが、Ｚ型ではＲＮＡ型のグアニン（ｒＧ）のピーク及び分解により生じたイミダゾール又はイミダゾロンを含む物質（Ｉｚ）のピークが出現している。これらの結果はＢ−Ｚ転移に基づくＤＮＡの構造変化が劇的にＯＤＮ１−２の反応性を引き起こしたことを示している。
【００１０】
本発明者らは、ＢｒＵのＺ型における光反応性の劇的な増加の原因がその構造にあると予測し、Ｂ型ＤＮＡとＺ型ＤＮＡの塩基の重なりを調べてみると実に興味深い点を見出すことができた。即ち、Ｂ型のＤＮＡの塩基は同一鎖内で螺旋状に重なっているのに対して、Ｚ型では両方の鎖から２塩基ずつからなる４塩基のπ−スタック構造をとっている。この構造を模式的にして図２に示し、その分子模型を図３に図面に代わるコンピュータグラフィックスによるカラーの図で示す。図２は、Ｂ型のＤＮＡの構造とＺ型のＤＮＡの構造を模式的に示したものであり、図３はそれぞれを分子模型で示したものである。図２の模式図では、右巻きのＢ型のＤＮＡでは片方の塩基配列とその相補鎖の塩基配列が螺旋状に規則的に並んであるが、左巻きのＺ型のＤＮＡでは左巻きになっているために塩基は階段状に位置しており、連続的な螺旋構造を取ることができなくっている。しかし、各塩基が不規則に位置しているのではなく、片方の鎖の２塩基ずつが位置をずらせて配置されており、さらに興味深いことには、片方の鎖の２塩基と相補鎖の２塩基が重なり合う構造になっていることである。即ち、このＯＤＮ１−２では、４番目のグアニン（Ｇ４）及び５番目のブロモウラシル（ＢｒＵ５）、そしてその相補鎖の１１番のシトシン（Ｃ１１）及び１０番の８−メチルグアニン（ｍＧ１０）の４つの塩基が重なり合う構造となって、４塩基によるＧ４−ＢｒＵ５−Ｃ１１−ｍＧ１０のπ−スタック構造をとっているのである。図３は、この４塩基の重なり合いを分子模型により示したものである。分子模型の左側はＢ型の右巻きの模様を示しており、右側はＺ型の左巻きの場合であり、片方の鎖からのグアニン（Ｇ４）（水色）及び５番目のブロモウラシル（ＢｒＵ５）（水色と緑色）が孤立して重なり合っており、さらにその相補鎖のシトシン（Ｃ１１）（黄色）及び１０番の８−メチルグアニン（ｍＧ１０）（黄色と赤色）が重なり合う構造になっていることがわかる。
さらに、興味深いことに保持時間３０．５分にあらわれているピークはイミダゾロンを含む８量体５’−ｄ（ＣＩｚＣＡＣｍＧＣＧ）−３’であることが明らかになった。イミダゾロンはグアニンの酸化により生成することが知られている（Kino,K., Saito,I., Sugiyama,H., J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 7373-7374.）。５’−ｄ（ＣＧＣ）ｒＧｄ（ＵＧＣＧ）−３’の生成とともに５’−ｄ（ＣＩｚＣＡＣｍＧＣＧ）−３’生成するはＧ４−ＢｒＵ５−Ｃ１１−ｍＧ１０のπ−スタック構造内でｍＧ１０ からＢｒＵ５への電子移動が進んでいることが示された。
【００１１】
この仮説を確かめるために次の実験を行った。８−メトキシグアニン（ｍｏＧ）は酸化電位が低く、１電子酸化によりカチオンラジカルとなるとＩｚとなることが知られているので（Ikeda,H., Saito,I. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10836-10837.）、電荷移動が予想される１０位をｍｏＧに配置した
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍｏＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ１−３という。）のＢ形およびＺ型のＤＮＡ中での光反応を行った。光照射の結果、これらのオリゴマーはいずれもＢ型では全く光反応性を示さなかったが、Ｚ型では５’−ｄ（ＣＧＣ）ｒＧｄ（ＵＧＣＧ）−３’が８０％生成するとともに５’−ｄ（ＣＩｚＣＡＣｍＧＣＧ）−３’が７３％生成することを確認した。この結果のＨＰＬＣのチャートを図４に示す。図４の上段はＢ型のＤＮＡ（Ｂ−ＤＮＡ）の場合であり、下段はＺ型のＤＮＡ（Ｚ−ＤＮＡ）の場合を示す。この結果ｍｏＧ１０ からＢｒＵ５への電子移動が進んでいることが示された。
