(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−ヘリックスを含むタンパク質における上記α−ヘリックスの残基が７残基ごとに、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。
【請求項２】
上記半導体量子ドットの直径は１ｎｍ程度である請求項１記載の電子装置。
【請求項３】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなる請求項１または２記載の電子装置。
【請求項４】
上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項１〜３のいずれか一項記載の電子装置。
【請求項５】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ＺｎＳが上記メルカプト酢酸のＳと結合している請求項１または２記載の電子装置。
【請求項６】
上記タンパク質がインフルエンザウイルス赤血球凝集素である請求項１〜５のいずれか一項記載の電子装置。
【請求項７】
上記インフルエンザウイルス赤血球凝集素の４２番目、４９番目、５６番目、６３番目、７０番目、７７番目、８４番目、９１番目および９８番目の各残基が上記非天然のアミノ酸に変更されている請求項６記載の電子装置。
【請求項８】
ラクトース結合破傷風毒素のＨｃフラグメントの８８６番目、１０８５番目、１０９１番目、９５１番目、９５５番目、１０３３番目、１０３７番目、１０４４番目、１０４８番目、１０５２番目、１０５６番目、１０１２番目、１０１６番目、１０００番目、１００４番目、９９１番目、９９５番目、９７４番目、９７８番目、１０７０番目、１０７４番目、９３４番目、９０６番目、８９６番目および８９０番目の各残基が、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。
【請求項９】
上記半導体量子ドットの直径は１ｎｍ程度である請求項８記載の電子装置。
【請求項１０】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなる請求項８または９記載の電子装置。
【請求項１１】
上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項８〜１０のいずれか一項記載の電子装置。
【請求項１２】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ＺｎＳが上記メルカプト酢酸のＳと結合している請求項８または９記載の電子装置。
【請求項１３】
ＤＤ−ペプチダーゼ酵素の３２０番目、２６番目、３０番目、３５番目、３７番目、３９番目および４１番目の各残基が、半導体量子ドットが選択的に結合する側鎖を有する非天然のアミノ酸に変更され、上記半導体量子ドットが上記側鎖と結合したものを用いた電子装置。
【請求項１４】
上記半導体量子ドットの直径は１ｎｍ程度である請求項１３記載の電子装置。
【請求項１５】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなる請求項１３または１４記載の電子装置。
【請求項１６】
上記側鎖はメルカプト酢酸である請求項１３〜１５のいずれか一項記載の電子装置。
【請求項１７】
上記半導体量子ドットはＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなり、上記側鎖はメルカプト酢酸であり、上記半導体量子ドットの上記ＺｎＳが上記メルカプト酢酸のＳと結合している請求項１３または１４記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機能材料およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法ならびに量子装置およびその製造方法に関し、特に、新規な手法による高機能材料の合成およびその応用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現代の科学技術を支える電子素子や記憶媒体を作製する材料にはシリコンや磁性体の結晶性材料が多く用いられ、その微細化や純粋化の技術によって素子の高速化やメモリの大容量化が図られてきた。そして、それらの素子や媒体の特徴的なサイズがナノメートル（以下、単にナノという）のオーダーになるに至って、それまでのバルクの性質からは考えられなかった問題が生じることも明らかとなってきた。そこで、従来技術の改良という方向以外にも、ナノオーダーに適した材料の必要性が認識され、その探索が精力的に行われてきた。そうした中で現実の物質としても、ナノオーダー固有の性質を持つと考えられる材料が開発され始めている。
【０００３】
最近、従来の結晶を基本とした材料と全く異なる高次構造を持つ材料として多重化階層構造が本出願人により提案された（(1)R.Ugajin,C.Ishimoto,S.Hirata,and Y.Mori:Int.J.Mod.Phys.B,14,1825,(2000) (2)R.Ugajin,A.Ishibashi,S.Hirata,C.Ishimoto,and Y.Mori:Phys.Lett.A,275,467,(2000) (3)R.Ugajin,C.Ishimoto,Y.Kuroki,S.Hirata,and S.Watanabe:Physica A,292,437,(2001) (4)R.Ugajin:"Anderson Transition in a Multiply-Twisted Helix",J.Nanosci.Nanotech.,1,227-235,(2001)) 。その中でこの構造は従来の材料と全く異なる物性を持つことが示された。
【０００４】
多重化階層構造の一例として多重巻きらせん構造を定義する（上記文献(1))。ｑ重（fold) の多重巻きらせん構造は、（ｑ−１）重の多重巻きらせんを一本の紐とみなし、それを用いてらせんにしたものとして定義される。ｑ＝０を直線の紐、ｑ＝１を周期Ｎの通常のらせんとすると、ｑ重の多重巻きらせんはＮq の周期を持つ。この場合、始めの１次元の紐が、ある要素とその間の結合によって構成されていると考えると、多重巻きらせん構造は多重化のために新たに生じる要素間の結合を加えることで定義される。ここでは結合は次のいずれかの条件
｜ｑ−ｐ｜＝１
｜ｑ−ｐ｜＝Ｎ
ｑ−ｐ＝Ｎ2 かつｍｏｄ（ｐ，Ｎ）＝０
ｑ−ｐ＝Ｎ3 かつｍｏｄ（ｐ，Ｎ2 ）＝１                  （１）
ｑ−ｐ＝Ｎ4 かつｍｏｄ（ｐ，Ｎ3 ）＝２
：
：
を満たす要素ｐ，ｑ間に定める。ただし、ｍｏｄ（ａ，ｂ）とは、ａをｂで割ったときの余りである。即ち、１次元鎖から見た最近接要素間の結合に加えて、全ての要素に１重らせんによるＮ離れた要素との結合が、またＮ要素ごとにＮ2 先の要素との結合が、更にＮ2 要素ごとにＮ3 先の要素との結合が、という具合に結合が決められている。ただし、Ｎ2 以上の長周期で結合する要素は異なる長周期の要素とは別の要素となるように取っている。この構造は周期Ｎを変化させることで制御することができる。そして、その構造の変化によって、これまで物質を構成する要素によって決まっていると考えられていた次元性などに依存する物性を大きく変化させることができることが、モット転移（上記文献(1))や強磁性転移（上記文献(2))、アンダーソン転移（上記文献(3)(4)) を調べることで確かめられた。また、結合間にも要素を加えて一般化した構造も調べられている((5)R.Ugajin,Y.Watanabe,and Y.Mori:"Multiply-twisted helices of various inter-round couplings",Int.J.Mod.Phys.B,16,1225-1239,(2002))。
【０００５】
この構造の重要性は、物質そのものを変化させることなく構造を変化させることで、磁性や伝導性などの物性を制御することが可能であるという点にある。このため、この多重化階層構造を実現することは非常に重要な課題となっている。これまでの例としては、量子ドットアレイやカーボンナノコイルの多重化などによる実現方法が示されてきたが、大量に安定に作製することは現状では困難である。
【０００６】
