DNA 分子デザインのすべて
BIOMOD 虎の巻

分子ロボティクス研究会編

eBook Series No. 2
情報計算化学生物学会 (CBI 学会) 出版
ISBN 978-4-9909076-6-2

1

目

次

第１章 BIOMOD に参加しよう
1

DNA 分子デザインの世界へようこそ！

村田 智（東北大学）

2

BIOMOD とは

浜田省吾（コーネル大学）

3

BIOMOD の評価システム

藤原 慶（慶應義塾大学）

4

BIOMOD Jamboree の一日藤原 慶（慶應義塾大学）

5受賞プロジェクトから学ぶ必勝法

藤原 慶（慶應義塾大学）

6

BIOMOD カレンダー

多田隈尚史（京都大学）

7

グループワークのテクニック

野村慎一郎（東北大学）

8

Wiki 作成テクニック

多田隈尚史（京都大学）

9

YouTube ビデオ作成テクニック

浜田省吾（コーネル大学）

10

英語プレゼンテクニック

村田 智（東北大学）

11

BIOMOD で得たもの，得られるもの

藤原 慶（慶應義塾大学）

第２章 プロジェクトを始める前に
12

テーマを選ぼう！

村田 智（東北大学）

13

ブレインストーミングの方法

菅原 研（東北学院大学）

14

設計するとはどういうことか

村田 智（東北大学）

15

情報を手に入れよう

高畠芙弥（東北大学）

16

論文ってなんだ！

野村慎一郎（東北大学）

第３章 DNA 分子デザインでこんなことができる！
17

概論 構造 DNA ナノテクノロジーとは

浜田省吾（コーネル大学）

18

2 次元 DNA オリガミ

葛谷明紀（関西大学）

19

3 次元 DNA オリガミ

葛谷明紀（関西大学）

20

DNA タイル

浜田省吾（コーネル大学）

21

DNA 修飾ナノ粒子(SNA)

浜田省吾（コーネル大学）

22

DNA ハイドロゲル

浜田省吾（コーネル大学）

23

概論 DNA ナノマシン，ナノロボット

村田 智（東北大学）

24

DNA ピンセット

小宮 健（東京工業大学）

25

DNA ウォーカー

小宮 健（東京工業大学）

26

DNA ナノマシン

葛谷明紀（関西大学）

2

27

自律的な DNA 反応系

瀧ノ上正浩（東京工業大学）

28

概論 DNA コンピューティングとは

萩谷昌己（東京大学）

29

DNA 論理ゲート

萩谷昌己（東京大学）

30

DNAzyme 論理ゲート

川又生吹（東北大学）

31

エントロピー駆動ゲート

川又生吹（東北大学）

32

シーソーゲート

中茎 隆（九州工業大学）

33

DNAToolbox

34

DNA 状態機械

小宮 健（東京工業大学）

35

巡回セールスマン問題

萩谷昌己（東京大学）

Nathanael Aubert-Kato（御茶ノ水女子大学）
訳 川又生吹（東北大学）

第４章 基礎知識（お勉強編）
36

概論 どんな分野の勉強が必要か

小宮 健（東京工業大学）

37

熱力学の基礎知識

高畠芙弥（東北大学）

38

自由エネルギーと化学平衡

高畠芙弥（東北大学）

39

反応速度論

高畠芙弥（東北大学）

40

DNA の分子構造

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

41

DNA ハイブリダイゼーションの熱力学

瀧ノ上正浩（東京工業大学）

42

鎖置換反応

川又生吹（東北大学）

43

DNA の 2 次構造

田中文昭（産業技術総合研究所）

44

DNA 合成法

葛谷明紀（関西大学）

第５章 DNA をパワーアップする飛び道具たち
45

いろいろな酵素

多田隈尚史（京都大学）

46

ポリメラーゼ反応

浜田省吾（コーネル大学）

47

いろいろな制限酵素

多田隈尚史（京都大学）

48

いろいろな人工塩基

葛谷明紀（関西大学）

49

非ワトソンクリック構造

葛谷明紀（関西大学）

50

タンパク質モーター佐々木廉，角五 彰（北海道大学）

51

FRET と分子ビーコン

多田隈尚史（京都大学）

52

人工細胞とリポソーム（とその周辺）

野村慎一郎（東北大学）

第６章 ソフトウェアテクニック
53

概論 まず覚えたいソフトウェア

中茎 隆（九州工業大学）

54

文書・表・グラフ作成

中茎 隆（九州工業大学）

3

55

プレゼンスライド作成

村田 智（東北大学）

56

画像作成

中茎 隆（九州工業大学）

57

３DCG アニメーションの制作

津澤 卓，川又生吹（東北大学）

58

画像処理

野村慎一郎（東北大学）

59

動画編集

川又生吹（東北大学）

60

数値計算ライブラリ

中茎 隆（九州工業大学）

61

DNA 分子設計のためのソフトウェア

川又生吹（東北大学）

62

DNA２次構造予測

田中文昭（産業技術総合研究所）

63

配列設計

川又生吹（東北大学）

64

DNA オリガミの設計

多田隈尚史（京都大学）

65

DNA オリガミのシミュレーション

川又生吹（東北大学）

66

DNA 分子モデル作成

川又生吹（東北大学）

67

DNA 論理ゲートシミュレーション

川又生吹（東北大学）

第７章 実験テクニック
68

概論 実験するとはどういうことか

野村慎一郎（東北大学）

69

実験の組み立て方

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

70

安全について宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

71

プロトコルの読み方

宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

72

DNA のオーダーの仕方

葛谷明紀（関西大学）

73

その他の試薬の入手

佐々木廉，角五 彰（北海道大学）

74

ピペット操作鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

75

各種用液・バッファー作成

鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

76

アニーリング浜田省吾（コーネル大学）

77

DNA 濃度/純度測定

小宮 健（東京工業大学）

78

いろいろな精製法

葛谷明紀（関西大学）

79

電気泳動法

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

80

電気泳動の評価

川又生吹（東北大学）

81

蛍光分光光度計

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

82

UV 分光光度計

川又生吹（東北大学）

83

光学顕微鏡

鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

84

原子間力顕微鏡

葛谷明紀（関西大学）

85

電子顕微鏡

多田隈尚史（京都大学）

86

微粒子測定

宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

87

フローサイトメータ／セルソータ

野村慎一郎（東北大学）

88

表面プラズモン共鳴測定

野村慎一郎（東北大学）

4

89

リポソーム作成法

90

マイクロ/ナノビーズ技術

91

いろいろな分析手法（MS, NMR, CD)森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）
野村慎一郎（東北大学）
早川雅之，森田雅宗，
瀧ノ上正浩（東京工業大学）

宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

第８章 実験してみよう（実践編）
92

DNA タイルの作製と AFM 観察

浜田省吾（コーネル大学）

93

DNA オリガミの作製と観察

多田隈尚史（京都大学）

94

DNA ゲートの作製と観察

川又生吹（東北大学）

95

DNA ピンセットの作製と観察

川又生吹（東北大学）

5

コラム
1

分子ロボ研究会と分子ロボプロジェクト

村田 智

3

MOLBOT 賞

藤原 慶

4

1 日が 25 時間になる日

藤原 慶

4

ボストンの楽しみ方藤原 慶

5

審査員を信用しないこと

藤原 慶

12

著作権について村田 智

14

MIRACLE村田 智

18

DNA オリガミでつくったパラパラマンガ

葛谷明紀

20

DNA ブリック

浜田省吾

20「閉じた」DNA ナノ構造

浜田省吾

32

複雑な計算回路

中茎 隆

40

RNA

森田雅宗，瀧ノ上正浩

43

タンパク質の構造

田中文昭

44

水気厳禁！

葛谷明紀

46

PCR 法

浜田省吾

47

ギブソン・アセンブリー

多田隈尚史

47

遺伝子全合成多田隈尚史

48

便利なビオチン-ストレプトアビジン相互作用

葛谷明紀

54 TeX とは

中茎 隆

60

統計処理ソフト R

中茎 隆

62

BLAST

田中文昭

78

DNA オリガミの精製

葛谷明紀

85

生きた生物を電子顕微鏡で観察する

多田隈尚史

87

イメージングサイトメータ

野村慎一郎

90

Biomolecular

早川雅之，瀧ノ上正浩

90

マイクロゲルビーズ作製法

Rocket早川雅之，瀧ノ上正浩

67The Tales of Order 東北大学

82014 年

第1章
BIOMOD に参加しよう

9

1．DNA 分子デザインの世界へようこそ！
DNA を代表とする生体高分子の配列をデザインして，複雑なナノデバイス，ナノ構造を創り出すことが可能になってきた．これは分子レベルからのモノづくり革命であり，近い将来，20 世紀のシリコン半導体技術に匹敵する巨大な技術体系に発展していくだろう．無限の可能性を秘めた分子デザインの世界へようこそ！

■

いうことだ．

人工物と生物の根本的な違い！？

私たちの身の回りには，金属でできたもの，プラス■

生物の原理によるモノづくりへ

チックでできたもの，木や土でできたものなど様々

1950 年代のワトソンとクリックによる DNA の発見

なモノがある．これらはいずれも材料の塊を削った（☞ 41）からはじまった分子生物学は，ライフサイ

り，型に流し込んだりしてその形が作られている．

エンスという科学の一大分野に発展している．生物

建築物，機械，日用品など，基本的にはどんなモノというシステムを構成する部品のひとつひとつのしもこの方法で作られている．この方法では材料の塊くみが徹底的に調べられ，部品と部品の間の関係もと，それを加工するための道具や工場が必要だ．

どんどんわかってきた．R. Feynman は“What I

一方，生物のからだはどう作られているか？生物

cannot create, I do not understand”と言ったそうはほかの生物を食べ，食べた物質を分解して自分のだが（その対偶をとれば，原理がわかれば，そうい体につくり変える．道具も工場もつかわない．信じうモノが作れるということ），こうした分子生物学のられないくらい複雑な化学反応でもって，物質を形発展の中で，生物の原理をつかって，人工的なモノと構造を持ったシステムに変えていくのだ．我々のをつくろうという発想が生まれてきた．その始まり

からだを構成する細胞は，きわめて精密に合成されが N. Seeman の DNA でナノ構造を作る研究(1984

た無数の生体高分子からできている．それは，これ年)である．彼は DNA を遺伝情報の担体として見ずまでに人間が創り出した最高に精密な半導体回路よに，単なるナノ構造の材料だと思えば，一定の塩基

りもはるかに精密で，はるかに大規模だ．

配列をもつ DNA を混ぜるだけで，さまざまな形の■ナノ物体を作れる，ということに気付いたのである．

生物のしくみ～セントラルドグマ

DNA によるモノづくり

現在，生物の中で起こっている化学反応はかなりよ■

くわかっている．その大筋は，DNA→RNA→タンパ

実は，現在においても，望みの形や機能をもつタンク質という 3 種類の高分子の変換反応である（セン

パク質を作る（そのアミノ酸配列を決定する）こと

トラルドグマ）．ここでは，高分子鎖の配列（塩基配は，非常に難しい問題である．アミノ酸は 20 種類あ列やアミノ酸配列）が本質的な意味を持つ． DNA

り，それを数百から数千個鎖につないだものがタン

は遺伝情報を保存する高分子であり，4 種類の塩基

パク質である．したがって N 個のアミノ酸からなる（A,C,T,G）がひも状に連なったものである．それが，タンパク質の配列は 20N 通りもあり，この配列空間

RNA という別のひも状中間体に一旦写し取られ（転があまりにも莫大であるため，望みの配列を探し出

写），さらにそれがアミノ酸の配列，すなわちタンパ

すことができないのである．ところが，DNA の場合ク質に変換（翻訳）される．こうして作られるタン

は，A,C,G,T の 4 種類しか塩基の分子がないので，

パク質のかたちや性質は，大元の DNA の塩基配列

その配列は高々４N である．これならばパソコン程度

によってきまる．生物のいろいろな機能は主にタンの計算力でも十分に探索可能である（☞

パク質によって担われている．言い換えれば，生物

1990 年代の終わりころから，このことを背景として，の機能はすべて DNA の塩基配列に書かれているとDNA だけを素材として，いろいろな分子部品をつく

10～DNA 分子デザイン

63，64）．

る試みがはじまっている．これが，BIOMOD の主題のだが，DNA 分子デザインの世界で，まさに同じこでもある DNA 分子デザインである．

とが起こっているのである．すなわち設計可能な
DNA の塩基数はすでに数万のレベルに達しており，
今後さらに増加していくだろう．大規模かつ複雑な人工物が分子デザインのレベルからつくられる時代がもうすぐそこまで来ているのだ．

■

構造 DNA ナノテクノロジー（☞ 17）

DNA を使っていろいろな形のナノ構造を組み立てるのが構造ナノテクノロジーだ．DNA オリガミと呼ばれる手法が代表的なもので，コンピュータを使って非常に複雑な形の分子を設計する分子デザインの中核ともいえる技術である．最近は DNA ナノ構造とタンパク質や脂質など他の分子を組み合わせる研

コラム 分子ロボ研究会と分子ロボプロジェクト究も盛んになっている．
（☞ 49）

DNA コンピューティングの研究は日本でも早い■

DNA コンピューティング（☞ 29）

時期から行われている．Wiplash PCR(☞35)や

DNA の相補性をうまく利用すると，溶液中のあるDNA メモリ（☞28）はその成果だ．計測自動制

DNA の濃度が論理演算の結果に対応するような反御学会の調査研究会として 2010 年に発足した分

応系がつくれる．この分野は最近急速に進歩してい子ロボティクス研究会は，DNA コンピューティン

て，いまや数百個の論理ゲートを含むような複雑な

グと構造 DNA ナノテクを融合させ，さらにロボ

分子計算回路をつくることができる．

ティクスにまで発展させようという野心的なグル■ープである．

分子ロボティクス(☞ 24)

DNA で構造をつくり，それにセンサーやアクチュエ

http://molbot.org/

ータ，そして DNA コンピュータを組み合わせたもこのグループが提案した科研費の大型研究プロジのが分子ロボットである．分子ロボットは，環境のェクト新学術領域「分子ロボティクス」（2012 年

中で自律的に判断して行動するような分子サイズの～2016 年年度）が採択され，実施中である．

システムであり，たとえば，病気の細胞を見つけて

http://www.molecular-robotics.org/

薬を放出するといったことを目指している．構造

その目的のひとつに学生の啓蒙，若手研究者の育DNA ナノテクノロジーにより，静止した(static な）成があり，BIOMOD の全面的な支援を行ってい構造はある程度作れるようになってきているが，動る（☞ 2）．

く（dynamic な）構造の作り方はまだよくわかっていない．これからの研究分野だ．

参考文献■ DNA 分子デザインにおけるムーアの法則

萩谷，西川，DNA ロボット，岩波書店，2008 年

ムーアの法則というのは，集積回路の実装密度が指小宮他，DNA ナノエンジニアリング，近代科学社，

数関数的に増加してきたという経験を法則にしたも2011 年
村田 智（東北大学）

11

2．BIOMOD とは
これまでの大会の歴史，開催に至るまでの背景，日本のロボコンとの関連などについて解説する．

■ はじめにらしい工学の分野のひとつに DNA ナノテクノロジ

ようこそ，BIOMOD へ．おそらく，このハンドブッー (DNA Nanotechnolgy)というものがある．DNA

クを手にしたみなさんは，これから数ヶ月のあいだ，

ナノテクノロジーは，もともと 1980 年代に米国のアイディア出しから最終発表まで，数々の試行錯誤

Seeman という化学者が，タンパク質の結晶化を促を経ながら，いままでにない新しい分子ロボットやすための「ナノスケールの足場」を DNA でつくれ

デバイスをつくるというまたとない経験をすることないか，という発想をしたことに始まる．DNA の二になるだろう．ただ具体的に何かをはじめるその前重らせんを組み合わせてかたちを作るという彼の発に，まずはこの BIOMOD という大会について理解

想は，30 年余りの時とさまざまな研究者の試行錯誤

しておくことが大切だろう．本セクションでは，こを経て，Rothemund による「DNA オリガミ」（DNAの BIOMOD がいかなる意図をもってどういう経緯

Origami）とよばれる自在な形のナノ構造作製手法

で始められたのか，その背景について簡単に解説すの開発に結実する．じつは「形状」だけではなく，る．

核酸を利用した「センサー」として機能するアプタ
マーとそれを探索するための手法の開発，鎖置換と■ 背景よばれる手法を用いた「情報処理機構」や擬似的なここ数十年の間にわたる分子生物学や有機化学など「駆動手法」の開発といったそれぞれの要素技術にの発展で，生体分子についての理解は格段にすすん

ついてもひととおり出揃いつつある，というのが 21だ．なかでも目覚ましい発展を遂げたのが，DNA や

世紀初頭の状況であった．(それぞれの技術の詳細，

RNA など，核酸やそれと関連した諸項目についての参考文献等については各トピック・コラムをご参照

包括的な知識である．有名なワトソン・クリックのいただきたい．)

二重らせん構造の発見にはじまり，酵素による操作

こういった技術的背景のなか，生体分子を扱う技法の確立，人工塩基によるあらたな機能性の付与な術を駆使することで，生物とは異なる，ブラックボ

ど，基礎科学の進展とそれを背景とした技術の開発

ックスなしのシステムを分子レベルから設計して組が，現代のバイオテクノロジー・ナノテクノロジー

み立てられるかもしれない，という発想に至るのはというあたらしい工学の礎となっている．つい数十

極めて自然な流れだろう．このような発想は次第に，年前までは，工学という方法論では到底てなずける

先に紹介したようなセンサーや情報処理機構，駆動ことができないと考えられていたこれらの対象も，手法などの構成要素を，DNA を始めとしたさまざま

我々は生物学や化学，情報工学などの発展のおかげな分子で作製し，これらをひとつに統合した「分子でそれを理解し，この理解をもとにしてものづくり

ロボット」をつくる，という具体的な構想として研に利用しようとしている．そのような歴史的な転換究者の間で次第に共有されることとなる．日本でも点に，いままさにわれわれは立ちあっているのであ2010 年 2 月に「分子ロボティクス研究会 [1]」が計る．

