(57)【要約】【課題】エネルギー分野、電気化学分野、バイオテクノロジー分野などで有用な新規なポリヌクレオチド脂質複合体、およびこれを用いた電極を提供する。【解決手段】デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）などのポリヌクレオチドに安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物を結合させる。また、このようにして得られた新規なポリヌクレオチド脂質複合体を単独、もしくは他の材料とともに成型して電極を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有していることを特徴とするポリヌクレオチド脂質複合体。
【請求項２】
上記安定ラジカルが、ニトロキシラジカルもしくはその誘導体であることを特徴とする請求項１に記載のポリヌクレオチド脂質複合体。
【請求項３】
上記ポリヌクレオチドが、デオキシリボ核酸またはリボ核酸であることを特徴とする請求項１または２に記載のポリヌクレオチド脂質複合体。
【請求項４】
ポリヌクレオチド脂質複合体の脂質が、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のポリヌクレオチド脂質複合体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載のポリヌクレオチド脂質複合体を含有することを特徴とする電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリヌクレオチド脂質複合体、およびこれを含む電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）や各種のリボ核酸（ＲＮＡ）などのポリヌクレオチド化合物は、核酸塩基とリン酸リボース鎖とからなる線状の構造をなす高分子生体物質であり、生体内で重要な役割を果たしている。特に、ＤＮＡは細胞核の染色体を構成する物質であり、その塩基配列を利用して遺伝情報を記録、複製、伝達する媒体として活発な研究が多方面から行われている。
【０００３】
情報伝達の観点では、例えばＤＮＡの転写における誤差率は極めて低いことが知られており、通常の磁気記憶ディスクの誤差率（１０-4％）の数千分の一以下と推測されている。一方でＤＮＡやＲＮＡは材料としても特異な性質を有している。すなわち、ＤＮＡの太さは、わずか２ｎｍ程度であるが、細胞の核中に存在するＤＮＡは、伸ばした長さが数ｍにもおよび、かつ力学的には極めて強固な物質である。このようなＤＮＡは、幾何学的構造がほぼ一次元に近いことから、低次元伝導体としての可能性も指摘されている。特許文献１にはＤＮＡに電子供与性物質を結合させた導電性高分子が開示されており、仮に電子回路上で使用することが可能になれば、微細な回路の構成要素として、従来のシリコンデバイス回路を越える集積度を実現できると述べられている。
【０００４】
ところで、ＤＮＡはアニオン性の高分子電解質であり、水溶液中でカチオン性界面活性剤と反応させるとＤＮＡ−カチオン性脂質複合体を形成して沈殿する。生物はこの錯形成を使って遺伝情報を効率的かつ安全に保存しており、生命工学や薬学などの分野では、遺伝子を効率良く細胞内に送達する非ウイルス性ベクターとしても検討されている。将来、遺伝子治療や予防医学の強力な手段になると予想され、ＤＮＡ−カチオン脂質複合体の凝集構造や超分子構造を明らかにするために多くの研究がなされている。以上のようにＤＮＡ−カチオン性脂質複合体は材料自体の研究や生命工学、薬学分野への応用研究は進んでいるといえるが、電子工学分野や特にエネルギーデバイス分野への応用はほとんどなされていないのが現状であった。
【０００５】
一方、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物は二次電池の活物質として動作することが知られている。例えば、特許文献２及び３には、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物、アリールオキシラジカル化合物及び特定のアミノトリアジン構造を有する高分子化合物などがラジカル化合物として開示されており、このようなラジカル化合物を正極もしくは負極の材料とする電池が開示されている。しかし、これまで、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドに安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物は合成されておらず、その性質も知られていなかった。
【特許文献１】特開２００３−２１３０９８号公報（平成１５(2003)年  ７月３０日公開）
【特許文献２】特開２００２−１５１０８４号公報（平成１４(2002)年  ５月２４日公開）