また、別のタイプの結晶とは異なる構造を持つ材料としては、フラクタル（(6)B.B.Mandelbrot:The Fractal Geometry of Nature,(Freeman,San Francisco,1982) (7)A.Erzan,L.Pietronero,and A.Vespignani:Rev.Mod.Phys.,67,545,(1995)) やデンドリマー（(8)S.Hecht and J.M.J.Frechet:"Dendritic Encapsulationof Function:Applying Nature's Site Isolation Principle from Biomimeticsto Materials Science",Angew.Chem.Int.Ed.,40,74-91,(2001) (9)A.Rajca,J.Wongsriratanakul,S.Rajca,and R.Cerny:"A Dendritic Macrocyclic Organic Polyradical with a Very High Spin S ＝10",Angew.Chem.Int.Ed.,37,1229-1232,(1998) (10)D.-L.Jiang and T.Aida:"Morphology-Dependent Photochemical Events in Aryl Ether Dendrimer Porphyrins:Cooperation of Dndron Subunits forSinglet Energy Transition",J.Am.Chem.Soc.,120,10895-10901,(1998) (11)M.Enomoto and T.Aida:"Self-Assembly of a Copper-Ligating Dendrimer that Provides a New Non-Heme Metalloprotein Mimic:"Dendrimer Effects" of Stability of the Bis ( μ-oxo)dicopper(III)Core",J.Am.Chem.Soc.,121,874-875,(1999))などの分岐構造を持つものも知られている。更に、フラクタル次元を成長の途中で変更することで作られる複合フラクタル構造も本出願人により提案されており、アンダーソン転移や強磁性転移、モット転移などの研究を通じて新規な物性が出現することが確かめられている（(12)R.Ugajin,S.Hirata,and Y.Kuroki:"Anderson transition driven by running fractal dimension in a fractal-shaped structure",Physica A,278,312-326,(2000) (13)R.Ugajin:"Anderson transition in a fractal-based complexes",Physica A,301,1-16,(2001) (14)R.Ugajin,S.Hirata,and Y.Mori:"Ferromagnetic and Mott transitions modulated byvarying fractal dimensions in fractal-shaped nanostructures",Int.J.Mod.Phys.B,15,2025-2044,(2001))。
【０００７】
こういった結晶と異なる構造を持つことを特徴とする物質としてはＤＮＡ（デオキシリボ核酸）やタンパク質、神経細胞などの生体物質が知られている。ＤＮＡに関しては、その選択的な結合性を用いて複雑な構造を作る試みや、分子デバイスにおける分子配線への応用を考えた電気的特性の測定などが研究されている（(15)C.Dekker and M.A.Ratner:"Electric properties of DNA",Physics World,14,(2001)（宮野健次郎訳：「ＤＮＡは電気を通すか」，パリティ，17,4-11,(2002-3)）。別の１本鎖ＤＮＡ中の相補的な部分列同士を結合させることにより、絡み合った環や結び目、１・２次元の周期構造、３次元の立方体などを作製することができることが報告されている（(16)E.Winfree,F.Liu,L.A.Wenzler,and N.C.Seeman:"Design and self-assembly of two dimensional DNA crystal",Nature,394,539-544,(1998)) 。また、伝導性に関しては、数ｎｍまでの距離においては電荷移動を行うことができることが確かめられている。ＤＮＡ中の正孔（ホール）はＡ−Ｔ（アデニン−チミン）塩基対上よりも、Ｇ−Ｃ（グアニン−シトシン）塩基対上の方がエネルギー的に安定である。そのため、Ｇ−Ｃ対に対してＡ−Ｔ対はエネルギー障壁となり、Ｇ−Ｃ対間の距離が短い場合はトンネル効果によりコヒーレントな電荷移動、距離が長い場合は熱励起によるホッピング伝導であると理解されている。しかしながら、配線を考える場合に必要なより長い距離での伝導に関しては未だに決着がついていないが、良導体ではないと考えられている。そのため、ＤＮＡによって多重化階層構造のような構造を作ることができても、計算で得られている新規な物性を発現するとは考えられない。また、ＤＮＡを金原子で修飾した場合は良導体であることが知られているが、その際も構造は多数の１本鎖ＤＮＡを複雑に組み合わせる工程によって作る必要があり、安定に作製することは困難と考えられる。
【０００８】
タンパク質は、α−ヘリックスやβ−シートなどの２次構造やそれらの空間的な配置である３次構造など多彩な立体構造を取ることで機能を発現することが知られており、その構造と物性との関係も精力的に研究されている。タンパク質の立体構造を担う骨格は、アミノ基とカルボキシル基とが脱水重合してできるペプチド結合の主鎖で構成されている。電気伝導に関しては、プロリンのオリゴマー（(17)S.S.Isied,M.Y.Ogawa,and J.F.Wishart:"Peptide-Madiated Intramolecular Electron Transfer:Long-Range Distance Dependence",Chem.Rev.,92,381-394,(1992)) やα−ヘリックス((18)H.B.Gray and J.R.Winkler:"Electron tunneling in structurally engineered protein",J.Electroanal.Chem.,438,43-47,(1997)) ではトンネリングによる伝導の存在が知られている。しかしながら、タンパク質分子全体にわたる長距離の伝導に関しては良導体ではないと考えられている。タンパク質を構成する各アミノ酸の側鎖に注目しても、それぞれでは電荷や極性を持つものもあるが、それらが全体としてネットワークを構成し、伝導性や磁性を示すものは知られていない。また、これまでに多重化階層構造で特徴的であった伝導性や磁性に関する新しい物性を示すタンパク質も報告されていない。
【０００９】
ところが最近、任意のアミノ酸を任意の位置に組み込んだタンパク質を設計するための新しい手法が開発された((19)I.Hirano,T.Ohtsuki,T.Fujiwara,T.Matsui,T.Yokogawa,T.Okuni,H.Nakayama,K.Takio,T.Yabuki,T.Kigawa,K.Kodama,T.Yokogawa,K.Nishikawa,and S.Yokoyama:"An unnatural base pair for coupled transcription-translation in a cel-free system",Nature Biotechnol.,20,177-182,(2002))。タンパク質の任意の位置に目的の側鎖を持ったアミノ酸を挿入するためには色々な手法が考えられるが、彼らは目的のアミノ酸配列を生成することのできる遺伝情報転写−翻訳系を構成することによりそれを達成した。この手法の最も新しい点は、非天然のアミノ酸を含む任意のアミノ酸を扱えることとそれを遺伝情報として書き込むことができるということにある。そのため、目的の非天然アミノ酸を任意の位置に含んだ人工タンパク質を大量に安定的に合成することが可能となる。
【００１０】