測自動制御学会の調査研究会としてたちあがり，この構想を実現するための準備を進めてきた．2015 年■ DNA ナノテクノロジーと BIOMOD

現在，この組織をもとにして新学術領域「分子ロボ

核酸にまつわる科学が進展した結果，生まれたあたティクス」[2]が発足，BIOMOD 日本チームの参加

12母体としても数多くの支援を行っている．じつはこ行った．やはりその背景としては，日本ではこれまの本も，この分子ロボティクスグループのメンバーで長年行われてきた機械のロボコンが定着していたとしてご活躍されている第一線の先生方のご執筆にことで，とくに iGEM を経験した国内の研究者を中よるものである．

心に，この手の大会の枠組みには改善するべき点がそのような状況の中，2010 年，米国の複数グルーあるというコンセンサスがあらかじめ形成されていプより，DNA オリガミを構造の核とした，分子ロボ

たからではないかと考えられる．さらに今回は機械ットの「プロトタイプ」ともよべる例が発表された系のロボコンにより近いテーマ（分子でロボットを[3,4]．これが決定的なきっかけとなり，分子ロボッ作る）であることも，この議論の後押しをしたといト論文の著者のひとりでもある米国の Douglas によえる．

り 2010 年の末，はじめての BIOMOD 開催が世界のその結果，できるだけ公平な審査を行えるような各研究グループに打診されることとなった．

評価基準の導入と，長期的にはより機械のロボコンに近い形で競技をおこなえる布石となるような，ロ■ 日本のロボコンとの関連

ボコン型競技の試験開催・分子ロボティクス賞創設

以上のような流れをひもとくとわかるように，このの提案を行うこととなった．分野の発展と次世代のBIOMOD とロボットという発想には密接な関係が研究者育成に適した iGEM 型の大会形式に，これまある．開催の打診をうけ，日本の研究者たちがこので機械系のロボコンが培ってきた，オープンかつわ

大会を作るうえでどのような点で貢献できるかを考かりやすい評価基準というエッセンスを導入するとえた際にも，その発想の根底としてあったのは，日いう，全く異なる出自を持つふたつの「ロボコン」

本で盛んな機械系のロボコンの知見をいれることはの良い点を融合するような試みを提案したといえる．
これらの提案は採用され，点数に基づく評価基準

できないか，という点であった．
当初の予定では，BIOMOD は合成生物学におけるについては現在もほぼ同様の内容で運用されている．

学 生 大 会 ， iGEM (International Genetically

ロボコン型競技と分子ロボティクス賞については，

Engineered Machine competition) [5]の仕組みをそ2011 年の初回に，全体の大会の枠組みの中でパイロっくりそのまま借用した大会形式を検討していた．

ット大会という位置づけで実施したものの，大会内

分野を活性化するという側面から言えば，規格化さでさらにロボコン型競争を行うにはいささか時期尚れた方法論を適用することで飛躍的に発展した

早であるという結論に至った．現在では，全チーム

iGEM の枠組みをそのまま利用し，DNA オリガミとのうち，分子ロボティクス分野の発展にもっとも貢それを簡便に設計できる CAD を同様な方法論とし献したプロジェクトに与えられる特別部門賞として，て大会に適用することで，BIOMOD，ひいては分子

その内容は引き継がれている．

ロボティクス分野全体についても同じ発展を期待で参考文献きるだろう，というのがその理由である．
この内容に対し，我々日本の研究グループは，分[1] 分 子 ロ ボ テ ィ ク ス 研 究 会

http://molbot.org

野の発展という側面だけではなく，教育という観点[2] 新 学 術 領 域 「 分 子 ロ ボ テ ィ ク ス 」

からもこれを考えたうえで，評価のプロセスが少々

http://www.molecular-robotics.org

不透明な iGEM の仕組みをただそのまま適用した大[3] Douglas, S. M. et al. Science 335(6070), 831–

会とするのではなく，分子ロボコンに適した，参加

834.

する学生や教員にとってもより公平で見通しの良い[4] Lund, K., et al. Nature 465(7295), 206–210.

大会に進化させたほうがよいのではないかと議論を[5] iGEM http://www.igem.org
浜田省吾（コーネル大学）

13

3．BIOMOD の評価システム
BIOMOD は Wiki，YouTube，プレゼンの 3 項目で勝敗が決まるが，勝つためには評価システムの理解が必須である．この節では BIOMOD にはどのような賞があるのか，どのような採点形式で賞が決まるのかについて詳しく説明する．
■ BIOMOD の評価概略■ BIOMOD の評価システム

BIOMOD 参加チームは，プロジェクトの詳細を記

総合順位は 100 点が満点であり，内訳は Wiki がした Wiki とプロジェクトを 3 分程度で分かりや50 点，YouTube が 25 点，そしてプレゼンが 25

すく解説したプロジェクトビデオ(YouTube)を，本点である．各項目がどのような基準で評価される大会の約一週間前にアップロードする．そして本かについては，評価基準(Judging)のページ[1]に全大会において，12 分以内でプロジェクトについてて記述されている．審査員自身も，このページにプレゼンを行う．これらの 3 項目により，総合順

書かれている項目を読んで審査の仕方を学ぶため，

位と金・銀・銅賞の受賞が決定する．

評価基準を熟読してきちんと理解することが，き■ BIOMOD の賞の種類

ちんと評価される Wiki，YouTube，プレゼンを構締切までに Wiki と YouTube をアップロードして築する道しるべとなる．

いていれば銅賞，それに加えて 1 つでもパーツが評価基準の理解は，コンテストを制覇するためできていれば銀賞を受賞できる．さらに，銀賞のに最も重要なプロセスの 1 つである．世界を変え要件を満たした上で，トップ 50%に入ったチーム

うる革新的なプロジェクトを成し遂げても，評価には金賞が与えられる．

されるポイントを無視しては勝つことはできない．

多くの賞は上位 3 チームに与えられる．Wiki，■ 審査員の割り当て方

YouTube，プレゼンはそれぞれの点によって，総各項目の審査は BIOMOD 参加チームのメンター

合順位はこれらの 3 項目の合計点で順位が決まる．

と，外部の専門家によって行われる．この審査はいずれの項目においても，2016 年 3 月時点では，匿名で行われるが，自分のチームを採点すること

これらの主要項目において 1 位になった日本のチはない．各チームの Wiki と YouTube のセットにー ム は 東 北 大 チ ー ム の み で あ る (2012 年 にはランダムに 5 人の審査員が割りあてられる．一YouTube 1 位，プレゼン 1 位，総合優勝、2015

方，プレゼンはその場にいる審査員該当者が全員

年に YouTube 1 位，総合優勝)．Wiki に関しては，で採点する．いずれも，最高点と最低点をつけた

2014 年東北大チームの 2 位が日本過去最高である．

審査員の点は除外され，残りの審査員の平均点で決まる．

総合順位には関係しないが，プレゼンに対して■ Wiki の評価基準

学生参加者が投票することによって決定する観客賞も存在する．例年，観客賞とプレゼン賞はほぼ

Wiki はプロジェクトのアイデア(20 点)と，記述の同じ顔ぶれが並ぶ．

質(20 点)，プロジェクトの達成度(10 点)に分けて

他に 2 つ，1 チームだけが受賞できる賞がある．

採点される．

参加者による投票で決まるベスト T シャツ賞(日プロジェクトのアイデアは，①アイデアの質(5本では 2013 年に東工大チームが獲得)と，日本の点)：科学的もしくは工学的に興味深いものとなっ分子ロボティクス研究会が後援する MOLBOT 賞ているか？，②ゴールの明確性(5 点)：何を持って(詳しくはコラムにて解説)がある．

プロジェクトが達成されたとするかをきちんと設

14

定してあるか，③プロジェクトの妥当性(5 点)：設

コアが高いと高くつく．上位では差がつかない項定してあるゴールに向かうため，ひと夏でできそ目になるが，雑音の 1 つ，動画の乱れ 1 つで簡単うな解決法を用いているか？，④手法の質(5 点)：に減点される項目なので，しっかり稼げるようク

提案する解決法は良いものか？エレガントか？革

オリティを上げることが大事である．

新的か？，に分けて採点される．

■ プレゼンの評価基準

記述の質は，①明確さ(10 点)：プロジェクトの内容(10 点)，出来栄え(10 点)，インパクト(5 点)

背景と動機，手法，結果，ディスカッションが，の 3 項目で評価される．

よく記述され理解しやすい文章となっているか？

内容は「スライドは理解しやすいものになって図自体やその説明は分かりやすくなっているか？，

いるか？プロジェクトはしっかりとした動機と結②アクセスの良さ(5 点)：生データやソースファイ

果をともなって，筋の通った一本道の流れでもっルに簡単にアクセスできるようになっているか？

て説明されているか? 」が問われる．出来栄えは別の人間が結果を再現しようと思ったときに，迷「よくリハーサルされていて，ほどよいペースでうことなくできる記述になっているか？，③レイ

プレゼンが行われているか？観客ときちんと意識

アウトの質(5 点)：プロジェクトのページは明確か

し，アイコンタクトをしっかりと取っているか？」つロジカルになるような配置になっているか？，が問われる．そしてインパクトは「プレゼンは聞に分けて採点される．

いてよかったと思えるものか？面白いか？賢いな，と感じるようなものか？記憶に残るようなもの

達成度は純粋に「設定したゴールに向けて達成か？」が問われる．

した度合はどれぐらいか？」が問われる．
■ YouTube の評価基準

コラム MOLBOT 賞

全体的なインパクト(10 点)，分かりやすさ(10 点)，
出来栄え(5 点)の 3 つで評価される．

MOLBOT 賞は日本の分子ロボティクス研究会がスポンサーとなっている賞であり，その年の全体的なインパクトは，「ビデオは興味深く面白

BIOMOD において最も分子ロボティクスに貢献いものか？視聴後，もう一回見たいと思うようなしたプロジェクトに与えられる．投票は審査員にものか？」が問われる．きれいな映像，面白いとよってなされるが，本大会のプレゼンによって評思わせる工夫，意外性あるストーリーが問われて価される．そのため，この賞をゲットするにはプいると思えばよい．ちなみに 4 分を超えるようなレゼンでいかに分子ロボットを構築したか，とい

ビデオはもう一度みたいとは思わない場合が普通うことをアピールする必要がある．

である．時間にも注意を．

この賞に関しては日本チームが強い．第三回ま分かりやすさは「いろんな種類の視聴者が見てでは全て日本のチームが制している．2014 年に初

分かりやすいようにできているか？」が問われる．

めて日本以外であるコロンビア大チームが受賞し基本，どのチームが行うプロジェクトも分かりづた．今後，激戦となることが予想されるが，分子らいものなので，それを分かりやすく(＝きちんとロボットを創るテーマは難易度が高いため敬遠さ説明する，ではないので注意！)語る工夫が求められがちであり，コンセプトが良ければ完成度が不れる．この点，歴代の 1~3 位のチームはいずれも十分でも獲得できる場合も多い．ぜひ，この本を良くできているので参考にしてほしい．

読んだ諸君に狙っていって欲しい賞である．

出来栄えは「映像，音楽，画像はクオリティが高

参考文献

く，適切な解像度とアスペクト比が維持されてい[1] http://biomod.net/judging/

るものか？」が採点される．大体の場合，他のス
藤原 慶（慶應義塾大学）

15

4．BIOMOD Jamboree の一日
BIOMOD はアメリカのマサチューセッツ州にあるハーバード大学において Jamboree (ジャンボリー)が行われる[1]．ジャンボリーとは，日本語でいうならお祭りのように楽しむ大会，ということである．本大会，とも呼ぶべきこのお祭り前後の日々がどのようなものかをここで紹介する．
■ BIOMOD ジャンボリー周辺のスケジュールが慣例である．発表 12 分，質疑応答 3 分のサイク

Wiki と YouTube をアップロードし，プレゼン準

ルで，次々とチームが発表していく．発表は堅く備に励む一週間を経て向かう先は BIOMOD のスーツで決めたプレゼンスタイルを貫くチームや，

Jamboree(ジャンボリー，本大会)である．

緊張感伝わるチーム，仮装や小ネタにより会場をジャンボリーは主に 3 つの日程に分けられる．

盛り上げるチーム，演劇や掛け合いのスタイルで受付を行う初日，プレゼンを行う 2 日目，そして聴衆の興味を引くチームがいるなど，まさにお祭

表彰式がある 3 日目だ．

りである．当日の雰囲気は BIOMOD の facebook■ 1 日目：受付

ページ[2]に行き，写真を見れば十分に理解できる

成田からの直通便，もしくはシカゴやミネアポリと思う．

スなどで乗換えてボストンのローガン空港に到着．

午前と午後に 1 回ずつ 15 分ほどの休憩時間があそこから Silver Line というバスのような列車でる．ここではコーヒーとお菓子片手に休憩したり，South station へ．さらに Red line に乗り換え

発表の直前であれば最後の確認を行うことができCentral 駅へ行く．ここから徒歩 5 分ほどで例年る．昼食は例年通りであればビュッフェ形式で，のメインホテル，Le Méridien に到着する．ホテ

各々食べている．さすがに大会の最中であるので，

ルのロビーにて，チャーリーカード(日本でいう

ピリピリした雰囲気も強く，広く交流が行われる

Suica)と，ネームカード，そして BIOMOD オリ

状況ではない．昼食の前後に陽気なカメラマンに

ジナル T シャツをもらえば受付けは終了である．

よる全体写真の撮影，休憩時間に個別チームの撮

20:00 までに間に合わない場合はジャンボリー当

影が行われる．[2]がその写真である．
発表が全て終われば，その日は終了である．ボ

日の朝に大会会場にて受付することになる．
初日は例年，ホテルの会議室がレンタルされてストンで有名なロブスターや，アメリカンサイズ

いて，予約制ではあるがプレゼンの練習を行うこのステーキを食べに行くグループなど，自由に食とができる．ここできっちり練習し，最後の詰めを楽しむことができる．2013 年はジャンボリーのを行うかが当日のプレゼンの出来を分けていると夜に交流パーティーが行われた．ただし 2014 年思われる．これに加えてホテルの一室で深夜までには行われず，今後どうなるかは不明である．

練習するチームもいる．大会当日に練習している
コラム 1 日が 25 時間になる日

チームは何かしらミスをする傾向が見てとれるの

例年，BIOMOD が行われる 11 月 1 日の夜はで，前日までにきっちり準備しておこう．

summer time が終了を迎える．これは，深夜■ 2 日目：ジャンボリー開始の 2 時からもう 1 回 1 時が始まることを意味す

2 日目，いよいよジャンボリーが始まる．ハーバ

る．深夜であるため，ベルがなるとか，特別なード大学の 1 部屋に集合し，朝の 8 時頃からセッ

催しなどは，全くない．しかし，日本では体験ションが始まる．まずは Shawn Douglas 博士のできない特別な夜であることは間違いない．

あいさつから始まり，そして順々発表，となるの

16

■ 3 日目：ジャンボリー終了

慶さ・英語力の不安から消極的で内輪にこもる傾

3 日目は，2013 年までは最初から，2014 年から向があるが，ぜひ世界の様々な学生と会話してみは 2 日目にあたったチームのプレゼンの後に，メよう．あいさつし，どこの国の大学か尋ね，自分

インスポンサーである Autodesk によるセミナー，

らのチームはこうだがあなたのチームはどうかな

そして表彰式が行われる．表彰式ではまず銅・銀・ど尋ねてみれば会話が始まる．相手のプロジェク

金賞の順に発表され，賞状が渡される．次に，各トを知っていれば感心したポイントを述べてみる

項目や MOLBOT 賞，総合順位などが順番に発表と話が膨らむかもしれない．今まで見た中で，話される．YouTube に関しては 2013 年より上位 3

しかけられてイヤがるチームは存在しない．強いチームの受賞作品が会場の大スクリーンにおいてて言うならば，英語を話したくない日本チームの大音響と共に放映される．写真撮影はあるが，受諸君が最も会話をイヤがる集団に見える．

賞チームのスピーチなどは現在のところない．

他の国と比べ，日本チームは日本チーム同士でジャンボリー終了後は，自由参加の Wyss 研究固まって話す傾向がある．それゆえ，他の国のチ所の見学ツアーが組まれることもあるが，帰りのームからすると話かけ辛い雰囲気があると思われ飛行機まで自由時間である．ハーバード大や，ボる．なので，こちらから会話するしかない．世界

ストンの散策にぜひ出かけよう．楽しみ方はコラ大会に来たのに，日本人と仲良くなって終わった

ムにて紹介しているので参考にしてほしい．

というのは悲しくないだろうか？ぜひ，世界を広■ 他チームとの交流

げてみてほしい．

BIOMOD は色々な国の学生が参加している．ジャ参考文献

ンボリー中の休憩時間，昼食時間，夜のパーティ[1]2016 年よりハーバード以外の大学，アメリカ以外

ーなど，少しの勇気と英語力があれば，どこの国の国でも行われる可能性があるの学生と話すことも可能だ．日本人の諸君は内弁[2] https://www.facebook.com/biomod/

コラム

ボストンの楽しみ方

BIOMOD が終われば長い戦いから解放され久々の自由の身！晴れ晴れとした気分でボストンを満喫できることだろう．お土産売り場やショップ，ごはん処などがずらりと並ぶクインシーマーケット，大リーグのレッドソックス本拠地セーフコフィールド，ボストン美術館など，観光名所がずらりと並ぶ．
大学巡りも楽しい．本大会の会場であるハーバード大学はレンガ風のクラシックで厳かな建物が並
ぶ．リスがたたずみ雰囲気で，過ごして落ち着くキャンパスである．少し足を運んだ先にあるマサチュ
ーセッツ工科大学(MIT)は見た目からして一風変わった建物が多い．中に入ると，これまたジョークで創成された芸術作品が置いてあることもある．ちなみに MIT のセンスで作られた芸術作品が並ぶ MIT
博物館もオススメスポットである．また，この時期の MIT では BIOMOD 同様の学生大会である iGEMが開催されている(注：2014 年の大会より MIT ではなくなった)ので，ふらっと訪れてみると世界が広がるかもしれない．
最後に，お土産を買う一風変わった場所を 2 つ上げる．1 つ目が．ハーバード大の生協．広く，様々
なお土産が売っている．Harvard University の文字が入ったパーカーは，多くの学生が買って帰るお土産の 1 つである．もう 1 つが，Le Méridien の隣には夜遅くまで空いている大きなスーパーがある．
お酒は売っていないが，1L サイズのエネジードリンクから，まさにアメリカというべきサイズのお菓
子袋まで，さまざまなものが売っている．スーパーの値段のため少し安いのも魅力である．
藤原 慶（慶應義塾大学）

