博 士 （ 地球 環 境 科 学）佐 藤秀哉

学位論文題名
StudiesonD
NA‑conjug
atingh/IaterialsasS
eparating
Devices for Environmental Pollutants（環境汚染物質分離デバイスを指向したDNA複合材料の開発とその応用に関する研究）

学位 論文内容の要旨
人類 社会の拡 大、そし て科学技 術の進歩に 伴って人 為的に産 生された 化学物質は膨大な量 と種類に 及び、時 に公害の ような大規 模な災禍 を引き起 こす要因 となった 。近年には
内分 泌撹乱化 学物質に よる生殖異常誘発現象に代表される、環境中の微量物質による生態系への 負の影響 が報告さ れるなど、これまで認知されていなかったりスクの顕在化に対して懸念が 広がって いる。多 （の場合、それらの汚染実態の調査は非常に困難であるとされ、その最大 の原因と して対象 の環境中濃度が非常に稀薄であるのみならず、種々の夾雑成分や包摂成分と共に存在して｀、ることが挙げられる。そのため高感度分析を行う際Iこは多段階抽出や濃縮 を重ねる 煩雑な前 処理が不可避となる。また、対象系が巨大であることから分解処理の適用 も容易で はない。 このような課題を前に、特定の有害物質を選択的に分離回収しうるア
フ ィ ニテ ィ 一材 料 の 開発 は 有 望な 取 り組 み と して 世界中の 研究者の 関心を集 めている 。
本申 請者もま た、以前 より環境 修復・環境 浄化技術 に強い関 心を抱き 、内分泌撹乱化
学物 質を始め とする難 分解性化学物質を対象とする物質分離デバイスの開発をテーマとして
研 究 活動 を 行っ て き た。本申 請者はDNA（ デオキシ リボ核酸） と、ある 一群の内 分泌撹乱
化 学 物質 ・ 発が ん 性 物質との 間に見ら れる選択 的物質吸着 作用に着 目しDNAをホ スト物質と し て組 み 込ん だ 物 質分離シ ステムの 構築を目 指した。DNAは 遺伝子の 本体とし て生態遺伝機 構の根幹 を成す物 質であり、分子生物学の礎たる物質である。また、近年「二重らせん構造 」や「核 酸塩基対 の積層構造」などの特徴的な構造と、それらに基づ（種々の特異な物性からナノテクノ口ジー分野のキーマテリアルとして注目されている高分子量物質でもある。
前述 の物質吸 着作用tよ 、主とし て、DNAの積層 した核酸 塩基対が 形成する 疎水ドメインにー 1497―