これを行うために二つの鍵となる技術が開発された。一つは、非天然のアミノ酸を含めたアミノ酸を指定するコドンを形成するために必要な新たな塩基対の導入である。この塩基対ｘ，ｙはそれら同士は高い確率で対を作る必要があるが、それ以外の天然の塩基対Ａ，Ｔ（Ｕ）（Ｕはウラシル），Ｇ，Ｃとはほぼ対を作らないことが必要とされる。そのため彼らはｘとして2-amino-6-(N,N-dimethylamino)purine を、ｙとしてprydin-2-oneを導入し((20)M.Ishikawa.I.Hirano,and S.Yokoyama:"Synthesis of 3-(2-deoxy- β-D-ribofuranosyl)pyridin-2-one and 2-amino-6- (N,N-dimethylamino)-9-(2-deoxy- β-D-ribofuranosyl)purinederivatives for an unnatural base pair",Tetrahedron Lett.41,3931-3934,(2000)) 、実際にｘをＤＮＡ中に埋め込んで転写を行うとＲＮＡ（リボ核酸）ではｘの相補的な位置に選択的にｙが取り込まれていることを確かめた((21)T.Ohtsuki,M.Kimoto,M.Ishikawa,T.Matsui,and S.Yokoyama:"Unnatural base pairs for specific transcription",Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,98,4922-4925,(2001))。天然の塩基とは対とならない性質は、ｘに含まれる6-dimethylamino による立体障害によりもたらされると理解される。そこで、更に確実に立体障害を起こす構造である6-(2-Thienyl)purine(ｓと呼ぶ）がｘに代えて導入され、実際に高精度で対となることが確かめられている((22)T.Fujiwara,M.Kimoto,H.Sugiyama,I.Hirano,and S.Yokoyama:"Synthesis of 6-(2-Thienyl)purine Nucleoside Derivatives That Form Unnatural Base Pair with Pyridin-2-one Nucleosides",Bioorg.Med.Chem.Lett.,11,2221-2223,(2001)) 。また、この新しい塩基を導入したＤＮＡは、正しくタンパク質合成の鋳型となるかを確かめるため、まず非天然アミノ酸である3-chlorotyrosineと結合し、アンチコドンとしてＣＵｘを持ったｔＲＮＡ（転移ＲＮＡ）を作製し、続いてＲａｓ遺伝子の３２番目のコドンに新たにｙＡＧコドンを導入したものを作製し、それらを入れた試験管内の転写−翻訳系を構成し、実際に3-chlorotyrosineが選択的に取り込まれることを示した（上記文献(19)) 。
【００１１】
二つ目は、目的の非天然アミノ酸とｘ（ｓ），ｙを含むコドンを選択的に認識することができるｔＲＮＡを作製する技術である。これを示すために、大腸菌由来のｔＲＮＡ合成酵素（Escherichia coli arginyl-tRNA synthetase) の変異体の中で、天然型アミノ酸であるtyrosineよりも非天然型アミノ酸である3-iodinetyrosineを選択的に抑制ｔＲＮＡ（suppressor tRNA)に結合させるものが作製され((23)D.Kiga,K.Sakamoto,S.Sato,I.Hirano,and S.Yokoyama:"Shifted positioning of the anticodon nucleotide residues of amber suppressor tRNA species by Escherichiacoli arginyl-tRNA synthetase",Eur.J.Biochem.,268,6207-6213,(2001)) 、実際に試験管内タンパク質合成系で任意の位置に3-iodinetyrosineを導入することができることが確かめられた。更に、培養細胞中に非天然型アミノ酸を選択的に取り込むことにも成功している（上記文献(23)) 。
【００１２】
一方、ＤＮＡやタンパク質などの生体分子に対し、適切なリンカー（linker）を用いることで金や銀などの金属ナノパーティクルや半導体量子ドットを結合することができることが知られている((24)Christof M.Niemeyer:"Nanoparticles,Proteins,and Nucleic Acids:Biotechnology Meets Materials Science",Angew.Chem.Ed.,40,4128-4158,(2001)）。特にＤＮＡ鎖に限っても、金のナノパーティクルの結合((25)W.-L.Shaiu,D.D.Larson,J.Vesenka,and E.Henderson:Nucleic Acids Res.,21,99-103,(1993) (26)C.A.Mirkin,R.L.Lestinger,R.C.Mucic,and J.J.Storhoff:Nature(London),382,607-609,(1996) (27)A.Bardea,A.Dagan,I.Ben-Dov,B.Amit,and I.Willner:Chem.Commun.,839-840,(1998) (28)F.Patolsky,K.T.Ranjit,A.Lichtenstein,and I.Willner:Chem.Commun.,1025-1026,(2000) (29)R.L.Lestinger,R.Elghanian,G.Viswanadham,and C.A.Mirkin:"Use of a Steroid Cyclic Disulfide Anchor in Constructing Gold Nanoparticle-Oligonucleotide Conjugates",Bioconjugate Chem.,11,289-291,(2000))、半導体量子ドットの結合((30)R.Mahtab,J.P.Rogers,and C.J.Murphy:J.Am.Chem.Soc.,117,9099-9100,(1995) (31)G.P.Mitchell,C.A.Mirkin,and R.L.Lestinger:"Programmed Assembly of DNA Functionalized Quantum Dots",J.Am.Chem.Soc.,121,8122-8123,(1999)) が可能である。金属を結合する場合は、１本のＤＮＡ鎖を鋳型と考えて、配置したい場所に対応した短い相補鎖と結合したナノパーティクルを入れることで、そのナノパーティクルの配列を作ることを目的とし((32)X.Yang,L.A.Wenzler,J.Qi,X.Li,and N.C.Seeman:J.Am.Chem.Soc.,120,9779-9786,(1998)および上記文献(16)) 、その伝導特性なども良く調べられている（(33)E.Braun,Y.Eichen,U.Sivan,and G.Ben-Yoseph:"DNA-templated assembly and electrode attachment ofa conducting silver wire",Nature(London),391,775-778,(1998) (34)S.-J.Park,A.A.Lazarides,C.A.Mirkin,P.W.Brazis,C.R.Kannewulf,and R.L.Lestinger:"The Electrical Properties of Gold Nanoparticle Assemblies Linked by DNA",Angew.Chem.Int.Ed.,39,3845-3848,(2000)) 。また、量子ドットの結合は主として生体内での生体分子のマーカーとして使用することを目的としており（(35)W.C.W.Chan and S.Nie:"Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive Nonisotopic Detection",Science,281,2016-2018,(1998) (36)M.Bruchez Jr.,M.Moronne,P.Gin,S.Weiss,and A.P.Alivisatos:"Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels",Science,281,2013-2016,(1998) (37)H.Mattoussi,J.M.Mauro,G.Goldman,G.P.Anderson,V.C.Sundar,F.V.Mikulec,and M.G.Bawendi:"Self-Assembly of CdSe-ZnS Quantum Dot Bioconjugates Using an Engineered Recombinant Protein",J.Am.Chem.Soc.122,12142-12150,(2000) (38)Barbera-Guillem:"Functionalized nanocrystals as visual tissue-specific imaging agents,and methods for fluorescence imaging",US Patent 6,333,110(December25,2001) (39)Bawendi,et