175．受賞プロジェクトから学ぶ必勝法
BIOMOD は生体分子を用いたデザインコンテストであり，非常に自由度の高いコンテストである．この節では，どういうプロジェクトが評価されたのか，どういう組立てがプロジェクトの評価が高かったのか，Wiki，
YouTube，プレゼンの各項目ごとに，過去の受賞チームの内容を参考に説明していく．

■ 歴代の総合優勝プロジェクト

論理演算や DNA の増幅を行う場合である．これ

第 1 回から 4 回まで，総合優勝したプロジェクトはおそらく，審査委員の多くは設計と完成度に高を紹介しよう．1 回目は医療応用に使えそうない点を与えるものの，今ひとつ何をしているのか

DNA/RNA ナノ構造体である．siRNA という治療がつかみづらいため，プレゼンや Wiki の分かりやに使える可能性がある薬を保持したナノスケール

すさの項目が減点されやすいからだと思われる．

の 8 面体が，細胞に実際に作用することを示した．

A-B-C，D-B’-A’のような記号文字(専門の人はこの第 2 回は細胞に穴を開け，能動的に DNA を運ぶ方が分かりやすいと言うかもしれないが，一般向

DNA ナノ構造体のプロジェクトである．DNA のきではない)ではなく，分かりやすい概念の図や喩取り込みにポーターという DNA の伸び縮みを利えを用いることで補うのが良いだろう．

用した取り込みシステムが特徴であった．第 3 回■ 評価された Wiki の例

は生体でのイメージングに有用な素材であるナノ

全チームの過去の Wiki は全て読むことができる

ダイヤモンドを DNA ナノ構造体と組み合わせる[1]．もしデータを消しているチームがあってもそことで，配置自由度を上げたシステムである．第こは Wiki．過去の編集を探ってアクセスすること

4 回はつながった物質の協同性を利用し，DNA ナ

が可能である．

ノ構造体が環境中の物質を認識して「精度良く」良くできた Wiki の例として，2012-2014 のド光るセンサーである．

イツ Dresden チームや，2012 の東工大チームの■ 評価されやすいプロジェクト

Wiki などがあげられる．BIOMOD 必勝フォーマ

歴代優勝プロジェクトを見ると分かるように，共ットというべきものは 2012 年のハーバード大チ通しているのは DNA で創られたナノ構造体を用

ーム，2013 年の LMU チーム，2014 年の東北大

いていることである．そもそも BIOMOD が設立

チームの Wiki である．特徴として，ゴールと結果されたきっかけ自体が DNA によるナノスケールがマッチしている上，1 つ 1 つの審査項目に対しでの自由自在な分子配置技術の発展であり，このて簡潔に述べてあり，採点上減点しづらい．
Wiki に関してはどこまで達成できたかを示す

技術を基盤にしたプロジェクトは高い評価を得ら図を載せるのが良い．この場合，審査員はこの図れる傾向にある．
一方，BIOMOD の例年の傾向として，評価が低を元に Wiki のデータと対応させ，適切に評価するいプロジェクト分野が存在する．これはタンパクことができる．達成図がないと，目的に対して到質を主役としたシステムの構築分野だ．おそらく，達できていないところを探す工程になりやすく，

生命の多くのシステムがタンパク質の組み合わせ

減点されやすくなる．

によって成り立っているため，生命を超越したも

ここで夢のない話をすると，達成度と実現可能のを組み上げないと設計が不十分と判断されるか性が 15 点を占め，面白さや革新さの配点が 5 点しらではないだろうか．

かないことから，そこそこ面白くて(面白さ 3 点)，
現実的で達成度が高いテーマで 12 点ほど稼ぐ方

評価が分かれるのが DNA の配列特異性により

18

が全体としてのポイントが高くなる．なので，1や理解できないところを攻撃し，それに対しもうつアドバイスするならば，医療や工業製品のよう片方がその問題を解決するよう話を進めると，聴に役立つまでの道のりが遠く(そしてありふれて衆の理解と共感を得られやすい．上記のような周いて)減点されやすいものより，きちんと組み立て

到な準備は，プレゼンの出来栄えの項目にそのまられるユニークな素材を組み上げる方が良い．

ま評価されるようになっている．

■ 評価された YouTube の例

スライド制作にあたり注意することは，どのス

YouTube に関しては，「ひたすらにキレイな動画

タイルでプレゼンを行った場合でも共通である．

で分かりやすく説明する派(キレイ派)」と「コメデ流れに関してはプレゼンの組み立て方の節(項目ィで分かりやすく説明する派(コメディ派)」が優勝

10)を参考にしてほしい．加えて，今までの傾向かを争っている．ようは分かりやすいのは当たり前

ら見るに，文字を減らしてアニメーションを多くで，クオリティで勝負するか，面白さで勝負する

した方が理解されやすいことも付記しておく．

か，のいずれかになる．2011. 2013, 2014 年は，

発表時間は短い分には問題ない(長い場合は悪前者が制し，2012 年は後者が制した．2 位以下は

い印象になるため，減点される可能性がある)．東コメディ派が優勢である．

北大チームがプレゼン賞を制したときも，発表時キレイ派で勝つために「穴のないプロジェクト

間は 10 分程度であった．

案(こじつけではいけない)」と「ひたすらにクオリどうしてもプレゼンの文章を覚えられない場合，

ティが高い動画作製」が必須である．優勝を狙う

人形が話しているように振る舞い裏でナレーターのであれば，3D ならば 2013 年の，2D ならば 2014

が読み上げる形式，メンバーが客席からカンニン

年の優勝作品並みのクオリティが欲しい．

グペーパーを紙芝居で見せる形式，手や持ち物(うコメディ派で勝つためには，単なるギャグでは

ちわ，巻物など)に忘れやすい文が書いてある手法

世界共通の笑いを得ることは難しい．シリアス系など，うまくプレゼンの一部に組み込んでしまう

コメディ(代表例は 2012, 2013 の東北大チーム)か，方法もあるので参考にしてほしい．

普通に面白い動画(代表例は 2011-2013 までの東コラム 審査員を信用しないこと

工大チーム)を目指すと良い．

学生諸君はよく誤解しているが，「書いてある」ちなみに，YouTube では必ずしも結果を語る必もしくは「説明した」から理解してもらえると思要がないので，プロジェクトアイデアは良いが結うのは間違いである．審査員が 1 つのチームに果が出ていないチームでも技術と脚本で制するこ

かける時間は非常に短く，通常 15 分，長くて 1とができる．実験に詰ったら YouTube に全力を！

時間である．このような短い時間で審査員に「分■ 評価されたプレゼンの例

かってもらう」ためには，ロジックが明確かつ一プレゼンにおいては，学会発表ではない，という本道であるだけでは不十分である．図だけ見て分ことを理解しよう．プロジェクトに興味があるとかる，文章の長さが必要十分な長さに達するまでは限らない，そしていつも集中力があるわけでは推敲されている，個々の実験を行う理由と結果かないのが審査員である．彼らにいかに魅せるか，

ら導かれる解釈がきちんと記述されている，1 度

それが勝敗を決める．そのために今までの上位チ見ただけでプロジェクトが凄いと伝わるよう扉

ームは劇形式，グッズやキャラクターの使用，掛絵が工夫されているなど，様々なことに気を使わ

け合いなど，聴衆の興味を引くと同時に分かりやねばならない．

すく伝えるための様々な工夫を行っている．特に，参考文献

２人以上の掛け合い形式を取り，片方が結論の穴[1] http://openwetware.org/Wiki/Biomod藤原19

慶（慶応義塾大学）

6．BIOMOD カレンダー
この章では，主な日程を紹介すると共に，チーム作りを概説する．BIOMOD は期限の決まったチーム競技であるので，どのようなチーム体制とするかは非常に重要である．集まったメンバーや，研究室のバックアップ
体制によって，適切な形態が違うので，自分達の実情に合わせて，編成するのが良い．

■ BIOMOD の主な日程

や”DNA ナノエンジニアリング”といった教科書を使BIOMOD は春に始まり，初冬に終わる．短くも長い用し，必要な章を割当て，発表してもらう形式を取半年間であり，通常の授業に加えての活動となるのった．ただし，座学の比重を高くしすぎると，プロで，日程は比較的タイトである．

ジェクトアイデア出しにかける時間・エネルギーが大まかな日程は下記の通りである．

少なくなってしまい，また，授業の延長な感じとなりがちで，受身の態勢となりやすいので，注意が必要である．文献は，東大柏チームでは 1 人 2 報程度，持ち回りで紹介した．そして，これらの知識を元にアイデアを出していく．アイデア出しもプロジェク
トの成否に重要であるので，項を改めて後述する．

まず，4 月にチーム結成がある．有志での参加，研究室での参加，等，色々な結成方法がある．チーム
メンバーは少なすぎず，多すぎず，が肝要である．
BIOMOD のホームページ(HP)では，10 人以下を推奨しているが，4 人から 10 人が適切な規模と思われる．
チームメンバーのバックグラウンドには，できるだ
け多様性が良いという考えと，ある程度均一な方が夏休みになると，実験開始である．実験は，チー

良いという考えがあるが，これは，チームの実情やムによって，全員がする場合と，実験担当者のみが好みによるので，どちらでも良いと思われる．多様する場合とあるが，チームの実情に合わせて，判断性があると，色々な考えや手法を持ち込める半面，すれば良い．東大・柏チームの場合は，基本的に全フォーカスがブレ，プロジェクトが発散してしまう

員が実験をする形とし，夏休みは(お盆等を除いて)リスクがある．一方，均一な集団は，意思疎通がし

週 3 日以上の活動とした(実際は，もっと活動していやすい反面，考え方が似たり寄ったりで，アイデアるメンバーが多かった)．

出しに苦労する面もあるかもしれない．メリットを

夏休みも１ヶ月たつと，国内中間大会である．例

生かし，リスクを減らすにはチーム編成が重要であ

年，東大の本郷キャンパスで 9 月頭に開催されているが，項を改めて後述する．

る．この国内中間大会では，チームの方針を決める

チームが出来たら，次は，基礎知識の習熟(講義や事が主な目的であり，プロジェクトを完成させる必教科書)や，プロジェクトアイデアを得るための文献要はない．とはいえ，本番と同じ形式で採点される読みである．東大柏チームでは，”細胞の分子生物学”

ので，それなりの準備は必要だ．また，発表は英語であるので，発表だけでなく，英語にも慣れておく

20必要があるだろう．中間大会の結果は，必ずしも本作成も時間との戦いとなりがちであるが，イチから大会の結果と相関しない．悔しさをバネに本大会で作図する場合と，既に図がある程度完成している場

大活躍したチームも多数あるので，たとえ，中間大合では，雲泥の差があるからである．

会の結果が悪かったとしても，体勢を立て直し，本大会に向けて頑張れば良い．

■ アイデア出しについてあっという間に夏休みが過ぎ，秋に入ると，本大

プロジェクトの成否はアイデアの良し悪しがかなり会の準備である．実験にプレゼン準備だけでなく，の比重を占める．であるので，アイデア出しにはでwiki や YouTube の準備もしなくてはいけないので，きる限りのエネルギーと時間を割こう．

かなり忙しい．上手く作業を分担する必要があり，アイデアが全く浮かばない場合は，過去のプロジ

チーム力が要求される．

ェクトを少し変えてみたり，皆でブレーンストーミ

本大会は，ボストンでの発表だ．外国チームを前ングをするのも良いかもしれない．あるいは，身近に緊張するだろうが，どのチームも同じなので，出な事で解決したい事を探してみるのも一助である．

来るだけ準備して，普段の力を出そう．準備量は本

ただし，ブレーンストーミングは楽しいものの，様々番に如実に現れる．また，BIOMOD では，劇形式でなアイデアを言いっ放し，という状況になり勝ちでの発表が多いので，過去の発表を良く研究し，聴衆あるので，整理する人を立てたり，翌週にフィードの心を掴もう．

バックをする等の工夫が必要である．考えたアイデ
アは，未熟な状態でも良いので，皆の前で発表し，(可■ チーム体制について能であれば本番同様)，採点をしてみると，そのアイ

サークルやバイトと同様，一番重要なのはリーダー

デアの強みと弱みがはっきりし，最終的に特定アイである．ただし，集まったメンバーによって，必要デアを選ぶ際の参考になると考えられる．東大・柏とされるリーダーのタイプが異なり正解はないので，チームでは 2-3 人 1 組で毎週アイデアをプレゼンす

基本は希望者にやってもらう事が良い．全体のリーるというのを 1 ヶ月(週 1 回で計 4 回程度)，行い，最ダーの他に，東大・柏チームでは，実験リーダー等

終的に投票でテーマを選んでいた．テーマが決まっも置いた．これは，プロジェクト全体を統括するチ

たら，メンターや TA と良く相談し，どのような実験

ームリーダーが実験のリーダーも兼ねると，実験のをするか，どこまでを目標とするかを決めると良い．

状況に引っ張られてしまい，冷静な判断ができない

また，必要であれば，プロジェクトの途中で現実にためである．BIOMOD は短期競技であるので，理想あわせて，方向転換をする場合もあるかもしれない．

と現実，短期と長期のバランスを判断し，プロジェ

国内中間大会はその良い契機となるので，十分に活クトを出来る限り前進させる必要がある．その際，用しよう．

リーダーは，一歩引いた立場から，物事を判断できる形の方が良い．一方で，実験の遂行に責任を持つ

参考文献

実験リーダーも必要である．実験リーダーは，全体[1] 細胞の分子生物学を俯瞰し判断しているリーダーとのコミュニケーシ

第5版

ニュートンプレス(2015/1/12 に英語版は第 6 版が出版された)

ョンの元，実験をどのように進め，どこまでを目標[2] DNA ナ ノ エ ン ジ ニ ア リ ン グ 近 代 科 学 社とするかをメンターや TA 達と相談しながら，決め，(2011/5/9) 小宮健(著), 瀧ノ上正浩(著), 田中文昭

実際に実験をするメンバーと情報を共有しながら，(著), 浜田省吾(著), 村田智(著), 萩谷昌巳(編集),進めると良い．その際，折に触れて，データの整理

横森貴(編集) ; ISBN-13: 978-4764904026

を心がけておく事が肝要である．というのも wiki の多田隈尚史（京都大学）

21

7．グループワークのテクニック
BIOMOD ではほとんど研究経験のない学部学生がチームを組み，半年でテーマ立案・計画・実験・資料作成・発表などを仕上げる．必勝には，このグループワークをいかに効率よく行えるか[0]が重要なファクターである．
これまで有効であった／今後有効になるであろうテクニックを概観する．

■ グループワークとは

場合は終盤苦労する．東北大は学生居室の一角と恵グループワーク（チームワーク）の起源は旧石器時まれており，身内ながらこれは羨ましい．ちなみに

代，集団で狩りを行った時代にまでさかのぼる．個々

個人のアパート部屋はおすすめしないリストのかなの力では太刀打ちできない大物を仕留める上で，参り上位だ．場所の装備として，速いインターネット

加者間の連携つまり組織の力が必須になる[1]．プロ

回線，そしてホワイトボードは必須．磁石で紙資料

ジェクト成功への 3 要素としてよく「人・物・金」も貼れる．デジタル黒板など全デジタル記録は魅力が挙げられるが，人の連携で他の２つが活きる．

的だがまだ高価で応答が遅くテキストと図との混在■ 分業しよう書きの認識が悪い．紙資料もホワイトボードも携帯万能の人と呼ばれたレオナルド・ダ・ヴィンチもひ

電話で撮影してデジタル化→共有，が簡便．ミーテ

とりで BIOMOD には勝てないだろう．リーダー，

ィング頻度は週 1 回，秋から終盤は週２回〜随時，デザイナー，実験係，Web 係，Youtube 係，BGMというのが東北大での経験である．カレンダーをミ係，CG 係，プレゼンターなど，活躍時期を考えて分ーティング場所の全員の見易い位置に 11 月まです業をしておくとよい．スタンドプレーから生じるチ

べて並列に張り出すとスケジュールの共有がしやすームワークだけ[2]で戦えるのが理想だが，プロジェ

い．週単位で数えると短期決戦が実感できる．アド

クトの性質が明らかで，個人の特技が不明な場合にバイザ先生の予定も記入できて便利．

役割分担は有効．プロジェクトが進行したら，得手■ ミーティングの内容

不得手から係の見直しも考慮しよう．BIOMOD 未経

全体スケジュール／現在の課題／工程表／各人役割

験の新人の得手分野は見えづらい．お互いの才能を分担の確認，情報共有と対応策の議論．アイディア見いだせるような雰囲気作りは大切．20 歳あたりは出しは最重要な課題と考えられがちだが，後述．

個体の力がかなり面白く出てくるが，個人の力の加■ ミーティング進行のポイント

算を合計以上にするために，ミーティングと情報共・司会・仕切りはリーダー．面白い奴でなくていい．

有がある．

・記録係は必須，ミーティング直後に全員回覧．

■ グループワークのサイクル

・資料は人数分準備しておく．スライドだけで一方〆切まで（☞ 6）の間，「ミーティング（状況確認，

通行の情報伝達は不足である．

分業，〆切確立）→個別作業（実験，データ処理，・問題点は整理しておく．

資料作成）→ミーティング→個別作業→ミーティン

・先送る場合，期限と担当者を決める．

グ...本番！」となる．

・参加してくれたアドバイザに感謝．

■ ミーティングをしよう

・個人攻撃はしない．

脳が別なので，チームにはミーティングが必要にな

・ミーティング後に議論を蒸し返さない．気になるる．気軽に集まれて多少騒いでも大丈夫なミーティ

場合は課題として次のミーティングで．

ング兼作業場所の確保は重要である．大学のサーク・時間>>>>(越えられない壁)>>>>お金

ル部屋や有料会議室もあるが，アドバイザから遠い定期的なミーティングは気配りの機会にもなり，メ22

ンバーの心と体の健康にも良い．元気に戦おう．

よいかもしれない．いま思いついた．

■ アイディア出し・Evernote：強力メモツール．速い．グループ共有

BIOMOD はアイディア命，だとよく言われる（☞

機能は 2015 年 3 月現在まだ重い．

12）．確かにアイディアが秀逸だと盛り上がるし半減

・訪問：超有効．親しき仲にも礼儀あり．初対面や期が長い，学部生がプロと被って勝負になるかも，

忙しい相手には事前のアポとりと時間厳守が必須．

というあたりも異様に楽しいところだ．なので，ブ・電話：早い．安定．しかし手軽なのに強制的に相レインストーミング（☞ 13）はミーティングと別に手の時間を奪う，諸刃の剣．緊急時は迷わず電話．