【００１２】
しかし、ｍｏＧを４位、６位、１４位に入れた
５’−ｄ（ＣＧＣｍｏＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ５−２という。）、
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵｍｏＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ６−２という。）、及び
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍｏＧＣＧ）−３’（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ１−４という。）では反応の促進は見られなかった。
【００１３】
この結果及び各ＯＤＮの塩基配列を図５に示す。図５の上段は各オリゴヌクレオチド（ＯＤＮ）の塩基配列を示し、下段はこれらのＯＤＮからなる２本鎖ＤＮＡの光反応の結果のイミダゾロン類（Ｉｚ）の収率（図５の下段の奥側）及びＲＮＡ型のグアニン（ｒＧ）の収率（図５の下段の手前側）を示す。図５の下段の収率のグラフにおける目盛りは２０％毎となっている。６種類の２本鎖ＤＮＡにおけるブロモウラシル（ＢｒＵ）の部分は緑色で、メトキシグアニン（ｍｏＧ）は橙色で、反応に関与すると推測されるグアニン（Ｇ）は水色でそれぞれ示されている。
次に図６にＯＤＮ１−３のＺ型のＤＮＡのＧ４−ＢｒＵ５−Ｃ１１−ｍｏＧ１０の４塩基によるπ−スタック構造における光化学反応の反応式を示す。図５に示される光化学反応の結果は図６に示すように、１０位のｍｏＧ塩基からのＢｒＵに電子が移動して、ＢｒＵ−・のラジカル状態になり、ここからＢr−が脱離し水素引き抜きによりリボースが水酸基化されたｒＧができる。さらに、電子を与えたｍｏＧ＋・からＩｚが生成する。このため、Ｉｚの生成効率はｒＧの生成効率に従い増加する。１４位は同じく相補鎖に存在しＢｒＵの位置から２塩基離れた相補鎖側という点では１０位とは変わりないが反応の増加は見られない。これは、１４位はＺ型構造内でＢｒＵとはπ−スタックの異なるクラスターに存在しており、ＢｒＵに電子を与えることは出来ないからである。このことから、クラスター間での電荷移動は起こりにくいと考えられる。
【００１４】
これらの塩基間の電子の移動を模式化したものを図７に示す。図７は図２と同様のものである。図７の左側は右巻きのＢ型のＤＮＡを示し、右側は左巻きのＺ型のものを示している。図７中の橙色で示された箇所は１０番のグアニンの位置であり、緑色で示される箇所は５番のブロモウラシルの位置である。Ｂ型では、塩基が螺旋状に規則的に配置しているために１０番のグアニンと５番のウラシルではπ電子系の重なりが無く、電子の移動は起こらない。左巻きのＺ型では４番、５番、１１番、及び１０番の４塩基がπ−スタックを形成している。このπ−スタックのクラスターが枠で囲って示されている。１０番のグアニンは５番のウラシルと同じクラスター中に存在しているので、電子の移動が起こるが、７番のシトシンは前記のπ−スタックとは異なるクラスターに属するので、電子の移動は起こらない。同様に、１４番のグアニンも前記のπ−スタックとは異なるクラスターに属しているので、電子の移動は起こらない。この結果として図５に示されるようなｒＧ及びＩｚの収率の差となるものと考えられる。
【００１５】