al.:"Biological applications of quantum dots",US Patent 6,326,144(December4,2001) (40)Barbera-Guillem:"Fluorescence filter cube for fluorescence detection and imaging",US Patent 6,252,664(June26,2001) (41)Siiman,et al.,:"Semiconductor nanoparticles for analysis of blood cell populations and methods of making same",US Patent 6,235,540(May27,2001))、量子ドットの親水性を高めることや蛍光の強度なども重要な技術となっている（(42)Bawendi,et al.:"Highly luminescent color-selective nano-crystalline materials",US Patent 6,322,901(November20,2001) (43)Bawendi,et al.:"Water-soluble fluorescent semiconductor nanocrystals",US Patent 6,319,426(November20,2001) (44)Weise,et al.:"Semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes",US Patent 6,207,392(March27,2001) (45)Castro,et al.:"Functionalized nanocrystals and their use in detection systems",US Patent 6,114,038(September5,2000))。
【００１３】
ＤＮＡ鎖は通常、相補的な塩基配列を持つＤＮＡ鎖同士が２本結合して２重らせん構造を取ることが知られている。しかし最近、複数のＤＮＡ鎖に対して相補的な部分列同士を結合させることにより、絡み合った環や結び目、１・２次元の周期構造、３次元の立方体などを作製する手法が見出された（(46)Nadrian C.Seeman:"Nucleic Acid Nanostructures and Topology",Angew.Chem.Int.Ed.,37,3220-3238,(1998) (47)T.H.LaBean,H.Yan,J.Kopatsch,F.Liu,E.Winfree,J.H.Reif,and N.C.Seeman:"Construction,Analysis,Litigation,and Self-Assembly of DNA Triple Crossover Complexes",J.Am.Chem.Soc.,122,1848-1860,(2000))。これらの技術は、異なる形やトポロジーを持つＤＮＡ鎖間を、化学的な手続きによりスイッチさせる分子デバイス（(48)P.J.Kuekes,R.S.Williams,and J.R.Heath:"Molecular-Wire Crossbar Interconnect(MWCI) for Signal Routing and Communications",US Patent 6,314,019,(November6,2001) (49)P.J.Kuekes,R.S.Williams,and J.R.Heath:"Molecular Wire Crossbar Interconnect Memory",US Patent6,128,214,(October3,2000))や、ＤＮＡ鎖同士の結合で計算を行うＤＮＡ計算（(50)L.M.Adleman:"Molecular computation of solutions to combinatorial problems",Science,226,1012-1024,(1994) (51)R.J.Lipton:"Using DNA to solve NP-complete problems",Science,268,542-545,(1995))を目的として開発された（(52)C.Mao,T.H.LaBean,J.H.Reif,and N.C.Seeman:"Logical computation usingalgorithmic self-assembly of DNA triple-crossover molecules",Nature(London),407,493-496,(2000) (53)H.Yan,X.Zhang,Z.Shen,and N.C.Seeman:"A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology",Nature(London),415,62-65,(2002)) 。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、多重化階層構造などの新規な構造を実現する上で従来技術が有する上記の課題を解決することを目的とするものである。
即ち、この発明が解決しようとする課題は、豊富な物性を発現する機能材料を安価に大量に得ることができる機能材料およびその製造方法を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の機能材料を用いた電子装置およびその製造方法ならびに量子装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、本出願人が先に提案した多重化階層構造やフラクタル構造などの新規な構造を安価に大量に実現するためには、分子生物学的手法を用いることが最も有効であると考え、種々検討を行った。その結果、非天然塩基対を含む拡大された遺伝情報転写−翻訳系を用いて、非天然アミノ酸を組み入れたペプチド結合鎖として実現する方法、あるいは、部分的に相補鎖の関係になっている複数のポリヌクレオチド鎖を組み合わせた構造により実現する方法を考えた。より詳細には、前者については、非天然タンパク質の生合成の手法を用いて、目的に応じた側鎖を持った非天然アミノ酸を適切な立体構造中に配置し、その側鎖に、物性発現に必要な要素として例えば半導体量子ドットに代表されるナノ構造体を結合することにより、多重化階層構造やフラクタル構造のような新規な構造を持つ材料を安定に大量に実現することができると考えられる。また、後者については、部分鎖が相補鎖となっている複数のＤＮＡ鎖を組み上げたものを土台として、適切な場所に物性を発現させるためのナノ構造体を結合させる。
【００１６】
これまで、何らかの意味で構造を持たせる技術として「自己組織化」を用いる方法があるが、上記の手法はこの自己組織化技術を超えたものと言える。すなわち、自己組織化では、複雑な構造を取らせることのできる材料は決まっていて、物性として興味のある材料（ナノパーティクルなど）を自由に配列することは現状ではできていない。これに対し、ここでは、典型的に自己組織化、自己構造化する材料である生体分子の力で目的のナノパーティクルなどを構造化することができる。
この発明は本発明者による上記検討に基づいて案出されたものである。
【００１７】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、
ペプチド結合鎖の取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている
ことを特徴とする機能材料である。
【００１８】
この発明の第２の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるようにした
ことを特徴とする機能材料の製造方法である。
【００１９】
この発明の第３の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている
ことを特徴とする機能材料である。
【００２０】
この発明の第４の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるようにした
ことを特徴とする機能材料の製造方法である。
【００２１】
この発明の第５の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、ペプチド結合鎖の取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする電子装置である。
【００２２】
この発明の第６の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする電子装置の製造方法である。
【００２３】