時間をとることをおすすめする．しかし実現可能か■ データ共有の手段

どうかの検証，というハードルが最も高く時間を要

グループワークでも BIOMOD でも，材料のあるする．妄想を高め合える仲間は貴重だが，ミーティ

者が生き残る．実験ノートは必ずつける．実験デー

ングで必要以上に時間を長引かせないことが重要だ．

タや発表用データなど，デジタルデータは参加者全

個人の力として，持ち寄ったアイディアを披露し切員がアクセスできるクラウドストレージが便利．誤った時点で，すぐに善し悪しが判断できないようでって消去しないよう編集には十分注意する．

あれば力不足．宿題として練り直すか，筋がよさげ

Google Drive 無料 15GB，
One Drive 無料 15GB，であればアドバイザに投げるかしよう．もちろん，Drop Box 無料 2GB，iCloud 無料 5GB などがある．

アドバイザの予想を超える（出し抜く）ネタがだせ

自前のサーバは安全だが管理が大変な仕事．東北大

ればより楽しい．科学が本職のアドバイザは，既存

では歴代 Google Drive を使用している．データを上の常識を出し抜いて評価されてきた人々なのだ，出げたらその連絡を忘れずに．取り扱うファイル形式

し抜かれて嬉しくない筈がない．

の統一は重要で，終盤の編集合戦で効いてくる図の■ 情報を共有しよう

背景は「透明」，静止画は.PNG が軽くておすすめ．

情報が共有されないと，お互い知らずに同じ作業を動画は(☞ 9,59)，静止画は(☞ 56,57)，その他重要コ

行う・繰り返すなど悲劇が生まれる．人対人の通信

ンテンツについては(☞ 54,56)を参照されたい．

手段が多様な時代である．ミーティングの日程や場■ さいごに所，出欠連絡などに必要な全員の連絡先を把握してBIOMOD は他人に評価される大会である．よりよくおく．個人情報管理は注意しよう．

評価されるためには，あらかじめより多くの人に評・e-mail：必須．礼儀正しく．メーリングリスト宛

価を仰いで，対策を講じておくべきである．様々にのファイル添付は避ける（クラウドへのリンク推奨）

いただいて出尽くしたコメントから何を選び何を捨・Twitter：速い．安定．告知用．議論に不向き．

てるのか，がチームにかかっている．本番で貰うコ・Facebook：まあ速い．論文紹介やミーティング前

メントに初見のものがあるようではだいぶまずい．

後での相談など．生実験データ置き場には向かない．

ツッコミと受けはチーム力として日々鍛えておこう．

・Line：速い．安定．連絡用．潤滑油役．

参考文献

・Skype ほか TV 会議システム：基本個人 vs 個人で[0] 組織論はビジネス書コーナーに山積みなので，街の情報交換．事前準備されたデータの確認と方針相の図書館でからだにあったものをえらぼう．

談．意思決定が電話より早い気がする．顔の効果か？

[1] 孫武「故に善く戦う者は、之を勢に求めて、人に・Google ドキュメント：速い．まあまあ安定．同時責めず」孫子, 五勢篇, (-515).

編集が可能なので，Skype チャットしながら参加者[2]攻殻機動隊 S.A.C., 5, (2002).

みんなで議事録編集合戦をするとはかどる．これをプロジェクタに映し出してアイディア出しをすると野村 M. 慎一郎（東北大学）

23

8．Wiki 作成テクニック
Wiki は BIOMOD コンテストにおいて，配点比重が高く，非常に重要である．また，レイアウトも含めてチームの個性が顕著に現れるので，十分に注力すべきである．具体的操作は 53-59 章も参照の事．
■ Wiki について合は非常にまれである．
今後の BIOMODer，

Wiki は，総合点 100 点のうち，50 点をしめ，勝敗あるいは BIOMOD のページを参考にするの鍵を握る．コンテストで良い成果を上げるため研究者等の参考となるために，プロジェクトには，いかにわかりやすく，面白い Wiki を構築すで得られた点と，課題を整理して，記述する

るかが重要である．

と良い．
5. プロトコル

Wiki の配点
・ アイデアについて(20 点): 良し悪し，実現可能性

論文同様，Wiki も，見た人が追試できなけ

等

れば，せっかくのプロジェクトが埋もれてし・ 記述(20 点): 見易さや，的確な記述がなされていまう．できるだけ，丁寧に，わかりやすく，

るかどうか

プロトコルを記載しよう．上手くまとまって・ 達成度(10 点)：目標を達成できたかどうか

いると，来年以後の後輩が参考にしてくれます．
6. チームについて■ Wiki の構成について
Wiki は複数のページから構成した方がわかりやチームのメンバーについて，紹介する．また，

すい．大体の構成は下記のようになる．

BIOMOD では，様々な場面でスポンサーの方々のお世話になっているので，スポンサー

1. トップページ
プロジェクトの概要と成果が一目で分かるの方がに対する謝辞やリンクも忘れずに記

ように，図と YouTube から構成される場合

載する．

が多い．プロジェクトの概要が分かるように■ Wiki の作成方法

しているチームもある．

OpenWetWare を用いる方法と GitHub を用いる方

2. プロジェクト概要

法がある．

背景や目的を記す．図を交えながら，簡潔に記す．特に，”なぜ，DNA ナノ構造体を用い

OopenWetWare は直感的に操作でき，また，第一る必要があるのか”をわかりやすく記述でき回大会から用いられてきたので，スクリプトも含ていれば，なぜ，そのプロジェクトを行う必

めた蓄積がある点が良い．さらに，画像や動画も要があるのかが明瞭となる．

簡単に取り扱える．ただし，同じページを複数人で編集ができないので，締め切り間際では，声が3. 実験・計算

届く場所で作業をしないと，作業効率が悪い．

単にやった事を並べるだけでなく，story だてて，わかりやすく図を並べる．図が多くな

GitHub は，2014 年度から導入された方法で，複りすぎる場合はメインでない図を数人による同時編集が可能であったり，また，変supplement(補章)に載せるのも 1 つの手．

更履歴が残っているので，間違って変更してしまった際に簡単に元のバージョンに戻すことができ

4. ディスカッション

る．あるいは，変更箇所に色をつけてピックアッ

当初の目論見どおりプロジェクトが進む場

24

プ表示してくれるので，複数人での編集に便利な

http://html-color-codes.info/japanese/点にある．一方で，HTML に習熟する必要がある

また，web 検索や，過去 iGEM や BIOMOD のサので，ある程度スキルがある人物が集まっている

イトも参考になる．例えば，下記サイトでは小技

チーム向きかもしれない．

が掲載されている
http://2008.igem.org/Team:Chiba/Internal/foredi■ Wiki 作成のコツ

tWiki 作成は，本番直前だけに作業をすればよいわ[2] 動画関連

けではない．普段から，得られた結果を加工してPremiere Pro CC ス ー パ ー リ フ ァ レ ン ス for

おく事が，効率の良い Wiki 作成には肝要である．

Windows&Macintosh,

そのためには，実験を始める前から，あらかじめ，(2013/8/20)

story を示すためには，どのような結果を得る必要

978-4800710048

があるかを考え，想定図を書いておくと良い．初AFTER EFFECTS ANIMATION ABC, 翔泳社

めはなかなか想像ができないかもしれないが，過(2007/3/16); AC 部(著) ISBN-13: 978-4798112992

去の文献を参考にしたり，メンター，TA のアドバ

[3] Maya 関連

イスを得ながら，準備する．このトレーニングはMaya 教科書 1 - モデリング&質感設定の基礎 -,研究室に入った後も役に立つので，普段から意識

ボーンデジタル (2009/11/26); 川上理恵(著), 村

した方が良い(ゴールから逆算して行動する)．

上 和 徳 ( 著 ), 加 藤 諒 ( 編 集 ) ISBN-13:

また，テクニカルなポイントとしては，あらか;ソ ー テ ッ ク 社

阿 部 信 行 ( 著 )ISBN-13:

978-4862461100

じめ，Wiki に up する図の体裁(サイズ，フォント)

Maya 教科書 2 - キャラクター制作&アニメーシを決めておき，Wiki 担当者等に集めておくと，効ョンの基礎, ボーンデジタル (2010/3/26); 川上理

率の良い Wiki 作成が可能となる．その際，図のタ恵(著), 河野紀子(著), 村上和徳(著), 加藤諒(編集)

イトルや説明，考察等も添付しておくと，図の加ISBN-13: 978-4862461117Autodesk Maya ビジ

工・upload する担当者に情報を上手く伝達でき，

ュアルリファレンス 3 (ビジュアルリファレンス

作業の際にいちいち説明する手間が省ける．

シ リ ー ズ ), ワ ー ク ス コ ー ポ レ ー シ ョ ン

Wiki のもう一つの難関が英語である．分かりや(2011/9/28);

すい英語を書くためには，文献を良く読み，テク

田 中 憲 二 ら ( 著 )ISBN-13:

978-4862671141

ニカルタームや表現に慣れるとともに，早めにメンターや TA 等に原稿を渡して，手直ししてもら
うと良い．

参考文献
[1] Wiki 関連
HTML5&CSS3 レ ッ ス ン ブ ッ ク , ソ シ ム(2013/5/24) ; エ ビ ス コ ム ( 著 ) ISBN-13:
978-4883378722
どんな色でもカラーコードに変換してくれるサイト
多田隈尚史（京都大学）

25

9．YouTube ビデオ作成テクニック「良い」動画をつくるのにも，ある程度方法論というものがある．審査員にあなたのプロジェクト内容を説明する入り口となるこの YouTube ビデオ，その作成のヒントをご紹介する．
■ なぜビデオが大切なのか

かつインパクトのある話にするというのが，良いBIOMOD がほかの学生コンテストと一線を画すビデオを作るうえで最も大事な点である．

評価基準，そのひとつがこのビデオ審査である．

じつは，プロジェクトの内容を決めるアイディ

プロジェクトの内容を紹介する 2-3 分程度のビデ

ア出しの段階で，これはもうある程度決まってくオを，Youtube や Vimeo などのオンラインビデオ

る．頭の片隅で，動画にしたら面白くなりうるか

サイトにアップロードし，その内容で点数が決定（もしくは，このアイディアをどうやったらインする．採点基準は以下のとおり：

パクトのある内容の話にすることができるか），というのをプロジェクトのブレインストーミングのオンライン・ビデオ（全 100 点中 25 点）

段階から常に考えておくようにしよう．

・全体のインパクト Was the video interesting?
Did you want to watch more than once?（10 点）■ 計画
これまでの様子をみるに，大概最後残り 1 ヶ月く・明瞭さ Was the project described in a simple
and clear manner that could be easily

らいになってから，慌ててビデオをこしらえるチ

understood by a wide audience?（10 点）ームが多い．よっぽど慣れていない限り，これは・品質 Was the sound and video high quality?

できるだけ避けたほうがよい．オススメは，アイWere the images focused and scaled properly?

ディア出しの前後，それぞれのメンバーの性格や（5 点）

趣味がわかってきた時点で，まずは責任者（監督）

ビデオは，あなたのプロジェクトを紹介する入を指名しよう．監督は，これまでのビデオを観てり口となる．第一印象は大切だ．大体の人はまず勉強するとともに，自ら手を動かして，カメラワ

ビデオをみて，もっと詳しい内容まで真剣に読むークや動画編集などの練習をしておくのが良い．

かどうかを決めてしまう．そう，それは審査員と（もし音楽や CG の担当も兼ねるようなら，そのてある程度は同じだといえる．彼らだって時間の練習も始めなければならない．）試しにミーティン

ないなか採点をしているわけで，最初のビデオがグの内容をドキュメンタリー風に撮って，それを分かりやすいと，それだけで Wiki やプレゼンの理

編集してみるのもいい練習になるだろう．遅くと解度，読む/聞く気までもが変わってきてしまう．

も中間発表後（場合によっては内容の立て直し後）チームにとっても，わかりやすく印象に残るムーには，プロジェクトの具体的なテーマもほぼ固まビーを作っておけば，その後に続く Wiki でも説明るだろうから，そこで本番制作に移行できるくらがしやすいだろうし，プレゼンでの話運びも断然

いのノウハウが蓄積されているのが理想である．

楽になるだろう．本章では， BIOMOD 動画制作

実際の制作に入る際，気をつけておきたいのがのヒントを，流れに沿ってご紹介しよう．

スケジュールだ．制作を開始した後，はじめの 2■ ストーリー割の時間で 8 割の素材を揃えるつもりで予定を組

どんなにきれいなグラフィックを駆使してムービ

もう．最後の追い込み時期は，大概，実験や Wikiーを作ったとしても，一番大切になるのはストーを書くのに時間をとられてしまう．ある程度やる

リーだ．プロジェクトの内容を明快に説明しつつ，ことが決まっているビデオから先に手を付けてお26

くと，後々が楽になる．通常の短編映画制作の流コンパクトに撮影をすませられるよう，撮影プラ

れに沿う場合，作成の工程はおおよそ下記のようンを考えつつ脚本を練ろう．グリーン/ブルーバッになる．

クは便利だが，ポスプロで時間をとられることを念頭において組み込む必要がある．
出演者が決まり次第，一度は脚本のあわせ読みをすることをおすすめする．とくに字幕でなく，英語で台詞を話す場合は，各出演者がきちんと練習しておくことが必要だ．監督は，ここで出演者の話し方をきちんと聞いておいて，次の絵コンテ■ シナリオ（脚本）に反映させる．もし英語をしゃべるのがどうして

まずは，どういうテイストの，どういった話にすも無理ということであれば，台詞全てを英語字幕

るかを具体的に決めなければならない．そのためにするという手もあるだろう．その場合，日本語に大切なのがシナリオだ．これをキチンと練ってのオリジナル脚本をもとに字幕脚本をつくっておおくのが，動画制作のプロセス全体をスムーズにくことが必要だ．
（その場合は，画面上でぱっと文すすませる秘訣である．もちろん，その他の審査意がとれるくらいの長さの英語にしておこう．）

項目での話運びにも影響してくるので，チーム全■ 絵コンテ

員が納得できる内容，かつわかりやすい説明の仕シナリオが決まった時点で，ある程度全体のかた方にしておく必要がある．シナリオ・コンペティ

ちは見えているが，監督にはさらにもうひと段階，ションをやって，皆から案を集め，そのなかから撮る前の準備が必要だ．それが絵コンテである．

選ぶというのも良いだろう．オリジナリティといシナリオを具体的なカットに落としこむ（カットう点ではあまり褒められたものではないが，演出

割り）ことで，どういった撮影手法でとるか，どの下敷きとして，ジャンルの定番フォーマットをういった SE や BGM が必要かといったことなど

拝借してしまうというのも手だ．３分という短いを具体的に決めていく．カットを決めたら，スト間に観客にノッてもらうには，みんなが知っていップウォッチ片手に，各カットの台詞とそこでのるゲームや映画，ドラマなどからスタイルを引用

出演者の演技を想像して測ってみることで，尺のする，というのもわかりやすいだろう．
（いずれにながさや，そこでの演技のタイミングや動きなど，

せよ，このプロセスを楽しもう．）

ディレクションもある程度ここで定めていく．字

監督は，内容のインパクト，説明のわかりやす

幕を出すのであれば，カットや台詞の長さに対しさについてはもちろん，これまでに蓄積したノウて不釣り合いなバランスになっていないかも，こハウから，現実的に実現可能な内容かどうかといこで確認しよう．
（実際には，ここまで細かくやらう点についても，この時点でシナリオの修正をきずに，一気に撮影に入る監督もいる．ただちんといれていくのが大事だ．説明で CG カット

BIOMOD の場合は，全体の尺と製作期間が予め決の多用が難しいのであれば，その他の手段に切りまっている点でシビアであるということもあり，

替える，数を絞るなど，臨機応変に考えよう．まとくにはじめて撮る場合は，このプロセスを踏む

た，台詞を出演者のあて書きにしてしまうなど，ことでなるべく具体的なイメージを持っておくと，素人であっても成立する演技内容にする工夫をしいざ撮るときに迷いがないだろう．）この時点で，てもよいだろう．ちなみに，学外ロケは時間がか

動画全体が監督の頭のなかで再生できるようにすかる場合が多いので，やるのであれば，なるべくるとともに，撮影に協力する出演者やスタッフと27

も具体的なイメージが共有出来るようにする．必た，区切り区切りで他のメンバーに見せて，フィ

要な小道具などがもしある場合は，ここで並行しードバックをもらうようにしよう．話運びや説明て作っておこう．CG 担当や音楽担当がいる場合に飛躍がないかなど，編集者自身ではみえにくい

は，ここで作り始めてもらう．それぞれのカット点を指摘してもらって改善するようにする．
（大概の長さを合計して，全体の尺にはまるかどうか，の分かりにくい点はシナリオを書いた時点で排除

また，それぞれのシーンの長さのバランスといっされるのだが，テンポやカットのつなぎ方，演出たところも確認しておこう．

の仕方によっては，案外意図しない方向に観客が■ 撮影解釈してしまうときもあるものだ．）それぞれのカ

撮影は短期集中，なるべく短時間でまとめて撮りットが未完成でも，全体のカット運びさえ形にな終えるのがセオリーだ．まずは絵コンテのどのカっていれば，早い段階からこのフィードバックがットをどの順番で撮っていくか，計画をたてよう．

得られるので有利だろう．

すでに絵コンテでそれぞれのカットのディレクシ■ まとめ

ョンがきちんと定まっているので，必ずしも頭か

ビデオをつくるうえで，なぜこれが大切なのかとら順番に撮らなくても大丈夫．基本的には，すでいう点に始まり，実際の制作の流れにそって，に頭のなかにある絵のイメージに近づけるように

BIOMOD 動画制作の初歩的な方法論をおおまか撮るわけだが，そこで発生する当初の目論見とはに紹介した．もちろん，これらをすべてやらなけ

外れた演技なども，良いものであれば柔軟に拾っればいけない，というわけではないのだが，こうていこう．風景撮りなど，簡単な同時進行可能ないったプロセスを念頭に置いてつくるだけで，ビカットがあるのであれば，誰かにお願いするのもデオの出来というものも変わってくるだろう．審手だ．

査員も観客も，あなたとおなじ人間だ．なにより，■ ポスプロ（編集・音楽・特殊効果）

自分たちが観て気持よく楽しめるものにするといまずは撮った素材を，粗削りでもいいので，当初う点を忘れずに，分かりやすくて面白い動画を作計画した通りに並べて全体をみてみよう．
（撮影しってください．