【特許文献３】特開２００３−１８３４００号公報（平成１５(2003)年  ７月  ３日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上述べたように、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドは、遺伝子治療や非ウイルスベクターとしての可能性をはじめ、低次元伝導体としての可能性、さらには安定で強度の高い材料など、多くの可能性が考えられる。しかしながら、ポリヌクレオチドは、材料としてのバリエーションが少ない。それゆえ、これまでに安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物が結合したものは得られていなかった。
【０００７】
したがって、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的はエネルギー分野や電気化学分野、生化学分野で有用な新規なポリヌクレオチド脂質複合体、およびこれを含む電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、斯かる実情に鑑み鋭意研究を行った結果、ＤＮＡなどのポリヌクレオチドに、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物を結合させることで、エネルギー分野、電気化学分野、バイオテクノロジー分野などで有用な新規なポリヌクレオチド化合物が得られることを見出した。さらに、得られた新規なポリヌクレオチド化合物を薄膜状に成型することで電気化学的に活性な電極となることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明のポリヌクレオチド脂質複合体は、上記の課題を解決するために、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有していることを特徴としている。
【００１０】
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体では、上記安定ラジカルが、ニトロキシラジカルもしくはその誘導体であることが好ましい。
【００１１】
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体では、上記ポリヌクレオチドが、デオキシリボ核酸またはリボ核酸であることが好ましい。
【００１２】
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体では、ポリヌクレオチド脂質複合体中の脂質が、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有することが好ましい。
【００１３】
本発明の電極は、上記の課題を解決するために、上述のポリヌクレオチド脂質複合体を含有することを特徴している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基材となるポリヌクレオチドを選択することで、特定の遺伝情報に反応するセンサーや、薬剤の放出システム、エネルギーデバイス用電極を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体は、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有していることを特徴としている。
【００１６】
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体は、例えば、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ安定ラジカル化合物と、ポリヌクレオチドとを合成することにより得られるものである。
【００１７】
〔１〕安定ラジカル化合物
本発明において、安定ラジカル化合物は、安定ラジカルを有する化合物であれば、特に限定されない。なお、本発明では、安定ラジカル化合物をそのまま使用する他に、酸化還元反応などの簡単な過程で安定ラジカル化合物へと変換される非ラジカル化合物も実質的に含んでいる。このことにより、ラジカルが関与する反応を利用することができ、電極の用途を拡大させることができる。
【００１８】
本発明において、ラジカル化合物とは、不対電子、すなわち電子対をつくっていない電子を有する化学種である。従って、ラジカル化合物は、スピン核運動量がゼロではなく常磁性等の種々の磁気的性質を示す。このため、不対電子の生成はＥＳＲスペクトル等を測定することで観察することができる。ただし、本発明においてはＥＳＲスペクトルでシグナルが得られる有機化合物であっても、電子が非局在化したものは、ラジカル化合物とは言わない。このような非局在化した電子を有する化合物としては、ソリトン、もしくはポーラロンを形成した導電性高分子が挙げられるが、スピン濃度は低く、一般に１０１９ｓｐｉｎｓ／ｇ以下となる。
【００１９】
従って、本発明における「安定ラジカル化合物」は、平衡状態におけるスピン濃度が１０２０ｓｐｉｎｓ／ｇ以上である、電気的に中性の化合物のことをいう。このような安定ラジカル化合物が有する安定ラジカルとしては、例えば、ニトロキシルラジカル、窒素ラジカル、酸素ラジカル、チオアミニルラジカル、硫黄ラジカル、ホウ素ラジカル等が用いられ、一般式（１）、および一般式（２）あるいはいずれか一方の一般式で表される構造単位を含む有機化合物で主に表すことができる。