この発明の第７の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする電子装置である。
【００２４】
この発明の第８の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする電子装置の製造方法である。
【００２５】
この発明の第９の発明は、
微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を含み、ペプチド結合鎖の取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする量子装置である。
【００２６】
この発明の第１０の発明は、
アミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の所定位置に微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を組み入れ、
ペプチド結合鎖に所定の立体構造を取らせることにより１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする量子装置の製造方法である。
【００２７】
この発明の第１１の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料を用いた
ことを特徴とする量子装置である。
【００２８】
この発明の第１２の発明は、
微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を準備し、
複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖を相補的な塩基対で結合することにより所定の立体構造を取らせ、１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めて機能材料を製造する工程を有する
ことを特徴とする量子装置の製造方法である。
【００２９】
この発明において、機能材料は、典型的には微小構造体を複数有し、それらのうちの少なくとも２つの微小構造体が互いに結合し、あるいは、これらの複数の微小構造体が互いに結合している。ここで、結合とは、微小構造体が直接接触している場合と、微小構造体が直接接触してはいないが量子力学的トンネル効果により結合している場合との両者を含む。これらの複数の微小構造体は種々の配置を取ることができ、具体的には、一次元鎖状、らせん状、分岐構造、フラクタル構造、多重化階層構造などを取るように配置される。また、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸は、典型的には非天然のアミノ酸、言い換えれば人工のアミノ酸が用いられる。微小構造体は一般的にはナノ構造体であり、具体的には、量子ドット、特に半導体量子ドットであり、その一例を挙げるとＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなる半導体量子ドットである。また、微小構造体が選択的に結合する側鎖の一例を挙げると、メルカプト酢酸である。この側鎖は特に、上記のＺｎＳで周りを覆われたＣｄＳｅからなる半導体量子ドットの結合に好適に用いられる。
【００３０】
機能材料は、最も単純には、ペプチド結合鎖あるいはポリヌクレオチド鎖のみからなるが、必要に応じ、それに持たせる機能に応じて、他の材料を所要の混合比および分布の仕方で複合化してもよい。電子装置の例を挙げると、強磁性を利用した磁気素子や金属−絶縁体転移を利用したスイッチング素子などである。また、量子装置の例を挙げると、量子計算装置などである。なお、量子装置は、電子装置と見ることができる場合もある。
【００３１】
上述のように構成されたこの発明によれば、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖あるいは微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖は、生合成の手法で安価に大量に製造することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について説明する。
第１の実施形態
第１の実施形態においては、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖を少なくとも含み、そのペプチド結合鎖の取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料について説明する。
【００３３】
（１）量子ドットと結合するアミノ酸
立体構造を構成する微小構造体として、ここでは量子ドット（半導体ナノクリスタル）を取る。具体的には、図１に示すように、ＺｎＳ１で周りを覆われたＣｄＳｅ２からなる量子ドット、即ちＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを考える。半導体ＣｄＳｅ２のエネルギーギャップは約１．７ｅＶ、半導体ＺｎＳ１のエネルギーギャップは約３．８ｅＶであるので、このＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットのポテンシャルの構造は１．１ｅＶ程度のエネルギー差を持つ井戸型ポテンシャルとなる（図２）。また、２つのＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット同士が十分に近づいた場合には、図３に示すように、トンネル効果によりドープされた電子は伝導することができることもわかる。アミノ酸に結合したＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット同士がどの程度近づくかは、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの大きさとこのＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合するアミノ酸の立体配置の関係とによる。ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの大きさは１ｎｍ程度から数十ｎｍまで望みの大きさのものを作製することができるので、後で述べる数種の設計の際にはそれに必要な大きさを取ることができる。ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを生体分子に結合させる方法はいくつか知られている（上記文献(36)(37)(42)(43)) 。また、生体内での生体分子の機能を調べるためのマーカーとしての応用も報告されている（上記文献(38) (39) (40) (41) (44) (45))。ここでは、その中で、メルカプト酢酸（mercaptoacetic acid)−Ｓ−ＣＨ2 −ＣＯ−ＮＨ−による結合（上記文献(35)) を行うこととする。この場合、メルカプト酢酸のＳがＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの外周のＺｎＳ１と結合し、またＮＨがアミノ酸と結合する。そこで、ここでは側鎖としてＨＳ−ＣＨ2 −ＣＯ−ＮＨ−を持った非天然のアミノ酸（ここではＬｎｋと呼ぶ）を準備して、それがアミノ酸配列の適切な場所に組み入れられた人工のタンパク質を合成する。そしてその人工タンパク質が合成され立体構造を取った後に、そのタンパク質にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを化学的な手段で結合させる（上記文献(35)) 。その際、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットは図１に示すように周りが−Ｓ−ＣＨ2 ＣＯＯＨで覆われており、これがＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させるのに障害となることから、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの外周を覆う−Ｓ−ＣＨ2 ＣＯＯＨのうちアミノ酸との結合以外の部分を化学的に取り除く。こうすることで望みの立体構造を持った結合量子ドットを構築することができる。
【００３４】
（２）アミノ酸の認識
新たな非天然のアミノ酸をタンパク質中に導入する場合、ｔＲＮＡがそのアミノ酸を選択的に認識し、かつそのアミノ酸を指定するコドンに対応したアンチコドンを持つ必要がある。特に、ｔＲＮＡが正しく目的のアミノ酸と結びつくためには、対応したアミノアシルｔＲＮＡ合成酵素（ａａＲＳ）を必要とする。つまり、非天然アミノ酸を導入するためには、新たなａａＲＳを作製する必要があることがわかる。