ながら並行してやるのも可．）足りないカットがあるようなら，この仮編集の時点で追加撮影していく．パズルのピースをはめ込んでいくように絵コンテにそって採用カットをいれつつ，それぞれの間を微調整していくことで，全体のバランスと各カットのテンポを整えていく．音楽もまずはラフに並べ，そこからこまかくタイミングや音楽自体の編集を入れていく．音楽にカットを揃えていくと，全体がしまって見える．
（音楽担当がいない場
合は，Garageband などについてくるループや，
オンラインにある著作権フリーの音楽を活用しよう．）なお，特殊効果作業があるようなら，カット
ごとに細かくわけて並行して行っていくとよい．
ある程度整ったら，動画に合わせて出演者にアフレコをしてもらい，音質を高めるのも大切だ．ま浜田省吾（コーネル大学）

28

29

10．英語プレゼンテクニック
日本人にとって，BIOMOD の最大の難関は，英語でのプレゼンテーションである．ここを乗り切らないと，上位入賞は難しい．はじめてのプレゼン，しかも英語で．質問がわからなかったらどうしよう？
不安要素はいくらでもあるが，準備あるのみ．

■ しっかりしたロジックがあれば何とかなる■ プレゼンの演出

英語のプレゼンテーションの難しさは，実は英語のBIOMOD のプレゼンと，一般の学会発表には大きな難しさではない．発表のロジックをしっかり組み立違いがある．学会発表であれば，研究した内容とそてられるかどうか，という点が大事なのである（☞の価値をなるべくわかりやすく伝えればよいのであ12）．ロジックがしっかりしていれば，それを英語にるが，BIOMOD は学生コンペとしてもっと自由にやするのはそんなに難しくないのである．しかも，発ってよいし，その工夫も評価される．実際に，プロ

表のロジックにはあまりバリエーションはなく，次ジェクトの内容をいかに印象深く，面白く伝えるかのような骨組みを考えておけば間違いない．

という観点が評価基準に入っている（☞ 3）．そこで動機や背景：なぜそのテーマを選んだか

大切になってくるのがプレゼンの演出である．

目的：どういう目標設定をしたか

いろいろな演出の方法

方法：それをどういう方法で解決しようとしたか

物語性：何かのストーリーをつける．

結果：その結果どうであったか

対話形式：複数人の掛け合いにする．

この骨組みは，国語の作文で習う「起承転結」と扮装：（途中から）パペットや着ぐるみで登場する．

は全く異なることに注意してほしい．作文では「転」，

映像：ビデオプロジェクタをうまく使う．

つまり，場面や主題の切り替えが許されるが，プレ笑い：ユーモアやウィットを利かせる．

ゼン，特に英語のプレゼンでそれをやってはいけな

聴衆参加：聴衆に体を動かしてもらう．

い．あくまでも最初に定めたテーマをまっすぐに展

演出として，動機や背景を何かのストーリーに仕開していくことが求められる．むしろ起承「展」結立てるということがよく行われる．たとえば，「あるなのである．

犯罪者集団が，危険なウイルスを製造した．そのウ起 動機や背景の説明

イルスはこれこれの性質をもっている．急いでそれ

承それをうけて何をテーマにするか（目的）に対抗する手段を開発しなければならない．そこで展

テーマの内容を展開（方法と結果）

我々は・・・」といったストーリーである．こうい

結

得られた結果から何がいえるか，どんな未来ったストーリーはテーマに対する興味を掻き立てるが拓けるかし，ストーリーに起伏を持たせることでプレゼンを

この「まっすぐさ」を図に書くとこのようになる．

飽きさせないという効果を生む．
また，通常の発表であれば，研究者本人が発表するが，ストーリーがあれば，登場人物を複数使える．
複数の登場人物の会話形式でプレゼンを進めることで，聞き役が聴衆の代わりに疑問を発し，それに対して答え役が答えることにより，わかりやすいプレ
ゼンを組み立てられる．日本人にとっては，英語のセリフを覚える負担が減ることにもなる．

30

もうひとつぜひ加えてほしいのは，「笑い」の要素■ もう一つの難関～質疑応答である．聴衆を上手く笑わせることができれば，そプレゼンが終わった．聴衆も熱心に聴いてくれたよのプレゼンはかなり成功しているといえるだろう．

うだ．そうなると，次は質疑応答である．質疑応答

しかし，何でも笑わせればよいというものではない．

そのものは評価項目にはないが，審査員の印象はこ

社会的なタブー（性や宗教に関すること等）に触れれに大きく左右される．はっきりいって英語国民でる内容や，他のチームの迷惑になること（紙吹雪等），

ない日本人は極めて不利である．まず，何を質問さなどは，かえって顰蹙を買うので気を付けよう．自れているか聞き取れないし，聞き取れたとしてもどチームのグッズを配ったりするのもお勧めできない．

うこたえてよいかわからない．ステージ上でこそこ

BIOMOD では，これまでもいろいろな演出が試さ

そと目配せしあいながら，気まずい沈黙が続く・・・

れてきたが，2014 年には聴衆を動員するチームが現最悪な状況はこんな感じだろうか．そうならないた

れた．プロジェクトの内容に関連した動きを聴衆にめにどんな準備が必要か要点を示しておこう．9 月

させる（客席でウェーブさせたり，聴衆の上に風船ごろにおこなわれる国内大会でも，プレゼン，質疑を置いて運ばせる）ことで，プロジェクト内容をわ応答ともにすべて英語で行われるので，ここで本番

かりやすく伝えることに成功している．ぜひこれらの雰囲気をつかんでおくとよいだろう．

を超える新機軸を考え出してほしい．

質疑応答対策のポイント
・想定問答集をつくる．

■ とにかく練習・練習・練習（難しい質問への答え方なども考えておく）

英語のプレゼンを成功させるには，練習しかない．

・質問ごとに担当者を決め，自分の質問が来たら英語のプレゼンでは eye contact ということがやか

3 秒以内に答えられるように練習する．

ましくいわれ，つねに聴衆を見ながら話すことが要

・留学生など，英語の得意なメンバーを回答者と求される．したがって，話者は原稿を見ることがでして訓練しておく．

きないのでセリフを覚えねばならず，そのためには，
セリフはよく練られ，かつ簡潔なものでなくてはな

・国内大会は予行演習．何が足りなかったか反省
したうえで本番の準備をする．

らない．メンターやネイティブの人にあらかじめ台
本を見せてアドバイスをもらおう．現実には難しい

参考文献

かもしれないが， Jamboree の 1 週間前にはプレゼ

英語プレゼンの参考書はたくさん出ているので，ン内容が決まっていることが望ましい．

プレゼン担当者は何冊か目を通しておくこと．

台本がきまったら，セリフをゆっくりと，間を置

井口，英語で科学を語る，丸善，1987 年

いて，しゃべる練習が必要である．間違った発音や

中村，英語口頭発表のすべて，丸善，1982 年

イントネーションだと伝わらないので，はやめに英語のわかる人に聞いてもらって矯正しよう．そして時間を計りながら，何度でも繰り返し練習しよう．
練習すればするだけプレゼンの質はあがる．行きの飛行機やホテルの中でも練習はできる．直前まであきらめずにとにかく練習しよう．
（発表はスライドと連動する必要があるので，スライド係の人も何度か一緒に練習すること．）

村田 智（東北大学）

31

11．BIOMOD で得たもの，得られるもの
BIOMOD は夏休みを潰して取り組むだけでは足りず，9 月と 10 月も勝負の日々が続く．
時間との闘いの中で，ときには徹夜，ときにはチーム内でもめることもあるかもしれない．そこまでして得たものは何か，得られるものは何か．学生が寄せた感想文と，メンター視点からのコメントより感じ取って欲しい．

実した時間を過ごせた，と感じたのだと思う．

■ 実際に BIOMOD を行った学生の感想は？

BIOMOD が一体どのようなものか理解するには，

BIOMOD ではスキルも身についた．ラボでの過去に参加した学生たちの生の声を聞くのが一番

基本的な実験のやり方や，wiki をいじくりイラス

良い．過去に参加した多くの日本人学生の感想は，トレータを使いこなせる PC スキルなどが必要に新学術領域「分子ロボティクス」の HP[1]にある迫られ身についた．だが，最も大きな収穫だと思

ニュースレターのページにて読むことができる．

ったのは，英語の重要性に気付けたことだ．

以下に，2 人の感想文を取り上げる[2]．

BIOMOD の本大会へ行ってみて，海外のチー■ 片山 航一郎 君 (2013 Team Sendai)ムや日本の他のチームのプレゼンターの英語と比

この半年間を振り返ってみると，寝ても覚めても較して自分の英語の能力の低さを痛感させられた．

頭の中は BIOMOD で一杯だった．どうやって実BIOMOD はまさしく世界の社会の縮図であり，験を成功させようとか，あのプロトコルを少し変世界を舞台に戦うためには英語は必須だ．英語をえてみようとか，Wiki のあの記事まだ書いてない道具として使いこなせるようになることを目標に，とか，プレゼンのスライド終わってないとか，い

読み書きだけでなくコミュニケーションの面でもつも BIOMOD のことばかりだった．これほど没英語をもっと使えるようになりたい．

頭していたのはなぜだろう．連覇のプレッシャー■ 松戸里紗さん(2012 Titech Nano-Jugglers)から？上級生としての責任から？確かにこれらも「この夏，あなたは何をしましたか？」と聞かれあったのかもしれない．しかし何よりの理由は本たら，私は胸を張って「BIOMOD です．
」と答え

当に楽しかったからだ．

ることができる．

BIOMOD の最も大きな特徴は，「ゼロから作り

2 年生の 4 月，私は大学生活にどこか疑問を抱出す総合的プロジェクト」であることだ．どんないていた． 大学生といえば， 自分の興味があるものを作り出すのか，どんなことを成し遂げるの分野を自主的に勉強するというイメージがあったか，すべて自分たちでアイディアをひねり出し，が， 実際は目の前のことをこなすばかりであり，設定した目標に向けて試行錯誤を繰り返していく．

もっと自主的に勉強したい，と感じていた． だか

そしてただ実験を成功させるだけではなく，自分

ら，BIOMOD に対する先輩方の情熱に感化されたちのプロジェクトを分かりやすく魅力的に伝え

BIOMOD に参加することにしたのだ．

るための Wiki や YouTube video，プレゼンテー

アイディア出しをしていた時期は， 毎日の様にションを作らなければならないのだ．多種多様な図書館にこもって自分たちのアイディア実現に役スキルが要求され，チームの総合力が試される．

立つ先行研究はないだろうか，と論文をこれでも苦労もそれだけ多かったが，それ以上にかというほど漁った． いざアイディアが決まって

BIOMOD にやりがいを感じ，チームメンバー全実験を始めると，今度は実験がうまくいかない

員で真剣に取り組むことができたからこそ，終わ日々が続き，何が原因なのか， 何時間もみんなでったあとに本当に楽しく，大学生活でもっとも充頭を悩ませた． BIOMOD 日本大会は，スライド

32

と原稿ができたのが当日の朝で， 絶望感に浸りな能がある人には見えなかった．おそらく，本人たがらプレゼンをした．プレゼン中は緊張のあまりちもそんな能力が身につくとは思っていなかった

手が震えて， 笑顔がとてもぎこちなかったようにはずだ．そんな彼らが BIOMOD において必要に思う．

迫られて打ち込むことで，かなりのレベルにまで優勝できたときには本当に嬉しくて自然と涙がでた．

到達している．

本番の日はあっという間に訪れた． 会場である

BIOMOD 中は目覚ましい活躍を見せることがハーバード大学は自然豊かでゆったりした広大なできなくとも，参加後に覚醒した感がある学生もキャンパスであった．そのおかげで，BIOMOD 本いる．たとえば英語力が TOEIC で 700 点近辺だ

大会では緊張せずにリラックスした状態で，チーったのに，2 年のうちに満点近くなり，さらにフムのモットー『全員参加』を体現した，それぞれ

ランス語まで使い始めた学生，1 年で学術論文にの役割をもったプレゼンをすることができた．

なるデータをしっかりと取り切った学生(これは 1

Wiki も YouTube も少しでもいいものを作ろう，

人ではない)，など．筆者は 5 つ以上の研究室を渡と締切直前まで改正したことが功を奏したのだろ

り歩いてきたが，こんな高確率で能力が目覚めた

うか， たくさんの賞をいただくことができた． 本り覚醒したりするライトノベルのような学生集団

当に嬉しい限りである． 受賞の夜に食べたロブスに遭遇したことはなかった．

ターは本当においしかった．

技術・能力・意識だけでなく，ひと夏をともにこれらの結果と達成感はメンターの方々からの乗り越えた仲間もできる．BIOMOD はしんどい．

ご指導や協力があったからこそだと強く感じる．

プロジェクトが決まらない夏前，実験がうまくい

それと同時に， 私を応援してくれた家族， 友達

かない夏，wiki や YouTube が仕上がらない秋，にも感謝の気持ちでいっぱいである． そして，今メンターにダメ出しされてへこむのは最初から最まで一緒に頑張ってきたチームの仲間たち． より後まで．締切直前に訪れる時間との闘いやプレゼ

よいものを作り上げるために， たくさん意見を出ン前の抑圧感．時には足の遠のくメンバーにイラし合って， 衝突して， 悩んで， 笑って，とてもイラを感じ，リーダーの無茶振りにチームが苦し

楽しく充実した半年間を過ごすことができた． 彼

むこともあるだろう．これらを乗り越え，かけがらにも感謝である．

えのない仲間が組み上がる．

ひとつの目標に向かって， チーム一丸となってもちろん，ただ BIOMOD に参加すれば能力が全力でする努力はとても気持ちよく， 一生，心に身につくわけでも覚醒できるわけでも仲間ができ刻まれるであろう． BIOMOD に捧げるひと夏，

るわけでもない．本気で勝つ気で取り組み，寝食得るものは必ずある．

を削りながらあがき，その結果を心から受け止め■ メンターの視点から (2011-2013 年 東北大)られるまで打ち込んで初めて得られるのだ．国内

BIOMOD に打ち込んできた 30 名ほどの学生諸君大会で惨敗し，失意のままに臨んだミーティング

を見て一番感じたことは，思わぬところに才能のにおいて，普段のほほんとしていた学生が振り絞種が転がっているということだ．完全に素人の状って出した「勝ちたい．だから今のままでは，ダ態から 3D 制作技術を身に着けた学生，今では相メです」という言葉．BIOMOD を通して生まれる当な技術で動画を作製する学生，分子運動のシミ

変化の源泉は，こうした決意の現場なのである．

ュレーションソフトを自作するに至った学生など．

参考文献

どの学生にも共通して言えるが，最初見たときは[1] http://www.molecular-robotics.org/

もちろん，数か月成長を見守った後も，そんな才[2] 紙面の都合上，許可を得て改変している
藤原 慶（慶應義塾大学）

33

PoLICe 東京大学（柏）2014 年

34

第2章
プロジェクトを始める前に35

12．テーマを選ぼう
プロジェクトのテーマを決めるのは意外と難しい．チームとしての意見をまとめなければならないし，まず何と言っても生体分子デザインに関する知識が足りない．ここではテーマを決めるために考えなければならない
ポイントを説明しておこう．

■

何をしたいのか（価値観）

デアを話し合おう．チームワークでアイデアをだ

BIOMOD は，何か決められたゴールがあって，そす作業をブレーンストーミングと呼ぶ．ブレーン

れを達成するタイプのコンペではないので，自分

ストーミングの方法（☞ 13）はたくさんあるので，たちで目標を決めることができる．つまり，そのいくつか試してみよう．

テーマが「生体分子デザイン」に関連していれば■なんでもよいわけである．こういったオープンエ

ブレーンストーミングをやっても，なかなかアイ

ンディッドなプロジェクトでは，チームメンバー

デアが出なかったり，堂々巡りになってしまったの価値観が重要である．どんなことに意義を見出りして，行き詰るかもしれない．でもそういうとすのかよく話し合って，チームとしての価値観をきこそ，実はよいアイデアの出るチャンスなのでつかんでおくことが大切である．

ある．何日もみんなで考えて，あれこれ検討した■

煮詰まった時こそチャンス

個人の価値観けれどもどれもうまくいきそうもない．もうアイ

・まだ誰もやってないことをやりたい．

デアは出尽くした．ぜひ，そう思えるまでブレー・将来役に立つようなものを作りたい．

ンストーミングを続けてほしい．煮詰まり具合に・とにかくオモシロイ！といってもらいたい．

比例して，諸君の頭の中にはアイデアを出すため

・派手な演出をやってみたい．

のエネルギーが蓄えられているのである．その段・完成度の高いプロジェクトにしたい，等．

階になったら，メンターの先生にアドバイスを求チームとしての価値観

めよう．きっとよいヒントをくれるはずである．

・新規性，有用性，オモシロ性など，チームメ■

よいアイデアにはしっかりした論理がある

イトが重要だと考えている要素について，何では，どういうアイデアならよいのか．そのアイを最優先させるべきか，どの項目にどの程度デアがよいかどうかの判断はどうすればよいのか．

の比重をかけるのか．

そのポイントは，論理（Logic）があるかないかでブレーンストーミング

ある．論理があるというのは，チームの価値観をつかんだら，いよいよプロジェ

１．チームの価値観が明確である．

クトの内容について話し合うことになる．生体分

２．その価値観に沿って問題設定がされている．

子デザインに関連したプロジェクトならなんでも

３．その問題を解くための方法がある程度明確である．

よいといっても，そもそもどんなことが生体分子デザインなのかわからないだろう．しかし，それということであり，しかも，この３つが単純な言はそれとして，自分たちなりの生体分子デザイン

葉で言い表されているということが大切である．

のイメージがあるはずである．この本を読んだり，

要するにどういうアイデアなのかが一言でいえる

過去のチームの YouTube を見たり，先輩や先生のようでなければならない．

話をきいてなんとなく持ったイメージでよいので，

たとえば，
１．普遍性のあるテーマをやりたい．

どんなことをやりたいのか，チームの仲間とアイ

36

２．いろいろな場面で使えるツールを作る．

てもらわなくてはならない．学問といえども，そ３．それは既存の研究を組み合わせたり，発展

れが学問といえるかどうかは，研究者のコミュニ

させたりすればできそうである．

ティ＝学会，ひいては人間社会が，それを価値あといった感じにまとまるアイデアはよいアイデアると認めるかどうかにかかっているのである．

かもしれない．ただし，特に３．については，学■生だけでは判断が難しいかもしれない．ここでもテーマを具体化させたら，もちろんそれを実行してメンターの先生のアドバイスを仰ごう．