左巻きのＤＮＡ（Ｚ−ＤＮＡ）における、このような４塩基によるπ−スタック構造は本発明により初めて認識されたものであり、かつ同じπ−スタックに属する範囲において電子の移動が生じることも本発明において初めて確認されたものである。このようなπ−スタック系の分子模型を模式化してしめしたのが図８である。図８に左側は右巻きのＢ型の場合であり、右側は左巻きのＺ型の場合を示している。図８中の黄色は片方の鎖から供給される塩基を示しており、青色はその相補鎖から供給される塩基を示している。右巻きのＢ型では、それぞれの鎖からの塩基がきれいな螺旋構造となっているが、左巻きのＺ型では、４塩基ずつが重なり合ってπ−スタックを形成しており、かつこれらの各々のπ−スタック（クラスター）はそれぞれ孤立しており、π電子系の繋がりが遮断されている構造になっていることがわかる。この構造は４塩基からなるひとつのπ−スタック内では電子の移動が起こるが、他のクラスター間における電子の移動が起こらない構造になっていることがわかる。即ち、右巻きのＢ型では螺旋構造で少しずつずれてはいるが、ＤＮＡの５’末端から３’末端までπ電子系が連続しているが、左巻きのＺ型ではπ電子系は連続しておらず、４塩基毎に遮断されており、Ｂ型とＺ型ではＤＮＡの５’末端から３’末端までの電気伝導度が相違してくることを示している。即ち、ＤＮＡを右巻きから左巻きに転移させる（Ｂ−Ｚ転移）ことにより、ＤＮＡの５’末端と３’末端の間の電気伝導度をスイッチさせることが可能であることを示している。これは、ＤＮＡ自体を、回路をオン−オフに制御するスイッチとして利用できることを示している。
【００１６】
シュスターらは５’−ＧＧ配列を有するヘアピン構造のＤＮＡを用いてアントラキノンの励起によるカチオンラジカルの酸化反応を検討し、Ｂ型とＺ型における電子移動の顕著な相違は見られなかったことを報告している（Abdou,I.M., Schuster,G.B., et al., J.Am.Chem.Soc.,2001, 123, 6696-6697.）。しかし、この報告で使用されているグアニンが連続する構造（−Ｇ−Ｇ−）では左巻きのＺ型構造への転移が困難であり、完全なＺ型になっているかどうか明らかではない。また、この報告では、本発明のクラスター構造についての考察が欠如しており、さらに詳細な検討が必要とされている。
本発明の前記してきた実験結果によれば、Ｚ型のＤＮＡはＢ型には見られない４塩基による独特のπ−スタック構造をとり、塩基によるπ電子系の構造的なＢ型とＺ型の間に生じてくることは明白である。
【００１７】
前記の例では、グアニン誘導体による酸化反応をみてきたが、天然のグアニンの酸化について次に検討した。８−メチルグアニン（ｍＧ）は、グアニン（Ｇ）よりも酸化されやすいためここで見られたクラスター内での酸化反応は天然のグアニン（Ｇ）では起きるか否か確認した。そこでＺ型構造を安定化するｍＧをＧに置き換えた
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’
（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ１−７という。）の光反応性を調べた。ＯＤＮ１−７はＯＤＮ１−２と比べＺ型となりにくく、２Ｍ ＮａＣｌでは５０％しかＺ型構造をとらない。この条件下で光反応を行っても２’ＯＨ体の生成が観測され、９．０％の５’−ｄ（ＣＧＣ）ｒＧｄ（ＵＧＣＧ）−３’及び３．５％の５’−ｄ（ＣＩｚＣＡＣｍＧＣＧ）−３’の生成が確認された。この種の電子移動はＢｒＵを含むＺ型ＤＮＡで一般的におこることが確認された。定量結果を図５にまとめた。以上の、ブロモウラシルの光反応の結果からＺ型ＤＮＡ中での４塩基クラスター構造は電荷移動をそのクラスター内部に制限し、反応のオン−オフの制御が可能であることがわかった。今回のクラスター構造のようなπスタッキング様式はＺ型構造以外では見られない。