【００３５】
こういった操作が原理的に可能であることは既に実証されている（上記文献(23)) ので、ここでの伝導性や磁性を考えた側鎖を持った非天然アミノ酸に対しても設計可能であると考えることができる。
【００３６】
そこで、ここではＬｎｋをコードするＤＮＡ、ＲＮＡを作製するために横山らによって導入された非天然の塩基対ｓ、ｙ（上記文献(22)) を導入する。そしてＬｎｋをコードするコドンとしてｙＡＧ（Ａ，Ｇは天然の塩基対アデニン、グアニン）を、それを認識するｔＲＮＡのアンチコドンとしてＣＵｓを取ることとする。これらを任意の位置に組み込むことも可能であることが実証されている（上記文献(19)) 。
【００３７】
（３）１次元鎖状結合構造
まず、構造を構築する上で基本的な１次元鎖状結合構造を持った量子ドットを具体的に作製する。この系は単純であるが理論的に興味深い結果も得られている（(54)R.Ugajin:"Hubbard gap tunneling in quantum dot chain:an investigation using absorption spectra",Phys.Rev.Lett.80,572-575,(1998) (55)R.Ugajin:"Hubbard-gap tunneling in disordered quantum-dot chains",Phys.Rev.B59,4952-4960,(1999))。ここでは、長いα−ヘリックスを持つ代表的なタンパク質として、インフルエンザウイルス赤血球凝集素を取り上げて、そのアミノ酸配列の一部を非天然アミノ酸であるＬｎｋに変更することを考える。以下タンパク質は表１の略号を使う。
【００３８】
0004433658.tif 000002
【００３９】
このタンパク質の立体構造はBulloughらによってＸ線構造解析を用いて決定されており（(56)P.A.Bullough,F.M.Hughson,J.J.Skehel,and D.C.Wiley:"Structure of influenza haemagglutinin at the Ph of membrane fusion",Nature(London),371,37-43,(1994)) 、その情報はProtein Data Bank(PDB,http://www.rcsb.org/pdb/）に登録されている（登録ＩＤ：１ＨＴＭ）。このタンパク質は３本の長い（１０ｎｍ程度）α−ヘリックスを含んでいる。ここでは４１番目の残基Ｔｈｒから１０４番目の残基Ａｓｎまでの６４残基で構成されている１本のα−ヘリックスを取り上げ、その一部のアミノ酸をＬｎｋに変更することを考える。
【００４０】
α−ヘリックスは１巻きを３．６残基で構成しており、そのピッチは０．５４ｎｍである。そこで、７残基ごとにアミノ酸をＬｎｋに変更し、その側鎖に直径１ｎｍ程度のＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合すると、図４に示すように、そのＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットは互いに近接して鎖状に並んだ構造を取ることがわかる。この場合、９箇所の残基を変更することができて、具体的には（４２：Ｇｌｎ）、（４９：Ａｓｎ）、（５６：Ｉｌｅ）、（６３：Ｐｈｅ）、（７０：Ｐｈｅ）、（７７：Ｉｌｅ）、（８４：Ｖａｌ）、（９１：Ｌｅｕ）、（９８：Ｌｅｕ）の各アミノ酸残基を全てＬｎｋに変更する。α−ヘリックスは比較的安定な構造であり、少数の残基の変更では構造を保つことが期待できる。
【００４１】
この設計に基づいて、上記の転写−翻訳による生合成および側鎖と量子ドットとの結合手法を用いることで、１次元鎖の構造を持つ結合量子ドットを構築することができる。
【００４２】
（４）らせん構造
次に、らせん構造を持つ結合量子ドットを構築する。元となるタンパク質としてラクトース結合破傷風毒素のＨｃフラグメントを取る。そのＰＤＢのＩＤは１ＤＬＬである。このタンパク質の立体構造はEmsleyらによって決定された（(57)P.Emsley,C.Fotinou,I.Black,N.F.Fairweather,I.G.Charles,C.Watts,E.Wewitt,and N.W.Isaacs:"The structures of the H(C)fragment of tetanus toxin with carbohydrate subunit complexes provide insight into canglioside binding",J.Biol.Chem.275,8889,(2000))。このタンパク質は典型的な２次構造モチーフの一つである、ゼリーロール・バレルを取る。その様子を図５の破線囲み部に示す。これは、安定な２次構造のβ−ストランドが１７本集まってバレルを形成している構造で、少数のアミノ酸の入れ替えに対して比較的安定と考えられる。この２次構造モチーフは、８８５番目の残基から１０９２番目の残基までで構成されている。注目するβ−ストランドは１５本で、アミノ酸配列のＮ末端からＣ末端の方向で現れる順に２次構造に付けた番号でそれぞれ、４（８８５−８８８），５（８８９−８９２），７（８９５−８９８），９（９０５−９０８），１５（９３３−９３６），２１（９５０−９５７），２５（９７３−９７８），２７（９９０−９９６），２９（９９９−１００５），３１（１０１１−１０１７），３３（１０３２−１０３８），３５（１０４３−１０４８），３７（１０５１−１０５７），３９（１０６９−１０７５），４１（１０８４−１０９２）（括弧内はストランドを構成する残基の番号）である。
【００４３】
図５に示すように、らせん状に量子ドットを配置するために、４のβ−ストランドから始めて、４→４１→２１→３３→３５→３７→３１→２９→２７→２５→３９→１５→９→７→５→４１→２１→３３→３５→３７→３１→２９→２７→２５→３９（下線はらせんの２巻き目で通るストランドを表す）のようならせん構造を構築することを考える。そのため各ストランドで、４（８８６：Ｉｌｅ），４１（１０８５：Ｓｅｒ，１０９１：Ｉｌｅ），２１（９５１：Ｔｈｒ，９５５：Ｔｒｐ），３３（１０３３：Ｐｈｅ，１０３７：Ｔｈｒ），３５（１０４４：Ａｌａ，１０４８：Ｉｌｅ），３７（１０５２：Ｌｅｕ，１０５６：Ａｌａ），３１（１０１２：Ａｒｇ，１０１６：Ｐｈｅ），２９（１０００：Ｌｅｕ，１００４：Ｌｅｕ），２７（９９１：Ｔｒｐ，９９５：Ｌｅｕ），２５（９７４：Ｔｙｒ，９７８：Ｓｅｒ），３９（１０７０：Ｉｌｅ，１０７４：Ｌｅｕ），１５（９３４：Ｉｌｅ），９（９０６：Ｖａｌ），７（８９６：Ｉｌｅ），５（８９０：Ａｓｐ）、の各残基をそれぞれＬｎｋへと変更したアミノ酸配列を設計する。
【００４４】
この設計から上記と同様に、生合成および量子ドットの結合を行うことでらせん構造を持った結合量子ドット系を作製することができる。この手法を用いて量子細線の周りにらせん構造を持った結合量子ドットを配置することで、新規な機能を持ったデバイス（(58)R.Ugajin:"Charge transfer device",US Patent 5,828,090(October27,1998))を実現することもできる。
【００４５】
（５）分岐構造
次に、分岐構造を構築する。元のタンパク質としては、ペニシリンに作用するＤＤ−ペプチダーゼ酵素を取る。この立体構造は、Kelly ら((59)J.A.Kelly,J.R.Knox,H.Zhao,J.M.Frere,and J.M.Ghuysen:"The refined crystallographic structure of a DD-peptidase penicillin-target enzyme at 1.6Å resolution",J.Mol.Biol.,254,223,(1995))によって決定されている（ＰＤＢ  ＩＤ：３ＰＴＥ）。上記と同様な手順で２次構造に付けた番号で、５４（３１７−３２３）、４（２５−３２）、６（３５−４２）（括弧内はストランドを構成する残基の番号）のβ−ストランドを考えて、５４−４で１分岐、４−６で２分岐となる構造を設計する（図６）。
【００４６】
具体的には各ストランドで、５４（３２０：Ｔｈｒ）、４（２６：Ａｌａ，３０：Ｖａｌ）、６（３５：Ｔｈｒ，３７：Ｈｉｓ，３９：Ｌｅｕ，４１：Ｇｌｕ）、の各残基をそれぞれＬｎｋに変更したアミノ酸配列を設計する。
これより、上記と同様の手続きで分岐構造を持った結合量子ドットを作製することができる。
【００４７】
（６）高次構造