いく．本大会まで，時間はごく限られている（☞ 6）．

■

しかし，最初に決めたテーマで最後までいけるかど

テーマを具体化させる

プロジェクトは山あり谷あり論理のしっかりしたアイデアであれば，それをプ

うかはわからない．人数に余裕があれば，最初のうロジェクトテーマとして具体化させることは比較

ち複数のテーマを並行して走らせしばらく様子を見的容易である．

てから，上手くいきそうなテーマに絞り込むという・プロジェクト達成の要件（ゴール）は何か．

方法もある．しかし，実験を進めるうちに，どうし・それを実証する（実験する）方法があるか？

ても突破できない困難にぶち当たることがある．そ・材料は入手できるか？実験設備があるか？

んな時はテーマそのものを見直す必要があるかもし

・人手はあるか？時間はあるか？

れない．その時，目先の目標だけを修正するのではといった，具体的な条件を検討してゆこう．

だめで，テーマ全体の論理を最初から組み立てなお■すということが重要である．なぜなら，審査員や聴評価システムをいつも念頭にBIOMOD に出場する以上，勝つことを目指そう．

衆は，最終的な発表だけをみるからである．テーマ

BIOMOD で最終的にプロジェクトの優劣を決めの再構築は，時に痛みの伴う作業であるが，やる価るのは審査員だ．審査員は各チームのメンターが値がある．再構築の過程で，論理が研ぎ澄まされ，なる．メンターはこの分野の専門家たちだ．いくより明確になるからである．ここは頑張って乗り越ら自分たちが面白いと思っても，この人たちを納えてほしい．乗り越えた先には，勝利が待っている！

得させなければ高い評価は得られない．何が評価されるのか，BIOMOD の評価システム（☞ 3）

コラム 著作権についてをよく理解しておく必要がある．

BIOMOD で作成する YouTube ビデオやプロジェ
クト Wiki はネット上で公開される．したがって，
そこで使用する図版や映像，音楽などはオリジナ
ルなものか，あるいは著作権フリーのものでなければならないことに注意しておこう．実際に参考にした論文などがあれば，きちんと引用先（著者，論文タイトル，雑誌名，年号）を表示して引用しよう．学術の世界では，他人の仕事に対するリス
ペクトは非常に大切である．

他者に評価されるというのは，プロの研究者も同じである．研究費を受け取るには他人に評価し村田 智（東北大学）

37

13．ブレインストーミングの方法「三人寄れば文殊の智慧」――集団でアイデアを出していく作業は，時として，１人で考えるよりもはるかに面白いものを短時間で生み出す効果をもたらす．プロジェクト立ち上げ時や，困難な問題を乗り越えるときには，集団で自由かつ発散的にアイデアを出していくことが重要になる[1]．この項ではブレインストーミングな
ど，集団でアイデアを出していくための手法について説明する．

■

ブレインストーミング

かっていることであっても，否定的な発言をする

ブレインストーミングとは，発散的思考によっことは一切厳禁とする．

て新たなアイデアや見方を見つける方法のひとつ③質よりも量を重視すべしである．複数のメンバーで集まって，目的とする

少しでも良いアイデアを，などと見栄を張らず，テーマに関するアイデアを自由かつ大量に出してとにかくできる限り多くのアイデアを出す．

いくことで新しい視点や発想を見つけていく．創④アイデアを結合して発展させる

造技法として最もオーソドックスな手法である．

既出アイデアの積極的な活用も重要である．一部

やりかたは単純明快である．まずテーマを決めを変化させる，異なるアイデアをつなげることでる．テーマは具体的なほうがよい（“工事現場の事

新しいアイデアを出す，などによって発展的な発故を減らすには？”というテーマよりも“ヘルメ想を行うことが有効である．上記②で述べたようットを全員にかぶらせるには？”というテーマのに，既出のアイデアを否定的に判断することは慎

ほうがアイデアは出しやすい）．つづいて，そのテむべきであるが，否定的に見ることで，その改善ーマに関して，メンバーそれぞれが思いついたア

法を考え，それによって新たな発想につなげるこ

イデアを説明しながら，大きな模造紙，あるいはとは有用である．

ホワイトボードに逐次書き出していく．人数，時■間ともに制限はないが，目安となる人数は数人～

アイデアの出し方は言うまでもなく「自由」であ10 人程度，時間は 1 時間程度である．自由に発想る．しかし，「そうは言ってもどうしたものか…」

することが重要なので，長時間続けたい場合でもと思考停止することもあるかもしれない．そこで

1 時間程度でリフレッシュのために休憩を入れる

発想法のヒントをいくつか記す．

とよい．

①連想を活用するブレインストーミングは基本的に自由な発想のどうやってアイデアを出したらいいか？

連想として反対の連想，接近の連想，類似の連想場であるが，以下の 4 点に留意する必要がある．

などが挙げられる．

①自由奔放に考えてアイデアを出すべし

反対の連想の例：「昼⇔夜」「男⇔女」

常識や良識にとらわれることなく，とにかく自由接近の連想の例：「海⇔砂浜」「車⇔道路」に考える．突拍子のないものであっても気にせず

類似の連想の例：「ボール⇔地球」、「鳥⇔飛行機」に出していくことが重要である．

②発想を活用する②否定的な判断を下すことなかれ「強制連想」「類比発想」などの方法がある．強制

発想したアイデアをすぐに評価してはいけない．

連想とは「テーマに対して考えるべき方向を示し、自分が出したアイデアを自己否定することは言う

それに基づいて発想する方法」、類比発想とは「テまでもなく，他の人が出したアイデアに対しても，

ーマと本質的に似たものをヒントにする方法」でそれがいかに無茶であろうとも，すでに結果が分

ある．

38

・強制連想の例：テーマが「新しいハサミ」だととなる．

して，「変形したら？」「老人向けにしたら？」な■

どの方向を決め，それを足掛かりにアイデアを出テーマから自由に連想されるアイデアを，絵を描す．

くような感覚で記入していく発想法である．

・類比発想の例：テーマが「新しいハサミ」だと

1) 用紙の真ん中にテーマを記入する．

して，「ハサミの本質は“切る”」→「“切る”はギ2) テーマから思いつくアイデアをその周辺に記

ロチンの本質でもある」→「ギロチンをヒントに入，テーマとそのアイデアを線で結ぶ．

新しいハサミは？」という流れの思考を行う．

3) 記入したアイデアから連想・発想されるアイデ③視点を変えて考えてみる

アをさらに記入していく．

「モノ」「性質」「機能」「組み合わせ」「鳥の目・アイデア同士を曲線で結ぶ，色鉛筆を使う，など虫の目で」などを変えて考えてみることで新たなの工夫を施しながら楽しく作業することが望ましアイデアにつなげる[2]．

い．ひとりでもできるアイデア創出法である．

■■ KJ 法ブレインライティング

マインドマップ

ブレインストーミングと似た方法のひとつにブレ

上記 3 手法はいずれも発散的アイデア創出法であインライティング[3]がある．短時間で多くのアイる．場合によっては整理作業を行う必要があるか

デアを出せる，話すことが苦手な人たちが集まっもしれない．最後にそのための手法として KJ 法てアイデアを出す必要があるときに有効，などのを紹介する[4]．KJ 法の概略は以下の通りである．

特徴がある．6 名のメンバーで行うことを例とし

1) カード（あるいはポストイット）にアイデアをて, その方法を簡単に述べる．

書く．1 枚あたり 1 アイデアとする．

1) メンバーは円形，もしくは正方形状に座る．

2) 似た内容のカードをまとめて，それを代表する

2) 6 行 3 列のマスを書いたシートを 6 枚作成する．

見出しをつける．

3) 各自にシートを 1 枚ずつ配布し，テーマをシー

3) 見出し同士をまとめて，それを代表するような

トの上部に記入する．

見出しをつける．この作業を繰り返す．

4) テーマに関するアイデアを 3 つ考え，1 行目のこの「まとめ」を行っていく過程で，発散的だっ3 マスに記入する．制限時間は 3～5 分とする．

たアイデアの集合を整理することができる．

5) 時間になったら，自分のシートを左隣に渡すと同時に右隣からシートを受け取る．

参考文献

6) 受け取ったシートの 1 行目のアイデアを見て，[1] 新編創造力事典，日科技連出版社(2002)

新たに考えた 3 つのことを 2 行目の 3 マスに記入[2] 石井力重，アイデア・スイッチ，日本実業出する．時間が来たら再び左隣にそのシートを渡し，版社 (2009)

右隣から新たにシートを受け取る．

[3] 高橋誠，ブレインライティング，東洋経済新7) 受け取るたびに，そこに書かれているアイデア報社 (2007)を元に（前の人のアイデアを発展させてもよいし，[4] 川喜田二郎，発想法，中公新書(1967)

それをきっかけとして，さらなる独自案を考えてもよい）アイデアを記入する．
これを 6 回繰り返して終了となる．このケースの場合，必要な時間は最大 30 分，出てくるアイデアの数は最大で 108 個（＝6 人×3 案×6 ラウンド）菅原 研（東北大学）

39

14．設計するとはどういうことかBIOMOD では生体分子の「デザイン」を競う．
「デザイン」は日本語でいうと「設計」である．もっと平たくいえば，「デザイン」とはモノづくりの計画を立てることだ．基本は夏休みの工作と同じだが，相手が目に見えない分子だから，しっかりと手順を踏んでいく必要がある．

■

まず仕様を決めよう

コストはどうか．（☞ 73）

テーマを選ぼう（☞ 12）で述べた様に，プロジェク

３．設計：非現実的な仮定をしてないか．

トをつらぬく論理（ロジック）が大切である．論理都合のよい思い込みをしてないか．

がしっかりしていれば，作りたいモノの持つべき機

４．実験：シミュレーションモデルが作れるか．

能や性質はおのずと明らかになってくるはずだ．そ（☞ 62）

ういった達成すべき性能を整理したものを仕様

現実的に実験可能か．（☞ 69,70）（specification）と呼ぶ．設計のプロセスは，仕様を５．評価： 再現性はあるか．精度はどうか．
（☞ 70）

決めることからスタートする．

■

設計のむずかしさは仕様次第といってよい．仕様

設計の考え方設計においては，初めは大まかに考え，次第に詳細の中に矛盾する項目があると（例）速度と燃費の両に，具体的に検討していくのが王道である．

立する車），その仕様を満たすことができない（設計１．概念設計解がない）ということになってしまう． かといって，簡単に達成できてしまう仕様では，設計を練る必要

２．基本設計もなく，つまらない作品しかできないだろう．
■

全体のイメージから必要な機能を割り出す

それぞれの機能を実現する構造や形状を決める

設計のプロセス３．詳細設計設計のプロセスは，この図のようなものになる．１

部品レベルの寸法や材質を決める～６を何度も何度も繰り返す．つまり，設計とは試

細かく具体化していく作業を還元といい，その結果

行錯誤そのものだ．繰り返し不具合を修正していく

決まった部品を組み合わせていく作業を統合という．

ことでのみ，よい設計解にたどり着くことができる．

設計とは，還元と統合を行ったりきたりしながら，設計のプロセス

システムの細部を決めていく作業だ．このとき覚え

１．仕様策定：実現したい機能を決める．

ておくとよいルールがある．それは，「機能と部品の２．部品選定：その機能に必要な部品を選定する．

対応関係を 1 対 1 にする」ということである．同じ

３．設計：部品を組み合わせたシステムを考える．

部品を複数の機能のために使ってしまうと，修正や４．実験：シミュレーションや実験を行う．

変更ができなくなってしまうからだ．そういった「最５．評価：その結果を分析し，反省点を洗い出す．

適化」は設計の枠組みが固まってからやるのがよい．

６．３（または２または１）に戻ってやり直す．
各ステップでは，次のようなことに注意したい．
各ステップの注意点
１．仕様策定：難易度の設定は適当か．
２．部品選定：カタログ品等，すぐ手に入るか．
（☞ 73）
部品点数（分子種数）が多すぎないか．

40

■工作のセンス

ステムが完成してからも，どこかに不具合があるの～悲観する力[1]DNA 分子デザインは分子の工作である．工作といえではと心配し，やればやるほど完璧ではないと思う

ば，夏休みの宿題．誰しも何かの課題が与えられ，ような人は，工作のセンスがあるといえるだろう．

空き箱とか割り箸で何かをつくった経験があると思

以上のいろいろな力を総動員して，分子システム

う．そのとき，思い描いた通りのモノができただろをデザインしていくわけだが，そこに秘訣というようか？

うなものはない．ただ一つ言えることは，「時間の余ほとんどの人は想像していたものとは似て裕を持て」ということだ．時間の余裕がなければ，も似つかぬものができたのではなかろうか．
工作では，「うまくいかないことがふつう」である．

いろいろな観点から設計を見直すことなどできない

必ず予期しなかった悪いことが起こる．それに向きし，トラブルが出たときに対応することもできなく合う「姿勢」が問われるのである．

なるからだ．スケジュール管理こそが，よい設計の大前提なのである．（☞ 6,7）

工作のセンス

・締切直前にラストスパートしても，技術の問題はうまくいかないのがふつうと悲観する姿勢

解決しないことが多い⇓

・プロジェクト X 的苦労談に学ぶものはない！

想像力：まだ作ってないモノを「見る」力
観察力：トラブルの原因を特定する力
臨機応変力：現場にあるものを利用する力

コラム

MIRACLE

持続力：最適性を追求する力設計を考えるときに，もうひとつ大事なことがある．

想像力，つまり「見る力」とは，モノがどれだけ具

それは，MIRACLE はひとつに絞れ，ということで体的にイメージできるか，モノの形，大きさ，重さ，ある．MIRACLE というのは，その機能を達成する

質感，動作などをどれだけリアルに想像できるかとために必要な未知の要素のことである．教科書や論いうことである．分子デザインの場合，分子の性質

文に書いてない新規開発しなければならない要素でや動きをイメージするためにはどうしても化学や分ある． MIRACLE が一つもないプロジェクトという子生物学の勉強が必要である．これは一朝一夕に身のもありだが，単なる既存技術の組み合わせになっにつくものではないが興味の湧いた事柄から，教科てしまいがちで，面白みに欠ける．逆に，MIRACLE

書を読んで地道に勉強しよう（☞ 第 4 章）
．またいが複数個含まれているプロジェクトは，約半年で結ろいろな研究例も参考になるだろう（☞ 第 3 章）

果をださなければいけない BIOMOD では達成がき

観察力とは，どこがうまくいかないのかを見抜く力

わめて難しい． MIRACLE はひとつにして，それにである．実験結果をにらんで，トラブルの原因につ集中するのがよいプロジェクトだ．

いて仮説を立て，条件をいろいろかえ，根気よく調べていく．そうして因果関係を突き詰めることができれば，それが真の解決である．
臨機応変力とは，現場にあるものを使う力である．
日常目に触れるもので何か使えるモノはないか，コレはアレに使えるのではないかという発想力である．
ただし，なんでも流用すればよいというものではな
く，中途半端なあてはめはプロジェクトをゆがめて

参考文献

しまうこともあるから注意しよう．

[1]

持続力とは，最適化を求める根気のことである．シ

新書，2010 年

森博嗣著，創るセンス

工作の思考，集英社

村田 智（東北大学）

41

15．情報を手に入れよう
プロジェクトのテーマを決めるときや具体的に計画を進めていくとき，随時必要となってくるのが情報である．お勉強するにも情報，研究計画をたてるにも情報，実験するにも情報，何をするにも情報が要る．ここでは情報源の種類と，その入手方法について紹介する[1]．
くりと見て，読みたい論文を選ぶことができる．

■ 書籍と論文
BIOMOD のプロジェクトを進めていくにあたっ

論文探索にはいくつかのコツがある．適切な検て，いろいろと知りたいことが出てくるだろう．

索結果が得られないときは，検索キーワードを選

そもそも DNA って何なのか？DNA を使って何がぶ際に以下のような項目を検討してみよう．

できるのか？いいテーマを考えついたけれど，既・類語や別の表現でも検索し，検索もれを防ぐにやられてはいないだろうか？こんな感じの実験

・適度に具体的なキーワードを指定し，検索結果のノイズを減らすをするには具体的にどうすればよいだろう？そう・検索演算子を利用して検索範囲を絞り込む

いったことを調べるための情報源としては，主に書籍（教科書）と論文の二種類がある．書籍は基礎的知識を体系的に得るのに適している．一方で，

AND：スペースで区切るDNA␣origami
OR：「OR」もしくは「|」で区切る
DNA␣OR␣origami
DNA␣|␣origami

論文は個別の研究内容について詳しく記述してある．また，書籍よりも速報性があるため最新の研究を知ることもできる．実際にプロジェクトを進

NOT：単語の前に「-」をつける
DNA␣-origami

めていく中では，論文に接する機会が多くなるだフレーズ：「"」で囲む"DNA␣origami"

ろう．ただし，近年の例にもあるように，まれに不正確な情報が載っている論文もあるので，嘘は嘘であると見抜く能力を要求されることもある．

※検索エンジンによって演算子が異なることがあります■ 論文の探し方

興味深い論文を見つけたら，その論文の参考文

論文検索にはインターネットを活用することが多献や被引用文献（その論文を引用している論文）

い．論文の検索サイトは種々あるが，どこからでをたどって関連論文を探すのもおすすめである．

も使えるサイトとしては Google Scholar[2]があ■ 図書館の利用法

る．たとえば「DNA origami（☞ 18）」といった実際に書籍や論文を読むにはどうすればよいだろキーワードを検索窓に入力すれば，図のように検う．もちろん自分で購入しても良い．しかし，教索結果が出てくる．ここでタイトルや要旨をざっ科書というものは存外高いし，財源には限りがある．論文だって（実は）タダではない．やはり，せっかく大学に在籍しているのだから，図書館を有効活用すべきだろう．利用したことがある人は分かると思うが，大学図書館は専門書の種類も豊富だし，論文誌も大量に所蔵している．また，ほとんどの大学では図書館の HP から書籍名や著者名，論文の場合は雑誌名などで蔵書検索ができるようになっているため，探している本が図書館に42