【００２０】
【化１】
2009059670.tif 000002
【００２１】
［一般式（１）中、置換基Ｒ1は、置換もしくは非置換のアルキレン基、アルケニレン基、またはアリーレン基であり、Ｘはオキシラジカル基、ニトロキシルラジカル基、硫黄ラジカル基、ヒドラジルラジカル基、炭素ラジカル基、またはホウ素ラジカル基である。］
【００２２】
【化２】
2009059670.tif 000003
【００２３】
［一般式（２）中、置換基Ｒ２およびＲ３は相互に独立であり、置換もしくは非置換のアルキレン基、アルケニレン基、またはアリーレン基であり、Ｙはニトロキシルラジカル基、硫黄ラジカル基、ヒドラジルラジカル基、または炭素ラジカル基である。］
このような安定ラジカル化合物としては、例えば、オキシラジカル化合物、ニトロキシルラジカル化合物、炭素ラジカル化合物、窒素ラジカル化合物、ホウ素ラジカル化合物、および硫黄ラジカル化合物などが挙げられる。
【００２４】
上記オキシラジカル化合物の具体例としては、例えば下記一般式（３）〜（４）のようなアリールオキシラジカル化合物や、下記一般式（５）のようなセミキノンラジカル化合物等が挙げられる。
【００２５】
【化３】
2009059670.tif 000004
【００２６】
［一般式（３）〜（５）中、置換基Ｒ4〜Ｒ８は相互に独立であり、水素原子、置換もしくは非置換の脂肪族あるいは芳香族炭化水素着、ハロゲン基、ヒドロキシル基、ニトロ基、ニトロソ基、シアノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、またはアシル基である。］
また、上記ニトロキシルラジカル化合物の具体例としては、下記一般式（６）のようなピペリジノキシ環を有するラジカル化合物、下記一般式（７）のようなピロリジノキシ環含有ラジカル化合物、下記一般式（８）のようなピロリノキシ環含有ラジカル化合物、および下記一般式（９）のようなニトロニルニトロキシド構造含有ラジカル化合物が挙げられる。
【００２７】
【化４】
2009059670.tif 000005
【００２８】
［一般式（６）〜（９）中、Ｒ8〜Ｒ１０は上記一般式（３）〜（５）の内容と同様である。］
また、上記窒素ラジカル化合物の具体例としては、下記一般式（１０）のような三価のヒドラジル基を有するラジカル化合物、下記一般式（１１）のような三価のフェルダジル基を有するラジカル化合物、および下記一般式（１２）のようなアミノトリアジン構造を有するラジカル化合物が挙げられる。
【００２９】
【化５】
2009059670.tif 000006
【００３０】
［一般式（１０）〜（１２）中、Ｒ１１〜Ｒ１９は上記一般式（３）〜（５）の内容と同様である。］
〔２〕本発明におけるポリヌクレオチドについて
本発明において、ポリヌクレオチドは核酸塩基とリン酸リボース鎖とからなる線状の構造をなす高分子生体物質であり、ヌクレオチドが繰り返し結合したものである。このうち、ヌクレオチドがエステル結合で重合したものは、ＤＮＡや各種のＲＮＡなどの核酸として知られている。本発明においては、ポリヌクレオチドは、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）であることが好ましい。本発明では、これらの種類は特に限定されないが、製膜性や取り扱いの容易さからＤＮＡが好ましい。本発明ではポリヌクレオチドは一本鎖から四本鎖のもののいずれでもよいし、三つ又もしくは四つ又の分岐構造をもつものであってもよい。また、塩基の数も特に限定されないが、通常は２個〜５０万個の範囲で利用される。
【００３１】
〔３〕本発明のポリヌクレオチド脂質複合体について
本発明のポリヌクレオチド脂質複合体は、上述の安定ラジカル化合物と、ポリヌクレオチドとを合成することにより得られる。
【００３２】
本発明において、ポリヌクレオチドと安定ラジカル、もしくは安定ラジカルを形成しうる安定ラジカル化合物との結合（合成）の種類・様式は、特に限定されない。通常、この合成においては、連結基およびポリヌクレオチドとの反応性基を介して安定ラジカルが結合される。ヌクレオチドの反応部位としては、リン酸基や塩基などが挙げられ、これに応じて反応性基が選択される。例えば、リン酸基に対する反応性基としてはピリジニウム基、アンモニウム基などが挙げられるがこれらに限定されない。
【００３３】
また、連結基としては直鎖、および分岐のアルキル基、アルキレンジオキシ基、フェニルジオキシ基、シクロヘキシルジオキシ基、フェニル基、ジ（エチレンジオキシ）基、トリ（エチレンジオキシ）基などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３４】
上述の合成により得られたポリヌクレオチド脂質複合体の一例を、以下の化学式１に示す。化学式１に示されたポリヌクレオチド脂質複合体は、安定ラジカル含む４種類の脂質とＤＮＡとが結合した化合物である。すなわち、化学式１に示されたポリヌクレオチド脂質複合体は、脂質の構造を含み、この脂質が安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を有している。