代表的な高次構造である多重化階層構造やフラクタル構造は、前節までの３つの基本構造、らせん構造、分岐構造、１次元鎖状構造を組み合わせることで構成することができ、具体例を挙げると、多重巻きらせん構造は、らせん構造を基として遠方との結合として結合させる両要素に分岐を入れてその間を１次元鎖で結合すればよいことがわかる。また、フラクタル構造も分岐と１次元鎖とを自己相似的に組み合わせることで実現することができる。よってこれらの高次構造もここでの手法により作製可能であることがわかる。
【００４８】
第２の実施形態
この第２の実施形態においては、微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、その複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む少なくとも一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置が決められている機能材料について説明する。
【００４９】
（１）ＤＮＡ鎖と量子ドットとの結合
ここでは、図７に示すように、ＤＮＡ鎖４に対して、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させることを考える。このＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの詳細は第１の実施形態で述べたとおりである。この場合、リンカーとして−Ｓ−（ＣＨ2 ）6 −を用いることで、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットをＤＮＡ鎖の末端に結合させることができる（上記文献(31)) 。
【００５０】
ＤＮＡ鎖４の任意の位置にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させるためには、ＤＮＡ鎖４が相補的な塩基配列を持ったＤＮＡ鎖と対を作ることを利用する。１本の長いＤＮＡ鎖を準備して、その目的の位置に相補的な塩基配列を持つ短いＤＮＡ鎖を持ってくる。そして、図８に示すように、その短いＤＮＡ鎖の末端に上記のリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合し、それを長いＤＮＡ鎖に結合させるという手順を取ればよい。短いＤＮＡ鎖の長さと本数とを変化させることにより、任意の個数のＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを長いＤＮＡ鎖の塩基配列の任意の位置に置くことができることもわかる。
【００５１】
（２）１次元鎖状結合構造
まず、構造を構築する上で基本的な１次元鎖状結合構造を持った量子ドットを具体的に作製する。既に述べたように、この系は単純であるが理論的に興味深い結果も得られている（上記文献(54)(55)) 。
【００５２】
通常の２本の相補的なＤＮＡ鎖よりなる２重らせんを考える。ＤＮＡ分子は細胞内では主としてＢ型と呼ばれる構造を取ることが知られている（(60)T.A.Brown:"Genomes" (BIOS Scientific Publishers,Oxford,1999)）。この構造では、らせんの直径は２．３７ｎｍで、１０塩基対で１ピッチ（３．４ｎｍ）となる。また、ここで用いるＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの典型的なサイズは１ｎｍから十数ｎｍである。そこで、長いＤＮＡ鎖として１００塩基の長さのものを取り、短いＤＮＡ鎖として１０塩基の長さで、その５´−末端にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合したものを１０本取ることとする。図９に示すように、ここでは、短いＤＮＡ鎖はそれぞれ適切な塩基配列を取り、長いＤＮＡ鎖と相補的に塩基対との結合で並べることができるものとする。
【００５３】
こうしてできた２重鎖は１０周期のらせん構造を取り、その時上記のように結合したＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットは図１０に示すように１次元鎖状構造となることがわかる。この時、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット間の中心間の距離は約３．４ｎｍとなるので、典型的なＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットのサイズの範囲内で結合させることが可能であることもわかる。
【００５４】
（３）らせん構造
次に、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットをらせん構造に配置することを考える。そこで、上記（２）と同じ状況の下、長いＤＮＡ鎖として１１０塩基の長さのものを取り、短いＤＮＡ鎖として１１塩基の長さで、その５´−末端にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させたものを１０本取ることとする。
【００５５】
こうしてできた２重鎖が１１周期のらせん構造を取るとき、上記のように結合したＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットは図１１に示すように１周期のらせん構造となることがわかる。この時、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット間の中心間の距離は約４．０３ｎｍとなるので、この場合も典型的なＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットのサイズの範囲内で結合させることが可能である。
【００５６】
また、１塩基長のＤＮＡ鎖ごとにＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させることにすれば、量子ドットの中心間の距離が約１．５３ｎｍのらせん構造となることもわかる。
【００５７】
更に、異なるＤＮＡ分子の立体構造であるＡ型（らせんの直径２．５５ｎｍ、ピッチは１１塩基対で３．２ｎｍ）に対しても同様にらせん構造を設計することができる。
【００５８】
（４）分岐構造
次に、分岐構造を構築する。ここでは、２分岐を持ったＤＮＡ分子の足の先端にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させたものを部品として、それをつなぎ合わせて分岐構造を構成することとする。
【００５９】
まず、図１２に示すように、２分岐を持ったＤＮＡ分子を設計する。通常の２重らせんを構成するために必要となる２本のＤＮＡ鎖に加えて、更にもう１本ＤＮＡ鎖を準備する。それらのＤＮＡ鎖をＡ，Ｂ，Ｃと名づける。また、それぞれのＤＮＡ鎖を二つの部分に分け、それぞれをＡ（Ｂ，Ｃ）1 ，Ａ（Ｂ，Ｃ）2 と表すこととする。この３本のＤＮＡ鎖が部分相補鎖同士結合し、うまく１つの構造を作るためには、次の条件を満たせばよいことがわかる。
【００６０】
Ａ1 ＝Ｂ2 バー
Ｂ1 ＝Ｃ2 バー                            （２）
Ｃ1 ＝Ａ2 バー
ここで、Ｘバーは部分鎖Ｘの相補鎖であることを表している。具体的には、分岐部分からそれぞれ１０塩基対の長さの２重らせんが出ているものとする。その先端にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させたとすると、量子ドットの中心間の距離は約５．８８ｎｍとなり、設計可能なサイズである。また、実際上はＤＮＡ鎖同士を選択的に結合させるために、ある部分鎖は目的の部分鎖以外とは相補鎖の関係にならないように設計する。
【００６１】
上記の手法で２分岐ＤＮＡを作る際に１０塩基に一つＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットを結合させることにすれば、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの２分岐構造を作ることができる。
【００６２】
更に、このＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの結合した２分岐ＤＮＡを７つ準備して、Zhang and Seeman((61)J.Am.Chem.Soc.,114,2656-2663,(1992)) に述べられている手法によってそれらを図１３のように結合することで、３段の２分岐構造を作製することができる。
【００６３】
この手法では、平面的な分岐構造だけが構成可能であるが、実際には２分岐以外の３分岐、４分岐の構造も構成可能であるため、それらを結合し、かつ前節で述べたらせん構造を適宜途中に導入することにより、３次元空間中の分岐構造も構成可能であることがわかる。これによりフラクタル構造も作製することができる。