あるかどうかも予め確認できる．論文誌は禁帯出論文の構成例
・題目・著者，所属
・要旨
・本文
序論
実験方法
実験結果
考察
結論
・引用文献

（持ち出し禁止）であることも多いが，お目当ての記事を館内で複写することが可能である．ただし，論文誌や書籍は著作物なので，複写する場合には「著作物の半分まで」に制限されていることに注意しよう[3]．読みたい論文誌が最寄りの図書館にない場合でも心配はいらない．他大学の蔵書であっても，文献複写サービスでお取り寄せでき

Title
Author(s)Abstract
Introduction
Materials & Methods
Results
Discussion
Conclusion
References

る．詳細な利用方法に関しては各大学の HP に書うタイトルを読めば，DNA を折り畳んでナノメー

いてあるはずなので，そちらを参照されたい．

トルスケールの形状を作る話なのだな，というこ■ 電子ジャーナル

とがすぐに分かるわけだ．次に要旨と図にじっく

最近では，論文の電子ファイルがインターネット

りと目を通し，論文の流れをつかむ．この際，序上で公開されており，図書館に行かずとも論文を論の後半部分（その研究で何を目指し，何をした読むことができる．論文はオープンアクセス（無かが書いてある）と結論も適宜参照すると理解の償公開）のものも一部あるが，基本的には有料で助けになる．そうして論文の全体像をつかんでかある．しかし，各大学で契約している論文誌であら，一通り読んでみる．一度で全てを理解する必れば，大学内のネットワークからアクセスすると要はない．何度か繰り返し読みつつ，分からない

自由に閲覧・ダウンロードすることができるのでところは教科書や引用文献を参照しながら理解をある．ぜひとも最大限利用していただきたいと思深めていくとよいだろう．BIOMOD の仲間や先輩

う．ただし，「自由に」といっても，いくつか注意

たちと熱い議論を交わすのも一興である．

すべきことはある．何度も言うが，論文は著作物とはいえ，ここで紹介した読み方はあくまでもである．ゆえに，勝手な改編や再配布等は禁止さ一例なので，結局のところ自分が読みやすいようれている．また，短時間に大量のダウンロードをに読むのがよい．まずはどんどん論文を読んでみすると，利用停止の恐れもあるので気をつけよう．

て，習うより慣れるのが一番である．
また，読んだ論文は文献管理ツールなどを用い■ 論文を読もう
BIOMOD を通じて初めて論文というものに接すて整理しておくと，Wiki（☞ 8）で引用する際にる人も多いだろう．日常生活で本や新聞記事なども便利である．Mendeley，ReadCube，JabRef，･･･を読むときは，最初から順番に読み進めていくのなどの様々なツールがあるので，自分にあったもが普通であると思う．しかし，論文の場合にはこのを使ってみてほしい．各々の詳細は Web で！

のような読み方では少し効率が悪い．まずは論文

参考文献の内容をさらっと確認して全体の流れをつかんで[1] 各大学の図書館 HP には資料の探し方に関するから精読すると，中身を理解しやすくなる．

ガイドが載っているので，そちらも一読してみると論文は一般的には次のような項目で構成されてよいだろう（たとえば http://tul.library.tohoku.ac.j

いる．論文によって順番や項目が異なることもあp/modules/supp/index.php?cat_id=3 など）

るが，どんな論文でもまず読むのはタイトルだ．

[2] http://scholar.google.co.jp/

タイトルには，その論文が何を主張しているのか[3] 詳細な制限に関しては http://www.ndl.go.jp/jp/sが端的に表されている．たとえば，"Folding DNA

ervice/copy/copyright.hhtm を参照されたい

to create nanoscale shapes and patterns[4]"とい[4] DNA オリガミの論文，実際に検索してみよう

高畠芙弥（東北大学）

43

16. 論文ってなんだ!
BIOMOD のトレーニングにテーマ決めに，論文読みは欠かせないと言われる．論文とは，研究の成果として公開される報告書である．論文が手元にとどくまでのプロセス，論文の中身，読み方などを概観する．

■ はじめに文は，まず編集者（Editor）が目を通し，良さげで現状，研究という人間活動は，調べて報告して評価あれば査読者（Referees）へと送られる．通常，専されてまた調べて報告して…という科学的なサイク

門分野の複数名の査読者が，論文を精読して編集者

ルで成り立っている．これを繰り返してちょっとずへコメントを返す．その結果，編集者が掲載を決め

つ世界が豊かになってゆく，そんな様子を参加しなるが，ほとんどの場合，コメントは著者へ返ってきがら眺めるのが研究者の生活である．ここでは，科て，コメントにしたがって論文を修正する．これを学研究（もちろん人文科学も含む）できわめて重要繰り返し，編集者が認めれば論文は受理(Accepted)な役割を占める論文について焦点を当てる．

となる．不受理（Reject）になることも珍しくない．

■ 論文とは専門の科学者による最初のチェック機構が査読シス

科学雑誌に載る，あるテーマについて論じた報告書

テムである．ちなみに編集者の段階で Reject される（図・動画含む）である．研究者（チーム）が直接

通称 Editor Kick は，とても，つらい．

調べたことを論じるため，一次情報と呼ばれる．多■ 論文の種類数の論文が述べてきたエッセンスを抽出して学びや

雑誌によって表現はさまざまだが，原著論文

すくまとめたものが教科書であり，これは二次情報（ Original paper ） で は 2 ペ ー ジ 程 度 のと呼ばれる．有料無料さまざまに公開されているが，Communication, 4 ページ程度の Letter，5 ページ以

一次情報つまり論文へのアクセスが最もよい公的機

上の Full paper などがある．Full paper は論文の華．

関が大学であるため，大学では多彩かつ深い研究がほかに，ある分野の関連する論文をまとめて引用し，しやすい．最新の Nature に自宅からアクセスして分野の最新の動向を概観し，到達点，問題点を整理

みると，Letter で一報 3300 円かかる．査読付き論した Review がある．Review だけ読めばよいような文と，査読なし論文がある．雑誌論文の他に，国際

気もするが著者も人間，紹介する論文に偏りがでる．

会議の抄録集(Proceedings)に記載される論文があり，公明正大な Review は膨大な参考文献を示してくれ，

国際会議論文と呼ばれる．分野により雑誌論文より

全体像の把握に骨が折れたりもする．

も査読が厳しく，高く評価される場合もある．

■ 論文の中身■ 科学雑誌とは代表的な Full paper の構成を例に紹介しよう．

論文をまとめて出版する形式の冊子体．Magazine,

Title：重要．これを読まないと話にならない．苦心

Journal, Proceedings などと呼ばれる． 1996 年以の跡が見受けられたりして楽しいこともある．

降，電子出版に軸足が大きく傾きつつある．一般誌

Author(s)：著者．最初に名前のある著者（筆頭著者）といえば Nature, Science, PNAS など科学全般を扱

が論文を書いた人．Corresponding author[*]が論文

う も の ， 専 門 誌 と い え ば J.Am.Chem.Soc. やの全責任者である．あいつか，とか新人か！とか．

Biophysics J.など特定の分野を扱うものである．

Affiliation：著者所属．うわデンマーク気合い入って■ 査読とはんなあ，とか，あいつ移籍したの？とか．

論文は研究者である著者から科学雑誌に投稿される．

Abstract：アブスト．概要．超重要．ここまで読んが，そのまま掲載されることはない．投稿された論で探していた内容と違うなら他の論文を当たるべし．

44

Introduction：この論文の研究に至るまでの流れが記

なる．ツッコミの精神はここでも重要だ．怪しい所述されている．熟知している場合飛ばしてよい．

引用があった場合，その論文を探して読もう．どこ

Materials & Methods：重要．論文の主張を支持すまでホンマやねん，という探究心は重要だ．大きい

るために行われた実験手法の詳細が記述されている．

ことを言っていてツッコミどころが極小な論文は，Figure(s)：超重要．データが記載されている．

仕方がない，よい論文である．よい論文に放置されResult, 実験の結果が記載されている．慣れていればたボケは，新しいテーマになる．

読まなくても Figure だけでわかることも多い．

■ 論文の価値

Discussion：重要．結果からの考察が展開される．

論文が書けると嬉しい．雑誌に載ると嬉しい．引用

英語ネイティブの論文でここが長いことが多い．あされるとまた嬉しい．論文の数が多いと，それだけ

ちこちから自分の主張に有利な論文を引っ張り出し

研究テーマを数多く発表したことになるので，研究てきてだらだら長く展開しているものは，いいすぎ，者の活性の指標にはなる．では論文の価値はなんだ

オーバーディスカッションとしてイヤがられる．

ろう．本項冒頭からひきつぐと，世界を豊かにする

Conclusion： ここがトリッキイなことはまずない．

ためにどれだけ貢献する論文か？ということになる．

Acknowledgement：謝辞．論文作成への議論や技術

そのためには，オリジナリティが高いか？ 再現性の補佐，サンプル提供，研究資金提供への感謝．

高い研究か？どれだけ応用範囲が広いか？などなど

Reference： 参考文献．超重要．

ここに論文を記が重要となってくる．被引用数はその指標のひとつ載することを引用，という．引用された論文は，議で，他に雑誌ごとに発表される影響度，ImpactFactor

論に値する研究として読まれ，選ばれたわけであるなど様々な指標がある．もちろん，特定のテーマをから，論文の受理数より被引用数は重要である，と追跡してゆくのが研究達成への近道なのであるが，も言える．参考文献からその参考文献へ…と時代を研究も論文発表も人間のやることなので，気に入っ

遡ってゆくと，過去になされた偉大なオリジナルのた論文，気に入った著者が見つかったなら，それを発見にたどりつけるようになっている．金鉱掘りや追いかけていくのもまた，楽しい．責任著者は e-mail有名人を訪ねてゆくようで面白い．

アドレスを公開している．面白かったり，疑問点がSupplementary Information：重要．実験が複雑にあったら思い切ってメイルしてみるのもいいだろう．

なってきた昨今，詳細な手順や微妙な条件は本文中

きっと喜ばれる．

には記述しきれないことも多い．それを補うための■ 論文を書こう！[1]

資料である．電子出版時代になりストレージ価格破

概観してきたように，論文は結果であり議論の場で壊と共に脚光を浴びており，そろそろ容量制限をかあり次世代への踏み台でもある．読んだなら何かしけて欲しい気もする．DNA オリガミの配列などはこら感じるところがあるはずだ．論文の土俵は老若男

こに記されることがほとんどである．動画もほとん

女を問わない．伝えたい主張したい材料がたくさん

どはここに置かれている．エッセイ風に苦労話を書集まってきたのなら，BIOMOD の成果も，論文にないてあるものもあり面白い．

るべきだ．遠慮せずに，さあ書こう．

■ 論文を読もう

参考文献

気になるテーマで論文を探そう（☞ 15）．先輩や先[*] 責任著者マーク．大概の雑誌に共通している．後生に聞くのがおすすめだ．まず，素直にぜんぶ読む．

輩の名前にこれがついていると破壊力抜群．

次に，批判的にねちねち読む．特に実験系の論文で[1] 成書は山ほどある．が，木下是雄「理科系のは，記載された実験によってほんとうに著者の主張

作文技術」を読んで足りなければ他を探そうか．

が十分に支持されているのか，ということが焦点に野村 M. 慎一郎（東北大学）

45

Team Hokudai 北海道大学

46

2014 年

第3章
DNA 分子デザインでこんなことができる！

47

17．概論 構造 DNA ナノテクノロジーとは
DNA 分子を材料にさまざまなかたちを作り出すのが，構造 DNA ナノテクノロジーと呼ばれる技術である．
ここでは，そもそも DNA とはどういった分子なのか，これを使うことでどのような基本的な構造の要素を作ることができるのか，そして，現在広く用いられている構造作成の３つのアプローチについて概観する．
■ DNA 分子とはせんというものがあることは皆さんも御存知だろう．

そもそも，DNA って何？と聞くと，おそらくほとん

逆向きになった 2 本の一本鎖 DNA がくっつくこと

どの方は「遺伝子！」と答えるのではないかだろう

でこのような形となるわけだが，ここにも塩基が大か．もちろん，生物の時間だったらそれで正解．で切な役割を果たしている．じつは塩基同士には，相も，いままでこの DNA を，かたちのある「分子」

補性とよばれる性質がある．塩基間の水素結合を利として捉えたことはあるだろうか？化学的にみてみ用することで，A には T のみが，C には G のみが特ると，DNA は糖・塩基・リン酸が，ヌクレオチドと異的なペアとなってくっつくことができる．相補的よばれるひとまとまりの単位となって，さらにそれな配列を持つ 2 本の一本鎖 DNA が，塩基同士の水が長く数珠状に連なった（ポリマーといいます）分素結合でもってお互いに結ばれる（ハイブリダイゼ

子にほかならない．このかたちの DNA をとくに「一ーション）ことで，この二本鎖の二重らせん構造を

本鎖 DNA」とよぶことがある．

つくることが知られている．
（細かく言えば，上下の塩基間の疎水性相互作用も二重らせん構造の形成に重要な役割を果たしているのだが，ここでは割愛する．
）これを工学的視点で捉えると，さまざまな配列をもった DNA をつくり水中で混ぜたとしても，相塩基には 4 種類あり，
人間はこれに A(アデニン), G

補的な配列をもつ DNA 同士のみがお互いにくっつ（グアニン）, C（シトシン），T（チミン），と名前

いて二本鎖 DNA，すなわち二重らせん構造を自発的をつけている．一本の DNA にくっついている塩基にとる，とみることができる． この辺りについては，を，端から順番に読んでいったものを塩基配列といトピック 41-44 により詳細な説明があるので，是非う．DNA には向きがあり，端が（糖からリン酸につ読むようにしよう．

ながる結合の位置関係に応じて）5’末端と 3’末端とに区別されていて，配列は 5’末端から読んでいく．
（図■ DNA ナノ構造の要素のように，矢印でその向きを示すことが多い．）

このように DNA を「分子」という側面からみてみ

じつは先の「DNA は遺伝子」というのは，生き物

ると，ひも状の分子が，内部の塩基配列によってはがこの塩基配列を情報として読み取り，これを解釈

お互いにくっついて，ひとりでに二重らせんをつく

してタンパク質を作ったり，さまざまな調節を行っるという，なかなかおもしろい性質をもった材料だているからなのである．DNA そのものは分子でしかと捉えることができるだろう．じつはトピック 45 でなく，生き物はそこに自分たちにとって意味のある

紹介するように，現在では，任意の配列を持った情報を記し，読み出すための「記録媒体」として利

DNA 分子を化学合成することができる．任意の配列用している，というわけだ．

をもつ DNA を自在につくることができるということは，ある相補配列をなるべくほかの場所の相補配列と被らないように設計する（正規直交配列という）さて，この DNA がつくる有名な構造に，二重ら48

ことで，二重らせんを作る箇所を一意に指定できる，とよぶ．選択的にくっつく「糊」のような機能を持というわけだ．

つ端部として，ユニット同士をつないで大きな構造を作る際に多用されるテクニックである．

このような考え方をもとに，まず考えられたのがDNA の分岐構造，そして粘着末端である．じつはこ■ ３つのアプローチ

れら２つは，この後に紹介する，より複雑な DNA

では，そんな分岐や粘着末端といった要素を使って，ナノ構造をつくるうえでの，重要な構成要素となっどのようにしたら構造を作ることができるだろうている．

か？現在のところ，DNA を使ってかたちを作るアプ＜分岐構造＞

ローチは，主に３つに大別されている：
1 折りたたむ – DNA タイル・オリガミ

たとえば左図に示すよ
うに，1 番の DNA の領域

2 ネットワークをつくる – DNA ハイドロゲル（a）は 4 番の DNA と，(c)3 コネクタとしてつかう – SNA

は 2 番の DNA の特定の領それぞれのアプローチは，DNA という分子をどの域と相補的な配列を持つように捉えているかでもって整理できる．折りたたように設計する．相補的なみの手法の場合は， DNA の二重らせんを束のよう配列をもつところだけがにまとめあげていくことで様々なナノ構造をつくる．

ハイブリダイゼーションして二重らせんを組むわけ

そのため，二重らせんをひとつの「筒」とみたて，だから，このような DNA を 4 種類設計すれば，こその筒同士をつなげるように構造設計を行っていく，の四つ又分岐構造が出来上がる，というわけだ．ひというのがおおまかな方針となる．代表的な例とし

とつの DNA をいくつかの領域に分け，それぞれがては，DNA オリガミや，さまざまな DNA モチーフ

どの異なる DNA のどの領域とつくかというのを指を利用した DNA タイル，そして最近発表された定することにより，二重らせんがただ真っ直ぐに延DNA ブリックといった手法などが挙げられる．DNA

びるだけでなく，二次元に広がった，より複雑な構

ハイドロゲルは比較的あたらしい構造作成手法で，造を作ることが可能になる．現在 DNA ナノ構造のDNA を堅い筒とみるというよりも，DNA 同士がつ構成要素としてよく用いられているのは，ここで紹ながっていったときに現れる長い二重らせんを「柔介した四つ又分岐（b の一本鎖領域がないものを，軟な高分子構造」とみなすことで，それを組み合わ

とくにクロスオーバージャンクションということがせてネットワークを構成し，マクロスケールのゲル

ある），そして同様の方法で作られた三つ又分岐であを作るという発想だ．（☞ 21）で紹介する３つ目のる．

SNA は， DNA 自体の構造そのものに着目するとい＜粘着末端＞

うよりも，どちらかといえば DNA のもつ選択的結DNA ナノ合性に着目し，これを「長さのある選択的に働く糊」

構造を考えのように扱う．金ナノ粒子にこれらの DNA をつけるうえで，もることで，ナノ粒子同士の相互作用を制御して結晶うひとつ大切な構成要素がこの粘着末端である． 二をつくる，というのが主な方向性となる．

本鎖 DNA の端に一本鎖 DNA の領域を設けたものを

それでは，次章からは，個々の手法について具体

つくる．このとき，a の塩基配列と b の塩基配列が的に学んでいくことにしよう．

相補であれば，赤・青二種類の二重らせんはこの a/bのハイブリダイゼーションを介して一つにつながる．
この a,b といった一本鎖領域を粘着末端（sticky end）

浜田省吾（コーネル大学）

49

18．2 次元 DNA オリガミ
BIOMOD のプロジェクトで最も多く目にするだろう「DNA オリガミ」という DNA ナノテクノロジーにおける一大研究領域は，2006 年に Nature 誌に掲載されたスマイリーマークから始まった．その精緻な構造の数々の根底に流れる設計原理を概説する．
■ DNA オリガミの基本構造

ミ構造体を作成するために，M13mp18 ssDNA 以外

DNA オリガミ構造体を構成する要素はたったの二のスキャフォールド鎖（例えばλファージゲノムの種類，スキャフォールド（scaffold）鎖と呼ばれる長断片）を使う試みも報告されているが，やはりでき

鎖の一本鎖 DNA と,ステープル（staple）鎖と呼ばあがりの均一性は，M13mp18 ssDNA にかなわない

れる多数の短鎖の一本鎖 DNA だ．スキャフォールようだ．

ド鎖はその名の通り，構造形成の足場となる鎖で，通 常 は 7249 塩 基 の 環 状 一 本 鎖 DNA で あ る
M13mp18 ssDNA が使用される．これは M13 という大腸菌に寄生するファージウィルスのゲノムで，生物由来のために非常に均一なものを入手できる．
このファージウィルスを使うと，任意の DNA を一が開発される以前は，DNA の配列解析に使うツール

スマイリーDNA オリガミの設計図と AFM 像
Reprinted with permission from Nature,2006.