【００１８】
次に、電荷移動をクラスターにより制御できることを利用しデバイスとしての可能性を検討した。アミノプリンを用いてクラスター構造間における、電荷移動の違いを蛍光として出力することでＺ型ＤＮＡの性質を分子デバイスに応用として考えた。アミノプリンはBartonらによって電荷移動のプローブとして用いられており、蛍光が消光することで電子移動を受けたことが確認できる。塩基がＧやＡの場合、アミノプリンに電子を与え、ＣやＴの場合は電子を受け取ることが報告されている。まず、Ａｐを含むＤＮＡオリゴマー
５’−ＣＧＣＡｐＣＧＣＧＣＧ−３’／５’−ＣＧＣＧＣＧＴＧＣＧ−３’
（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ８−９という。）を用意した。また、比較実験としてＺ型にならない配列のＤＮＡ
５’−ＣＧＣＡｐＣＧＡＧＣＧ−３’／５’−ＣＧＣＴＣＧＴＧＣＧ−３’
（以下、このオリゴヌクレオチドをＯＤＮ１０−１１という。）を用いた。
各ＤＮＡのＺ型の量をＣＤスペクトルで測定しながら、各ＤＮＡの蛍光を測定した。まず、塩濃度によりＤＮＡオリゴマーをＢからＺ型に変化させそれぞれの蛍光を測定した。結果を図９に示す。図９ａ（図９の左側）は、ＯＤＮ８−９の場合であり、図９ｂ（図９の右側）はＯＤＮ１０−１１の場合である。各グラフの横軸はＮａＣｌの濃度（Ｍ）であり、縦軸は左側が蛍光強度を示し、右側はＺ型のＤＮＡの存在量（％）を示す。各グラフ中の四角印（橙色）はＣＤスペクトルで測定されたＺ型のＤＮＡの量（％）を示し、菱形印（青色）は蛍光強度を示す。
この結果、１ＭのＮａＣｌの時はほとんどがＢ型のＤＮＡ（９５％以上）であり、アミノプリンが消光している。この理由として、アミノプリンは５’側のＣと３’側のＣに挟まれており両方に電子を与えていることが可能性であることが大きな理由であると考えられる。さらに、４塩基クラスター構造はその構造内で電荷移動経路の制御を行うのみならず、クラスター内がＡｐＣＣＧになりの重なりの配列を変えることにより電荷移動に影響を与えると思われる。塩濃度が上がり、Ｚ型になっていくに従って蛍光が、１本鎖と同様の強度まで増加した。このことは、Ｚ型構造では電荷移動がクラスター構造内で保たれており、５’側のＣはＺ型では別のクラスターに存在しＡｐの５’側には電子のやり取りする塩基が存在しなくなるためであると思われる。クラスター構造間を超えて電荷移動が起こりにくいことはブロモウラシルでも示しており、アミノプリンの消光は起こりにくいことも同様な理由であると考えられる。さらに、Ｂ型とＺ型での塩基の重なり具合、その他に相補鎖に属する塩基の位置も変わることも蛍光強度には重要であると思われる。ただ、ここで重要なことは４塩基のクラスター構造により電荷移動に大きな影響を与えたという点である。
【００１９】
また、Ｚ型とＢ型は、温度により変化することが知られている。つまり、温度が低くなるにつれてＢ型からＺ型へと変化する。そこで、ＯＤＮ８−９を用いて５０％がＺ型である３Ｍの塩濃度において２℃−３２℃まで１０℃おきに変化させ、ＣＤによるＢ−Ｚの変化と蛍光の変化を調べた。その結果、温度が上昇するに従ってＺ型からＢ型に変化すると共に、蛍光も減少することがわかった。比較実験としてＺ型にならないＤＮＡオリゴマーＯＤＮ１０−１１を用いた場合、温度変化によらず蛍光は確認されなかった。結果を図１０に示す。図１０ａ（図１０の左上側）はＯＤＮ８−９を用いた場合であり、グラフの横軸は温度（℃）を示し、縦軸は蛍光強度を示す。図１０ｂ（図１０の右上側）はＯＤＮ１０−１１を用いた場合であり、グラフの横軸は温度（℃）を示し、縦軸は蛍光強度を示す。図１０ｃ（図１０の左下側）はＯＤＮ８−９、又はＯＤＮ１０−１１を用いて、温度を２℃と３２℃に交互に変化させた場合であり、グラフの横軸は温度（℃）を示し、縦軸は蛍光強度を示す。グラフの楕円印（桃色）はＯＤＮ８−９の場合を示し、菱形印（青色）はＯＤＮ１０−１１の場合を示す。図１０ｄ（図１０の右下側）は温度依存のＢ−Ｚ転移によるＯＤＮ８−９の蛍光を模式的に示したものである。