【００３５】
【化６】
2009059670.tif 000007
【００３６】
〔４〕本発明の電極について
本発明の電極は、上記のポリヌクレオチド脂質複合体を含むことを特徴としている。本発明の電極は、通常、導電付与剤（補助導電剤）、イオン伝導補助剤、バインダー（結着剤）等と組み合わせて成型される。
【００３７】
導電付与剤としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子が挙げられる。イオン伝導補助剤としては、高分子ゲル電解質、高分子固体電解質等が挙げられる。導電付与剤としては、特に、炭素繊維が好ましい。ポリヌクレオチド脂質複合体に導電付与剤としての炭素繊維を混合して成型することで、成型された電極は引張り強度が向上する。それゆえ、電極にひびが入ったり剥がれたりすることが少なくなる。また、上記の例示した導電付与剤は、単独でまたは２種類以上混合して用いることもできる。電極中のこれらの割合としては、０〜８０質量％が好ましい。
【００３８】
本発明では、電極の各構成材料間の結びつきを強めるために、結着剤を用いることもできる。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン・ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、各種ポリウレタン等の樹脂バインダが挙げられる。これらの樹脂バインダは、単独でまたは２種類以上混合して用いることもできる。電極中の結着剤の割合としては、０〜３０質量％が好ましい。
【００３９】
また、本発明の、ポリヌクレオチド脂質複合体を含む電極の作製方法は、特に限定されない。本発明の電極の作製方法の一例として、例えば、以下の(i)〜(iii)の手順の作製方法が挙げられる。すなわち、(i)、ポリヌクレオチド脂質複合体と前述の導電付与剤、結着剤に溶剤を加えスラリー状溶液を調製する、(ii)このスラリー状溶液を電極集電体に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させることにより電極が作製される、(iii)この作製された電極を対極し、セパレータを挟んで積層または巻回して外装体で包み、電解液を注入して封止する、といった方法である。
【００４０】
上記手順(i)において、スラリー化のため、すなわちスラリー状溶液調製用の溶剤としては、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジオキサンなどのエーテル系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミン系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、四塩化炭素等のハロゲン化炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのアルキルケトン系溶媒、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒、ジメチルスルホキシド、水等が挙げられる。また、電極の作製方法の他の一例としては、電極活物質、導電付与剤などを乾式で混練した後、薄膜化し電極集電体上に積層する方法もある。
【００４１】
電極の作製方法において、特に、有機物の電極活物質、導電付与剤などに溶剤を加えスラリー状にして電極集電体に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させる方法の場合、電極の剥がれ、ひび割れ等が発生しやすい。本発明の一般式（２）で表される部分構造を有するポリラジカル化合物を用い、好ましくは４０μｍ以上で３００μｍ以下の厚さの電極を作製した場合、電極の剥がれ、ひび割れ等が発生しにくい、均一な電極が作製できるといった特徴を有している。
【００４２】
上記スラリー状溶液（電極スラリー）を作製しやすくするために、増粘剤を用いることもできる。このような増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ヒドロキシエチル、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸ソーダ等が挙げられる。これらの樹脂バインダは、単独でまたは２種類以上混合して用いることもできる。電極中の増粘剤の割合としては、０．１〜５重量％が好ましい。
【００４３】
本発明の電極は、電気化学的に活性であるため、例えば基材となるDNAの塩基配列を選択することで特定の遺伝情報に反応するセンサーや、薬剤の放出システム、エネルギーデバイスなどに用いられる電極を提供することができる。
【００４４】
本発明は、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドに安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物を結合させた化合物、およびそれを含む電極である。