環式化合物が取り込まれ安定化される「インターカレーション」という現象によるものであり 、他 の合 成高 分子 では 模倣し がた いDNAの ナノ オー ダーの規則構造が導（機能である。
過 去に もDNAを分 析デ バイ スと して 応用 する 取り 組み は少なからず報告されており、多（の場合には合成化学的手法を介してオリゴヌクレオチドを固相修飾するといった方法論が採られている。これらの材料は安定性において優れるものの絶対的な担持量に制約を課され、ま た、 その 合成 にお いて 精細な 技術 を要 する 。本 研究 はDNAを有害物質に対する吸着材として適用し、大規模な系に含まれる有害物質の分離技術へと展開することを目的とするもので ある 。故 に十 分量 のDNAが安 定に 担持 され 吸着 キャ パシティが確保されることが第一義であり、従来の合成化学的手法は必ずしも最善の選択肢ではない。しかし機能性材料としての DNAの 実際 的な 応用 まで を目 的と する 本研 究に おい て、材料の安定性の確保、即ち十分な機械的強度の付与と水溶性・生分解性の抑制は特に重要な課題である。本研究では固相固定 によ るDNAの一 安定 化を 図り、後述する材料化方法を用いて種々のDNA複合材料を得た。
第 一 章 で は 、 DNA分 子 間 での ラジ カル 架橋 反応 によ り不溶 性ゲ ルマ トリ ック スが 形成される現象を応用し、多孔質ガラス担体の表層にこれを固定することで材料化を行った。
DNAを構 成す る4種の 核酸 塩基として知られるA(アデニン）．T(チミン）・G(グアニン）・C(シトシン）の内、ピリミジン塩基として分類されるチミン、シトシンは紫外線感受性が高（適当な波長と強度の紫外線照射によって容易に二量体を形成することが知られている。本研
究ではシランカップリング反応を介して担体にアミノブロピル基を導入し、塗布・乾固したDNA層を 接着 、さ らに 全体 への 紫外 線照 射を 一定 時間 施して DNAマト リッ クス を不 溶イ匕
す る処 理を 施し た。 得ら れたDNA担 持体 は充 分な 洗浄 により未反応画分を除去した後に、その安定性と物質吸着特性を始めとするその性状f：ついて評価を行った。臭化エチジウムをモ デル 物質 とし た吸 着試 験の結 果か ら、 この 材料 がDNA結合性物質に対して高い吸着作用を保持していることが確認された。さらに、吸着された物質の脱着（濃縮）処理が種々のDNA凝縮因子の添加ないし有機溶媒での抽出操作により非破壊的に可能であることを見出した。
結合性物質の吸着と脱着が反復可能であることは、物質分離デバイスとしての要件を満たすものである。実際にオープンカラム型の濾過システムを試作し微量な試料溶液についてその分離／濃縮操作を行い、良好な結果を得た。
第 二章 では 、有 機無 機複合材料の有カな合成手段である「ゾルーゲル法」を応用してDNAとシリカを成分とする有機無機複合材料の作製を試みた。ゾルーゲル法は、反応性末端を有す る金属化 合物の均一溶液から加水分解反応と縮合反応とを経て、無機マトリックスを生成す る常温液 相合成法である。温度や溶媒、圧力等の影響による膨潤や収縮の少ない無機高 分子 を 構 成要 素 とす る こ とで 、 高い 送 液 圧と 多様な 溶媒環境へ の耐久性 が求めら れるHPLC用充填 材への応 用を図っ た。本研 究ではテト ラエトキ シシラン (TEOS)を酸触媒により部 分 加 水 分 解 し て 得 た 前 駆 体 溶 液 と 、 DNAお よ び ア ミ ノ プロ ビ ル トリ エ ト キシ シ ラン(APTES)を混合 してこれ をゲル化 、熟成処 理と脱塩処理を施した後、これを凍結乾燥して半透明粉 末状試料 を得た。 このDNAーシ リカ複合材 料についてもその安定性、物質吸着特性につ いて 評 価 を行 っ た。DNAに由 来する物 質吸着特 性の継承 の可否と材 料組成に は関連が みら れ、 最 適 化さ れ た複合材 料ではDNA結 合性物質 に対する 高い吸着作 用が得ら れた。ま た多 成分 系 に おけ る 競合吸着 処理では 、各成分 のDNAへの親 和性の差に 基づ（分 離結果が 得られた 。この吸 着物質は適当な極性の有機溶媒を用いた抽出操作によって脱着可能であり、DNA−シ リ カ 複合 材 料の 再 使 用性 も 確認 さ れ た。 この材料 は無機マト リックス 中にDNAを均一的 に分散し て保持することで、アルコール濃度やイオン強度の極端に高い溶液など、通常 はDNA分 子 の凝 集や 沈殿が発 生するよ うな溶媒 環境下に おいても安 定に性状 を保った 。
本 研 究 は DNAと の 相 互 作 用 を 有 す る 微 量 汚 染 物 質 の高 精 度分 析 お よび 回 収技 術 に関わる 有用な材 料を提案するものである。特定有害物質を選択的に分離回収するアフィニテ
イ ー技 術 の 発展 は 環境浄化 への道程 であり、 本研究で 開発したDNA複 合材料そ してそれ を基 に構 築 し た物 質 分離デバ イスは、 その発展 に大いに 貢献すると 考える。 またDNAは天 然におい て無尽蔵 に産生される未開発のバイオマスであり、これを高価値資源に転化することの 意義 は 非常 に 大き い 。こ の 点に つ いて も 本 研究 は 大い に 貢献するも のである。
本 研究 と その 成 果 は地 球 環 境科 学 なら び に生 態環境科 学研究に大 き（寄与 するものである と確信す る。

学位論 文審査の要旨
主査
副査
副査
副査

教授
教授
助教授
助教授

西 則雄
坂入 信夫
春木 雅寛
古月 文志

学位論文 題名Studies on DNA‑conjugating Materials as Separating
Devices for Environmental Pollutants（環境汚 染物質分離 デバイスを 指向したDN
A複合材料の開発と．