これらの結果から、温度によっても電荷移動経路のコントロールが可能であり、蛍光として出力が可能であることが分かり、今までにないユニークな分子温度計や温度センサーとしても使えることがわかる（図１０ｄ参照）。
【００２０】
さらに、Ｚ-Ｂそれぞれの状態を分子素子としての用いることができるのではないだろうか。３Ｍ ＮａＣｌ中のオリゴマーを２−３２℃間で交互に温度変化させ蛍光を測定した。その結果、３２℃では蛍光が低く２℃では蛍光が上がり、繰り返し温度変化に応じてＢ−Ｚ構造変化とそれに応じた出力が得られた（図１０ｃ参照）。このことから制御は容易であり２つの状態も蛍光で容易に区別ができることから分子素子などの機能性分子としても期待できる。
【００２１】
このように本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。本発明のＤＮＡとしては、塩濃度や温度などにより当該ＤＮＡの全部又は一部が右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態に転移できるものであればよく、天然型のＤＮＡであっても、非天然型のＤＮＡであってもよい。好ましいＤＮＡとしては、長さが５〜２００ｂｐ、５〜１５０ｂｐ、５〜１００ｂｐ、５〜８０ｂｐ、５〜５０ｂｐ、５〜３０ｂｐ、５〜２０ｂｐ、又は８〜２００ｂｐ、８〜１５０ｂｐ、８〜１００ｂｐ、８〜８０ｂｐ、８〜５０ｂｐ、８〜３０ｂｐ、８〜２０ｂｐ、８〜１５ｂｐ程度のものが挙げられる。塩基配列は、一般にプリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するものが好ましく、例えばＧＣＧＣの配列を有するものやＡＴＡＴの配列を有するものが好ましい。プリン環を有する塩基としてはアデニンやグアニン、又はその誘導体が挙げられる。ピリミジン環を有する塩基としては、チミンやウラシル又はその誘導体のようなピリミジン−ジオン又はその誘導体を有するものや、シトシン又はその誘導体などが挙げられる。例えば、前記した例に示されるように、ＧＣＧＸＧＣＧＣ（Ｘは、ピリミジン環又はその誘導体、例えば置換又は非置換のピリミジン−ジオン又はその誘導体を有する塩基を示す。）のような配列を含有するものが好ましい。
非天然型の塩基としてはウラシル、ブロモウラシル、ヨードウラシルなどのハロウラシル、ハロシトシン、８−メチルグアニン、８−エチルグアニンなどの８−アルキルグアニン、８−メチル−２−アセチルグアニン、８−エチル−２−アセチルグアニンなどの８−アルキル−２−アシルグアニン、８−メトキシグアニン、８−エトキシグアニンなどの８−アルコキシグアニン、８−アミノプリン、２−アミノプリンなどが挙げられる。
また、本発明におけるＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態は可逆的なものであってもよいし、非可逆的なものであってもよい。前記したように、Ｂ−Ｚ転移は可逆的に起こすこともできるし、非可逆的にすることも可能であり、いずれの場合も本発明のＤＮＡとして用いることができる。例えば、スイッチィングのような素子や、センサー素子などとして用いる場合には可逆的なＢ−Ｚ転移が好ましいし、固定化された記憶素子などとして使用する場合には非可逆的なＢ−Ｚ転移を利用することもできる。
【００２２】