【００４５】
それゆえ、本発明のポリヌクレオチド脂質複合体は、安定ラジカルもしくは安定ラジカルを形成しうる構造を持つ化合物とポリヌクレオチドが結合した安定ラジカル置換ポリヌクレオチド化合物であると表現することができる。
【００４６】
また、本発明の電極は、上記安定ラジカル置換ポリヌクレオチド化合物を含む電極であると表現することができる。
【００４７】
以下、本発明のポリヌクレオチド脂質複合体の合成例、及び本発明の電極の実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の合成例及び実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００４８】
（合成例）
上記化学式１におけるＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（１）〜（４）で表される部分構造を有するポリヌクレオチド脂質複合体を、以下に示す合成経路に従い合成した。
【００４９】
脂質のテトラヒドロフラン溶液を純水中に投入し、均一な水溶液とした。これに、０．２質量％の鮭由来ＤＮＡ−Ｎａ（ＤＮＡナトリウム塩）水溶液を滴下したところ、直ちにＤＮＡ脂質複合体（ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（１）〜（４））が生成し沈殿した。２４時間攪拌後、沈殿物をろ過し、洗浄、乾燥してＤＮＡ脂質複合体の租精製物を得た。クロロホルムとテトラヒドロフランとを用いて再沈殿を２回行い、白色のＤＮＡ脂質複合体を得た。得られた化合物のＩＲおよび元素分析結果を示す。
ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（１）
Ｒ(ＫＢｒ)：
3440,2931,2857,1732,1639,1489,1369,1238,1173,1095,968,779,682,482  cm-1
元素分析実測値(計算値)：
Ｃ；56.25(56.60)、Ｈ：7.19(7.61)、Ｎ：10.54(10.62)、Ｐ：4.15(4.08)
ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（２）
Ｒ(ＫＢｒ)：
3440,2931,2858,1744,1646,1489,1365,1238,1173,1091,964,883,821,786,728,686,
520   cm-1
元素分析実測値(計算値)：
Ｃ；53.49(57.29)、Ｈ：7.41(7.85)、Ｎ：10.41(10.41)、Ｐ：3.89(2.97)
ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（３）
Ｒ(ＫＢｒ)：
3432,2931,2858,1744,1635,1465,1369,1273,1168,1091,960,810,682,522   cm-1
元素分析実測値(計算値)：
Ｃ；55.67(58.02)、Ｈ：7.78(7.97)、Ｎ：10.46(10.22)、Ｐ：3.85(1.92)
ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（４）
Ｒ(ＫＢｒ)：
3413,2931,2857,1732,1693,1947,1489,1365,1242,1173,1061,960,883,821,779,
682,524   cm-1
元素分析実測値(計算値)：
Ｃ；55.05(58.57)、Ｈ：7.64(8.05)、Ｎ：10.53(10.09)、Ｐ：4.02(1.13)
表１は、得られたＤＮＡ脂質複合体の収率等を示す。また、表２は、得られたＤＮＡ脂質複合体のＥＳＲデータをまとめた表である。
【００５０】
【表１】
2009059670.tif 000008
【００５１】
【表２】
2009059670.tif 000009
【００５２】
（実施例）
上記合成例にて合成されたポリヌクレオチド脂質複合体（ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（１）〜（４））を含む電極を作製した。そして、この電極を正極とした電池の特性を測定した。
【００５３】
ポリヌクレオチド脂質複合体（ＤＮＡ／Ｌｉｐｉｄ（１）〜（４））がそれぞれ１０ｗｔ％，炭素繊維８０ｗｔ％，及びフッ素系バインダー１０ｗｔ％からなる本発明の電極を作製した。本発明の電極を正極とし、金属リチウムからなる電極を負極とし、ＬｉＰＦ６１Ｍのエチレンカーボネート：ジエチレンカーボネート３０／７０の混合溶媒を電解液としたコイン型電池を作製した。作製した電池について、電池特性を計測機器製ＢＬＳ５５００を用いて測定した。結果を表３に示す。
【００５４】
【表３】
2009059670.tif 000010
【００５５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明はエネルギー分野、電気化学分野、生化学分野などにも適用できる。