【００６４】
（５）多重巻きらせん構造
従来技術の項で述べたように、多重巻きらせん構造は、基本となる１次元鎖とらせん構造とに加えて、長周期の要素間結合を取ることで構成されている。そこで、上記（３）で構成したらせん構造を基本として、上記（４）の２分岐構造を長周期で導入して、その分岐間を１次元鎖状構造で結合すれば、２重巻きらせん構造を構成することができる。同様に、更に高次の長周期構造を導入することは可能で、一般の多重巻きらせん構造も構成することができる。
【００６５】
（６）応用
ここでの技術を用いることで、半導体量子ドットを、空間的に構造を持った状態に配置した結合量子ドットを作製することができる。例えば、量子細線の周りにらせん構造を持った結合量子ドットを配置することで、新規な機能を持ったデバイスを実現することができることが知られている（上記文献(39)）。
【００６６】
また、結合量子ドットは量子計算((62)P.Benioff:"The Computer as a Physical System:A Microscopic Quantum Mechanical Hamiltonian Model of Computers as Represented by Turing Machines",J.Stat.Phys.,22,563-591,(1980) (63)R.Feynman:"Quantum Mechanical Computers",Opt.News,11,11-20,(1985) (64)D.Deutsch:"Quantum Theory,the Church-Turing Principle,and the Universal Quantum Computer",Proc.Roy.Soc.London,Ser.A400,97-117,(1985) (65)M.A.Nielsen and I.L.Chuang:"Quantum Computation and Quantum Information",(Cambridge University Press,Cambridge,UK,2000)) の実現が期待される系としても良く研究されている((66)A.Barenco,D.Deutsch,and A.Ekert:Phys.Rev.Lett.,74,4083,(1995) (67)D.Loss and D.P.DiVincenzo:"Quantum Computation with Quantum Dots",Phys.Rev.A57,120,(1998) (68)V.N.Golvach and D.Loss:"Electron Spins in Artificial Atoms and Molecules for Quantum Computing",Special Issue of Semiconductor Science and Technology,"Semiconductor Spintronics",ed.H.Ohno,(2002))。ここで述べた技術を用いることにより、１次元的な結合だけでなく高次の結合構造を持った結合量子ドットを構成することができるため、従来知られている量子アルゴリズム((69)D.Deutsch and R.Jozsa:"Rapid Solution of Problems by Quantum Computation",Proc.Roy.Soc.London,A439,553-558,(1992) (70)P.W.Shor:" Algorithms for Quantum Computation:Discrete Logarithms and Factoring",Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundation of Computer Science,124-134,(1994) (71)L.K.Grover:"A fast quantum mechanical algorithm for database search",Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on the Theory of Computing,212-219,(1996))だけでなく、結合の幾何学的な性質を活かした全く新しい量子アルゴリズムの実現が期待できる。
【００６７】
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６８】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状などはあくまでも例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造、形状などを用いてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、微小構造体が選択的に結合する側鎖を有するアミノ酸を所定位置に組み入れたアミノ酸配列からなるペプチド結合鎖の取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決め、あるいは、微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む複数のポリヌクレオチド鎖を含み、これらの複数のポリヌクレオチド鎖における、少なくとも微小構造体と結合したポリヌクレオチド鎖を含む一対のポリヌクレオチド鎖が相補的な塩基対で結合することにより取る立体構造により１つまたは複数の微小構造体の空間における配置を決めるので、豊富な物性を発現する機能材料を安価に大量に得ることができ、この機能材料を用いて高機能の各種の電子装置あるいは量子装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態において用いるＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットの構成を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態において用いるＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットのエネルギーバンドを示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態において二つのＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが近接したときのトンネル効果を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態においてα−ヘリックスの７アミノ酸残基ごとにＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態においてゼリーロール・バレルにらせん状にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態においてゼリーロール・バレルにらせん状にＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合したものを示す略線図である。
【図７】この発明の第２の実施形態においてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットにＤＮＡ鎖が結合した様子を示す略線図である。
【図８】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態においてＤＮＡ鎖にリンカーを用いてＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドットが結合されたものを示す略線図である。
【符号の説明】
１・・・ＺｎＳ、２・・・ＣｄＳｅ
【図１】
0004433658.tif 000003
【図２】
0004433658.tif 000004
【図３】
0004433658.tif 000005
【図４】
0004433658.tif 000006
【図５】
0004433658.tif 000007
【図６】
0004433658.tif 000008
【図７】
0004433658.tif 000009
【図８】
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【図９】
0004433658.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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