本発明のＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差としては、前記したようにＺ型になることにより４塩基からなるπ−スタック構造をとることによる電子又は電荷移動に基づく物性の差が挙げられる。このような物性の差であれはどのようなものであっても特に制限はない。例えば、ＤＮＡの電気伝導度、電子移動に基づく蛍光の有無や、蛍光の波長変化、又は蛍光の強度変化などが挙げられる。
本発明のナノエレクトロニックデバイス材料は、各種の電子デバイス、例えば記憶装置の素子、温度検知用のセンサー、有機分子の存在を検出するためのセンサー素子などのセンサー装置の素子、論理回路のスイッチィング素子などとして使用することができる。本発明のＤＮＡは原理的には分子で機能するものであるからナノオーダーの素子とすることが可能となる。
本発明のＤＮＡは、例えば金やシリコーン基板や電極に接続してデバイスとすることができる。これらの接続技術はＤＮＡチップなどのＤＮＡ固定化技術を応用することができる。
【００２３】
本発明のＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態の変化は、塩濃度の変化、温度変化、光の照射、小分子やタンパク質などの有機分子との結合や特定の形態を分子の存在などにより引き起こすことができる。そして、例えば、本発明のＤＮＡの右巻き（Ｂ型）の状態をオン又はビットの１とし、左巻き（Ｚ型）の状態をオフ又はビットの０としてスイッチィング素子や記憶素子などとすることができる。また、非可逆的なＢ−Ｚ転移を利用して、Ｂ型のＤＮＡの配列の中の特定の位置のＤＮＡのみを光の照射などにより非可逆的にＺ型に転移させるよりＲＯＭ型の記憶装置とすることも考えられる。
さらに、温度変化を利用した温度センサーや、本発明のＤＮＡ部分に被検体物質を接触させて、被検体物質の中にＢ−Ｚ転移を誘発させる物質、例えば小分子やタンパク質などが存在した場合や特定の形質の分子が存在した場合などのときには、Ｂ−Ｚ転移が生起するので、これを利用した有機分子などの存在を検出するためのセンサー素子とすることもできる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、左巻きのＺ型のＤＮＡが４塩基のπ−スタック構造をとり、これらの４塩基がそれぞれ孤立したクラスターを形成することに着目した電子又は電荷の移動を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。そして、本発明は、ＤＮＡのＢ−Ｚ転移反応を利用するものであり、原理的には分子単位のナノエレクトロニックデバイス材料とすることができ、そしてＤＮＡは糖鎖が比較的強固に結合した分子種であり、かつ天然型のＤＮＡは複製能を有するものであり、機械的強度も優れ、量産も容易で、微小な素子材料とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（ＯＤＮ１−２）は、既報（非特許文献１、２及び５参照）の方法にしたがって合成した。
ＯＤＮ１−２の３６μＭを、全量が１００μＬになるように２０ｍＭのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）にとり、それぞれの溶液の各々２０ｍＭ又は２．０ＭのＮａＣｌを添加した。ＮａＣｌが２０ｍＭの溶液はＢ型のＯＤＮ１−２であり、ＮａＣｌが２．０Ｍの溶液はＺ型のＯＤＮ１−２である。それぞれの溶液に０℃で３０分間、３０２ｎｍの紫外線（ＨＭ−５ハイパーモノクロメーター（Ｊａｓｃｏ））を照射した。
それぞれの反応混合物を既報（非特許文献１参照）の方法にしたがって、ＣＤスペクトルを測定した。
また、それぞれの反応混合物をケムコボンド５ＯＤＳ−Ｈカラム（４．６×１５０ｍｍ）を有するＨＰＬＣで、４０℃で、２〜７％の直線傾斜の濃度変化させたアセトニトリルを含有する０．０５Ｍの蟻酸アンモニウム溶液で、流速１ｍＬ／分で４０分間溶出させて分析した。