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その応 用に関する 研究）

近年、内分泌撹乱化学物質によるりスクに対して懸念が広まっている。それらの汚染実態の調査は非常に困難であるとされ、その最大の原因として対象の環境中濃度が非常に稀薄であるのみならず、種々の夾雑成分や包摂成分と共に存在していることが挙げられる。そのため高感度分析を行う際には多段階抽出や濃縮を重ねる煩雑な前処理が不可避となる。このような課題を前に、特定の有害物質を選択的に分離回収しうるアフイニティー材料の開発は有望な取り組みとして世界中の研究者の関心を集めている。
本申請者はDN
A（デオキシリボ核酸）と、ある一群の内分泌撹乱化学物質・発がん 性物質との問に見られる選択的物質吸着作用に着目しD
N
Aをホスト物質とし て組み込んだ物質分離システムの構築を目指した。DN
Aは近年「二重らせん構造」や「核酸塩基対の積層構造」などの特徴的な構造に基づく種カの特異な物性から、ナノテクノロジー分野のキーマテリアルとしても注目を集めている 。前述の物質吸着作用は、主として、DNAの積層した塩基対が形成する疎水ドメインに環式化合物が取り込まれる「インターカレーション」という現象によるものであり、他の合成高分子では模倣しがたいDN
Aの機能である。
本研究 はDNAを有害物質に対する吸着材として適用し、大規模な有害物質分離技術へと展開することを目的とするものである。本研究では後述する材料化方法を用いて種カのDNA複合材料を得た。
第一章で は、DNAの分子間ラジカル架橋反応を応用し、多孔質ガラス担体への固 定を行った。DN
Aの核酸塩基のうち、ピリミジン塩基は紫外線感受性

が 高 くあ る波長域の 紫外線照 射によっ て容易に 二量体を 形成する 。本研究で はシ ラ ン カ ッ プ リ ン グ 反応 を 介 して 担 体に ア ミ ノプ ロ ピル 基 を 導入 し て DNA層を 接 着 、 さ ら に 全 体 への 紫 外 線照 射 を一 定 時 間行 う こと で DNAマト リ ッ クスを 不溶化し た。臭化 エチジウム吸着試験の結果からは高い吸着能カが示された。
さ ら に 、 種 々 の DNA凝 縮因 子 の 添加 な いし 有 機 溶媒 で の抽 出 操 作に よ っ て吸
着 さ れた 物質の脱着 が可能で あること を見出し た。オー プンカラ ム型の濾過 シス テ ムを 試作し希薄 な汚染水 溶液にっ いて特定 成分の分 離／濃縮 操作を行っ たと ころ良好 な結果が 得られた。
第 二章で は、有機無 機複合材 料の有カ な合成手 段である 「ゾルー ゲル法」を応 用 し てDNAと シリ カ を 成分 と する 有機 無機複合 材料の作 製を試み た。ゾル―
ゲ ル 法は 、反応性末 端を有す る無機化 合物から 無機ゲル マトリッ クスを生成 する 常 温液 相合成法で ある。温 度や溶媒 、圧力等 の影響に よる膨潤 や収縮の少 な
い 無 機高 分子を構成 要素とす ることで 、高い送 液圧と多 様な溶媒 環境への耐 久性 が 求め られるHPLC用充 填材への 応用を図 った。本 研究では テトラエ トキシシ
ラ ン (TEOS)を 酸 触 媒 に より 部 分 加水 分 解し て 得 た前 駆 体溶 液 と 、DNAお よ び
ア ミノプロ ピルトリ エトキシシ ラン(APTES)を混 合してこれをゲル化、熟成処理と 脱 塩処 理を施した 後、これ を凍結乾 燥して半 透明粉末 試料を得 た。多成分 系
競 合 吸 着 処 理 で は 、 各成 分 の DNAへ の 親和 性 の 差に 基 づく 分 離 結果 が 得 られた 。 吸着 物質は適当 な極性の 有機溶媒 を用いた 抽出操作 によって 脱着可能で あり 、 DNA−シ リ カ複 合 材 料の 再 使用 性も 確認され た。この 材料は無 機マトリッ
ク ス 中 に DNAを 均 一 的 に分 散 し て保 持 する こ と で、 ア ルコ ー ル 濃度 や イ オン
強 度 の 極端 に 高い 溶 液 など 、 極端 な 環 境下 に おい て も 安定 に 性 状を保った 。
本 研 究 は DNAと の 相互 作 用 を有 す る微 量 汚 染物 質 の 高精 度 分析 お よ び回 収
技 術 に関 わる有用な 材料を提 案するも のである 。特定有 害物質を 選択的に分 離回 収 する アフィニテ ィー技術 の発展は 環境浄化 ーの道程 であり、 本研究で開 発し た DNA複 合 材 料 そ し てそ れ を 基に 構 築し た 物 質分 離 デバ イ ス は、 そ の 発展に 大 い に 貢 献 す る と 考え る 。 また DNAは天 然 に おい て 無尽 蔵 に 産生 さ れ る未開 発 のバ イオマスで あり、こ れを高価 値資源に 転化する ことの意 義は非常に 大き い。
本 研究と その成果は 地球環境 科学なら びに生態 環境科学 研究に大 きく寄与する ものであ ると確信 する。
審 査員一 同は、これ らの成果 を高く評 価し、ま た研究者 として誠 実かつ熱心で あ り、 大学院課程 における 研鑽や単 位取得な ども併せ 申請者が 博士（地球 環境 科 学） の 学位 を受 け るの に充分 な資格を有する ものと判定し た。