それぞれのＨＰＬＣ及びＣＤスペクトルの結果を図１に示す。
ｒＧ及びＩｚの構造は、これらを酵素で分解してイオン化エレクトロスプレー質量分析器（ＥＳＩ−ＭＳ、ネガティブ）で分析した。
５’−ｄ（ＣＧＣ）ｒＧｄ（ＵＧＣＧ）−３’    計算値：２４２８．６
実測値：２４２８．２
５’−ｄ（ＣＩｚＣＡＣｍＧＣＧ）−３’         計算値：２３６９．４
実測値：２３６９．８
【実施例２】
【００２７】
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍｏＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（ＯＤＮ１−３）を、既報（非特許文献１、２及び５参照）の方法に準じて合成した。
これを、実施例１に記載の方法と同様に処理して、それぞれの反応混合物を実施例１と同様にＨＰＬＣで測定した。
結果を図４に示す。
【実施例３】
【００２８】
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍｏＧＣＧ）−３’（ＯＤＮ１−４）、
５’−ｄ（ＣＧＣｍｏＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（ＯＤＮ５−２）、
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵｍｏＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣｍＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’（ＯＤＮ６−２）、及び
５’−ｄ（ＣＧＣＧＢｒＵＧＣＧ）−３’／５’−ｄ（ＣＧＣＡＣｍＧＣＧ）−３’
（ＯＤＮ１−７）を、既報（非特許文献１、２及び５参照）の方法に準じて合成した。
これを、実施例１に記載の方法と同様に処理して、それぞれの反応混合物を実施例１と同様にＨＰＬＣで測定した。
結果を図５に示す。
【実施例４】
【００２９】
５’−ＣＧＣＡｐＣＧＣＧＣＧ−３’／５’−ＣＧＣＧＣＧＴＧＣＧ−３’
（ＯＤＮ８−９）、及び、
５’−ＣＧＣＡｐＣＧＡＧＣＧ−３’／５’−ＣＧＣＴＣＧＴＧＣＧ−３’
（ＯＤＮ１０−１１）を既報（非特許文献１、２及び５参照）の方法に準じて合成した。
それぞれの３０μＭを２０ｍＭのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）にとり、それぞれの溶液のＮａＣｌ濃度を１〜５Ｍに変化させて、蛍光強度を測定した。測定は３１７ｎｍで励起させて、３６０ｎｍの発光スペクトルをモニターした。
Ｚ型の量は、既報（非特許文献１参照）の方法に準じて、１ｃｍのセルで１０℃でのＣＤスペクトルにより決定した。溶液を９０℃に加熱して、ゆっくりと室温まで冷却することによりハイブリダイズさせた。Ｂ型とＺ型の量の比は、２９５ｎｍにおけるＣＤの楕円率で決定した。
結果を図９に示す。
【実施例５】
【００３０】
実施例４で使用したＯＤＮ８−９及びＯＤＮ１０−１１をそれぞれ３０μＭずつ２０ｍＭのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）にとり、それぞれの溶液のＮａＣｌ濃度を３Ｍに調製した。
それぞれの溶液の温度を２℃から３２℃まで１０℃毎に変化させて、実施例４と同様の方法で蛍光強度を測定した。結果を図１０ａ及びｂに示す。
また、温度を２℃と３２℃に変化させて、同様に蛍光強度を測定した結果を図１０ｃに示す。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ型）と左巻き（Ｚ型）の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものであり、分子単位で機能し得る新規なスイッチィング素子、記憶素子、センサー素子、検出素子などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明のＯＤＮ１−２の右巻き（Ｂ−ＤＮＡ）（図１の上段）と、左巻き（Ｚ−ＤＮＡ）（図１の下段）の各々のＨＰＬＣ及びＣＤスペクトルの結果を示したものである。
【図２】図２は、本発明のＯＤＮ１−２の右巻き（Ｂ−ＤＮＡ）（図２の左側）と、左巻き（Ｚ−ＤＮＡ）（図２の右側）の各々の塩基の配列状態を模式的に示したものである。
【図３】図３は、本発明のＯＤＮ１−２の右巻き（Ｂ−ＤＮＡ）（図３の左側）と、左巻き（Ｚ−ＤＮＡ）（図３の右側）の各々の塩基の配列状態を分子模型によりグラフィック化した図面に代わるコンピュータグラフィックスのカラー図面である。
【図４】図４は、本発明のＯＤＮ１−３の右巻き（Ｂ−ＤＮＡ）（図４の上段）と、左巻き（Ｚ−ＤＮＡ）（図４の下段）の各々のＨＰＬＣの結果を示したものである。
【図５】図５は、本発明のオリゴヌクレオチドの塩基配列（図５上段）と、ＯＤＮ１−２、ＯＤＮ１−３、ＯＤＮ１−４、ＯＤＮ５−２、ＯＤＮ６−２、及びＯＤＮ１−７の、それぞれの光化学反応におけるｒＧ及びＩｚの収率をグラフ化して示したものである。
【図６】図６は、本発明のＯＤＮ１−３の光化学反応の反応機構を示した化学反応式を示したものである。
【図７】図７は、本発明のＯＤＮ１−２の光化学反応における電子の移動を模式的に示したものである。
【図８】図８は、ＤＮＡの右巻き（Ｂ−ＤＮＡ）（図８の左側）と、左巻き（Ｚ−ＤＮＡ）（図８の右側）の各々の塩基の配列の分子模型を模式的に示した図面に代わるカラー写真である。Ｚ−ＤＮＡでは４塩基によるπ−スタック構造が形成されることを示している。
【図９】図９は、本発明のＯＤＮ８−９（図９の左側）と、比較対象のＯＤＮ１０−１１（図９の右側）の各々の、各食塩濃度におけるＢ型とＺ型の量の比（橙色の四角印）と蛍光強度（青色の菱形印）を示したグラフである。
【図１０】図１０は、本発明のＯＤＮ８−９（図１０ａ）と、比較対象のＯＤＮ１０−１１（図１０ｂ）の各々の、各温度における蛍光強度を示したグラフである。図１０ｃはＯＤＮ８−９（桃色の楕円印）と、比較対象のＯＤＮ１０−１１（青色の菱形印）の各々を２℃と３２℃に変化させたときの蛍光強度を示したものであり、図１０ｄはＢ型とＺ型の相互のＢ−Ｚ転移における蛍光の発色を模式的に示したものである。
【配列表フリーテキスト】
【００３３】
配列番号１におけるｎは、５−ブロモウラシルを示す。
配列番号２における２番目のｎは５−ブロモウラシルを示し、最初のｎは８−メトキシグアニンを示す。
配列番号３における最初のｎは８−メトキシグアニンを示し、２番目のｎは５−ブロモウラシルを示す。
配列番号４及び５におけるｎは、８−アミノプリンを示す。
【図１】
2005051082.tif 000003
【図２】
2005051082.tif 000004
【図３】
2005051082.tif 000005
【図４】
2005051082.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005051082.tif 000008
【図７】
2005051082.tif 000009
【図８】
2005051082.tif 000010
【図９】
2005051082.tif 000011
【図１０】
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【配列表】
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