として広く使用されていた．このため，今日でもリー

このスキャフォールド鎖を織物の横糸のように一ズナブルな価格で，バイオ系の試薬会社から購入で筆書き状に折りたたんで，狙い通りの平面構造に固きるのだ．M13mp18 ssDNA は，通常，環状のまま定する役割を果たすのがステープル鎖だ．
「ホッチキ

本鎖に調製できるため，
現行の DNA シークエンサー

で使用する．酵素で切断して直鎖状にして使うことスの針」の名を持つこのステープル鎖は，通常 32 塩もできるが，切断が定量的に進まない場合，オリガ

基の長さをもつ．DNA オリガミ構造体を形成させる

ミ構造体の形成も不完全になってしまうため，あま

ためには，DX タイル同様，DNA 二重らせんをいかり推奨されない．同様に，より大きな DNA オリガ

だ状に束ねていく必要がある.これを実現するためには，１番目のらせんと２番目のらせんを結合するク
ロスオーバーから数えて，らせんを 1.5 周進んだ位
置に次の２番目のらせんと３番目のらせんをつなぐ
クロスオーバーを配置していけば良い．B 型 DNA 二
重らせんの周期は 10.5 塩基対なので，これは 10.5
×1.5 = 15.75 塩基に相当する．しかしながら，小数点以下の塩基数は扱いにくいので，16 塩基に近似してしまうのが一般的だ．すなわち，DNA オリガミ構
造体内では，16 塩基ごとにステープル鎖がらせんをDNA オリガミの概念図．一筆書き状に折りた
たまれた黒い線がスキャフォールド鎖，色の付いた線がステープル鎖．この図の場合は，ステープル鎖は Z 字型に配置されている．
Reprinted with permission from Nature,
2006.

乗り越えていくことになる．32 塩基中の 16 塩基は，
この「２番目のらせんと相補的な部分」に由来するが，ステープル鎖はさらに１番目と３番目のらせん50とも結合しなければならない．そこで，１番目のら帯びており，そのままでは静電反発で DNA オリガ

せんと相補的な 8 塩基と３番目のらせんと相補的な

ミのようならせんが密集した構造は取りえない．こ8 塩基がさきほどの 16 塩基に追加されて，合計 32

れを中和してらせん同士を橋かけしてくれるのが，塩基になるわけだ．このようなわけで，DNA オリガ

二価の陽イオンというわけだ．

ミの設計図の中では，ステープル鎖は S 字や Z 字型

この二価の陽イオンは，DNA オリガミの観察にもに折れ曲がって，スキャフォールド鎖と結合するこ

欠かせない．薄い平面構造をもつ二次元の DNA オとになる．どちらでも同じに見えるかもしれないが，リガミ構造体は，原子間力顕微鏡（AFM）で観察す

らせんには巻きの向きが関係してくるため，ステーるのが一般的だ．極めて平坦な構造をしている劈開プル鎖を S 字型で設定するか Z 字型で設定するかで直後のマイカ（雲母）に上記の DNA オリガミ溶液

も大きな違いが生じるので注意が必要だ．すなわち，を滴下すると，マイカ表面の負電荷と DNA オリガ

ステープル鎖を S 字型に配置した場合には，ステー

ミの負電荷を二価の陽イオンが橋かけしながら中和

プル鎖の末端はいずれも設計図の裏側に向かって一し，結果として DNA オリガミがマイカの表面にき番奥に配置されるのに対し，Z 字型に配置した場合

れいに貼り付いてくれる．この結合は，AFM の探針には，いずれも設計図の表側にくることになる．ス

が叩いても容易に DNA オリガミがはがれないくら

テープル鎖にさらに DNA 鎖等をぶら下げる必要がい強固だ．全てがうまくいっていればこのようにしあるときにはよく注意しよう．
さて，32 塩基のステーて，DNA 二重らせんの太さである 2 nm の厚みをプル鎖で 7249 塩基のスキャフォールド鎖を折りた

持った，狙い通りのオリガミ構造体が観察できるは

たむには，単純計算でも 7249 / 32 = 226.5 本のス

ずだ．

テープル鎖が必要になる．M13mp18 ゲノムの配列

コラム DNA オリガミでつくったパラパラマンガ

は基本的にはランダムであると見なせるので，全て異なる配列の二百数十本の DNA 鎖が必要になるわ
けだ．これらを混ぜるだけでも大変だが，美しい構
造体が観察できることを想像してがんばろう．
■ DNA オリガミの作成と観察
正しく設計ができていて，ステープル鎖全てが手に入れば，DNA オリガミ構造体の作成はとても簡単だ．
DNA ナノテクノロジーで一般的に使われている 1×

BIOMOD2013 では，関西大学による Team Kansai
が，全部で 10 枚の AFM 画像からなる「うさぎとかめ」の「DNA オリガミパラパラマンガ」を発表

TAE/Mg2+緩衝液（40 mM Tris, 20 mM 酢酸, 2 mM

し，金賞を受賞した．土台とかめ，うさぎをリンカー

EDTA, 12.5 mM Mg2+ が含まれている）にスキャで結んでステープルの数を極力減らした工夫が評

フォールド鎖と過剰のステープル鎖（通常 5 等量程価された．チームはさらに，街路樹が流れていく背度）を溶かして，90℃から 25℃までゆっくり冷ます

景のレイヤーも DNA オリガミで作成し，文科省主（これをアニーリングという）だけで，ステープル催の「サイエンスインカレ」でファイナリストにも鎖は自身と相補的なスキャフォールド鎖の所定の位進出した．

置を見つけ，望み通りの形状にスキャフォールド鎖参考文献

を折りたたむ．ここで肝心なのは，溶液中に必ず二[1] Rothemund, P. W. K. Nature 2006, 440, 297-302.

価の陽イオン（通常は Mg2+）を加えることだ．DNA[2] Kuzuya, A.; Komiyama, M. Nanoscale 2010, 2,鎖は，リン酸ジエステル結合せいで大量の負電荷を310-322.
葛谷明紀（関西大学）

51

19．3 次元 DNA オリガミ
日本人にとってなじみのある「折り紙」といえば，「かぶと」や「やっこさん」などの平面（＝２次元構造）だけでなく，やはり「鶴」などの立体（＝３次元構造）も欠かせないだろう．ナノスケールの DNA オリガミ
でももちろん，3 次元構造体の構築法がいくつか考案されている．

これまでに報告されている 3 次元 DNA オリガミは，開閉する箱型 DNA オリガミ構造体への金ナノ粒子

大きく分けて二つに分類することができる．

の選択的な取り込みは，Sugiyama らによっても報■ 中空の３次元 DNA オリガミ

告されている．[7] こちらの系では，DNA オリガミ

３次元 DNA オリガミ構造体として最も初期に作ら構造体の固定に光反応性の特殊塩基を使うことによれたのは平面を組み立ててできる中空の多面体

り，光刺激をトリガーとした構造変化を実現していDNA オリガミ構造体で，2009 年にほぼ同時に 4 種

る．

類の構造体が発表された．[1-4] そのうちの 2 つは箱型 DNA オリガミ構造体で，これらの構造体はどちらも，箱型構造体をナノコンテナとして応用することを志向して，「箱の開け閉め」を人為的に制御できる仕組みが施されている（残りの構造体は，それぞれ正四面体と，プリズム型である）．Anderson らの構造体は，おおよそ 40 nm 角の立方体の一面だけが箱の蓋のように開閉できるよう，各面どうしの結合が工夫されている．[1] 蓋の固定は，２対の部分的に相補な DNA 鎖で行っており，これと完全相補なDNA を加えることで，選択的に蓋を開くことができる．筆者らは，蓋を固定する DNA 鎖のペアを「錠前」，蓋を開けるための DNA 鎖を「鍵」と呼んでいる．Anderson らは後に，同じメカニズムで動作する，様々な中空三次元 DNA オリガミ構造体. (a)Anderson らの箱型 DNA オリガミ構造体.
[1] Reprinted with permission from Nature,
2009. (b) 正四面体 DNA オリガミ構造体. [3]Reprinted with permission from Nano
Lett., 2009. (c) 我々の箱型 DNA オリガミ構
造体．[2]

より小さな箱型構造体も作成している．[5]我々が別個に製作した最初期の「ナノメカニカル

前記の箱型構造体はいずれも，開状態ではオリガ

DNA オリガミデバイス」も，およそ 40 nm 角の正ミ構造体を固定する部分を有しない．そのため，こ方形 6 面からなる箱型 DNA オリガミ構造体である

れらの構造体が開くための駆動力は，水溶液中におが，その動作メカニズムは上記の例とは少々異なる．

ける自由運動によるものである．積極的な駆動力を[2] この構造体は，当初は互いに直交する 3 つの面かもって DNA オリガミ構造体を構造変化させた例とらなるユニットが 2 つ，ヒンジ部でつながった「開しては，Firrao らの研究例が挙げられる．彼らはチいた構造体」に組み上がる．ここへさらにトリガー

ューブ状の DNA オリガミ構造体に DNA の二本鎖形となる DNA 鎖を加えることで，箱型の「閉じた構

成によって駆動される同様のハッチを設け，その開造体」へと変型する．最近では内部に直径 10 nm の閉動作を確認している．

金ナノ粒子を選択的に一粒子だけ取り込み，ナノキ

中空の３次元 DNA オリガミ構造体には，DNA オ

ャリアへと応用することにも成功している．[6] また，

リガミ中で DNA を曲げる技術を利用して，曲面も52

利用することができる．[8] Yan らはこれにより，壺せて，鳥かご状の巨大構造など，従来考えられなか型の構造体や，球体 DNA オリガミの構築に成功しったような複雑な立体ナノ構造体が自在に構築できている．

るようになっている．最近では，リポソームに穴を開けるイオンチャンネルの機能を持つ構造体なども作られている．[11]参考文献[1] E. S. Andersen, M. Dong, M. M. Nielsen, K. Jahn, R.
Subramani, W. Mamdouh, M. M. Golas, B. Sander, H.,
Stark, C. L. P. Oliveira, J. S. Pedersen, V. Birkedal, F.
Besenbacher, K. V. Gothelf, J. Kjems, Nature, 2010，459,73.

[8]を参考に図を作成.

[2] A. Kuzuya, M. Komiyama, Chem. Commun., 2009,■ ハニカム３次元 DNA オリガミ

4182.

３次元 DNA オリガミ構造体のもう一つのカテゴリ[3] Y. Ke, J. Sharma, M. Liu, K. Jahn, Y. Liu and H. Yan,

ーが，ハニカム 3 次元 DNA オリガミだ．[9]Nano Lett, 2009, 9, 2445–2447.
[4] M. Endo, K. Hidaka, T. Kato, K. Namba and H.
Sugiyama, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 15570–15571.

[5] R. M. Zadegan, M. D. E. Jepsen, K. E. Thomsen, A.
H. Okholm, D. H. Schaffert, E. S. Andersen, V.
Birkedal, J. Kjems, ACS Nano 2012, 6, 10050.
[6] A. Kuzuya, M. Kaino, M. Hashizume, K.
Matsumoto, T. Uehara, Y. Matsuo, H. Mitomo, K.
Niikura, K. Ijiro, Y. Ohya, Polym. J., 2015, 47,
177-182.

Reprinted with permission from Nature, 2009.

[7] T. Takenaka, M. Endo, Y. Suzuki, Y. Yang, T.
caDNAno を使う BIOMOD 参加者にとっては，こちEmura, K. Hidaka, T. Kato, T. Miyata, K. Namba, H.

らの方がなじみがあるだろう．中空の DNA オリガ

Sugiyama, Chem. Eur. J., 2014, 20, 14951.

ミ構造体の場合，DNA そのものは非常に柔らかいた[8] D. Han, S. Pal, J. Nangreave, Z. Deng, Y. Liu andめ，水溶液中での実際の構造には，かなりのゆらぎ

H. Yan, Science, 2011, 332, 342–346.

があると推定されている．一方で，平面状のオリガ[9] S. M. Douglas, H. Dietz, T. Liedl, B. Hogberg, F.

ミをひだ状に折り重ね，中身がつまった立体構造を

Graf, W. M. Shih, Nature, 2009, 459, 414

形成するハニカム 3 次元 DNA オリガミでは，この[10] H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih, Science,ような問題を考えなくて良い．この方法を用いると，2009, 325, 725.

構成する DNA の長さをうまく調節しながら異なる[11] M. Langecker, V. Arnaut, T. G. Martin, J. List, S.

面積の平面を重ねることで，形成される立体構造に

Renner, M. Mayer, H. Dietz and F. C. Simmel, Science,

は曲がりやねじれまで導入することまでできる．[10]2012, 338, 932–936.

今日ではこのような曲がった構造体を複数組み合わ葛谷明紀（関西大学）

53

20．DNA タイル
DNA ナノ構造の作製手法の中でも，パターンをもつ二次元構造や三次元結晶を作る際に用いられるのが，この DNA タイルと呼ばれる方法である．ここではその基礎について，二次元の DNA モチーフを例に紹介する．
また，アルゴリズミック・セルフアセンブリとよばれる手法の基本的な考え方について概説する．

■ DNA タイル = モチーフ + 粘着末端の構造をつくる，というのがおおまかな構造形成のDNA を折りたたんでつくるナノ構造の代表的な作流れとなる．（つまり，DNA の場合は，パズルのピ

成手法のひとつが，DNA タイルである．たとえるな

ースそのものも溶液の中でひとりでに出来上がるわ

らば，ピースを次々にくりかえしてつけていくジグ

けである．
）ここでは，その DNA タイルの基礎とな

ソーパズルを，分子のスケールで実現したようなもるさまざまなモチーフと，アルゴリズミック・セルのだと思うと分かりやすい．

フアセンブリとよばれる DNA タイルを利用したパターン形成について概説する．
■ DNA モチーフ
DNA の分岐構造を組み合わせることでつくられる「繰り返し単位」となる構造のことを DNA モチー
フと呼ぶ．DNA タイルに用いられるモチーフの中でも，もっとも代表的なものが，ダブルクロスオーバ[1]より許可・改変の上転載

ー（DX）分子と呼ばれる構造である． マグネシウ
ジグソーパズルでいうところのピースに相当するのムイオンなどで DNA 同士がもつ静電的な反発をおが，複数の DNA 二重らせんがくみ合わさった，モ

さえるように調製した水溶液中では，四つ又分岐（クチーフとよばれる構造ユニットである．また，パズ

ロスオーバー）構造は，下図 a の左右のように閉じルの場合は，いろいろな種類の凸凹が端にあって，たコンフォメーションをとることが可能になる．たこのかたちでもってどのピース同士がつくかというだもちろん，この状態では分岐部分がヒンジのようのを決めているわけだが，DNA タイルの場合は粘着に自由に動いてしまうため，かたちを一意に定める末端がこの役割を果たす．粘着末端が相補配列となことは出来ない．そこで b のように分岐を２つ並べった DNA タイル同士のみが，互いにくっつくことることで，二本の二重らせんを並行にならべたかたができるわけである．ジグソーパズルの場合は，もちで固定したのが，このダブルクロスオーバー分子

ちろん人間がひとつずつピースを組みあげていくわ

である．

けだが，DNA タイルの場合は，溶液中のブラウン運
動とハイブリダイゼーションを利用することで，ひとりでに構造がくみあがる．これを自己集合という．
具体的には，アニーリング（☞76）とよばれる除冷方法を利用することで，熱力学的に安定な状態，この場合端的にいうと「二重らせんがよりながく構成される状態」にもっていくことができる．この手法を利用することで，冷却の過程で，溶液のなかにある複数種類の DNA 分子はまずタイルを形成し，さ[1]より許可・改変の上転載らにそのタイル同士が自己集合し，二次元や三次元

54

ダブルクロスオーバー(DX)タイルは，タイル間の二■ アルゴリズミック・セルフアセンブリ

重らせんの位相に矛盾が出ないように長さを調整しDNA タイルの粘着末端が一種類のペアだけであれ

たうえで，c のように粘着末端部をつけたものである

ば，おなじタイルが延々と続く二次元の平面構造が[2]．粘着末端同士が接続されることで，二次元状にできるだろう．では，もしこの粘着末端のペアが複タイルが連なった平面構造を作製することができる．

数あったらどうなるだろう？たとえば，1 と 0，二種

このときの構造の外観は，二重らせんが並行に並ん類の粘着末端の配列を設計したとしよう．A の右端

だ束のようになる．

は B の左端と 1 でもってつき，B の右端は A の左端

類似の手法で設計することで，二重らせんを三本束と 0 でもってつくようにすると，出来上がる構造はにして並べたモチーフ形状を持つトリプルクロスオ

下図 a のように，A と B が互い違いにつながったもーバー(TX)タイル(a)[3]，回転対称性を持つ n-pointのになるはずだ．

star (b)[4]，四つ又分岐状に並べたクロス・タイル(c)[5]，最終的な構造を取るときにはじめて二重らせんをくむ，一本鎖のみでタイルが構成されたシング
ルストランド・タイル(SST) (d)[6]なども知られている．

[1]より許可の上転載

実際にこのような構造を作り，原子間力顕微鏡（AFM）で観察してみる(b)と，突起物のない A タイ
ルと突起物のある B タイルが交互に並んだ縞模様がみてとれる．
このように，粘着末端の配列の種類（とそれに呼応したタイル自体の種類）を増やしていくことで，よ[1]より許可の上転載

り複雑な模様を作ることができる．たとえば，1 と 0，

著者らが開発した T-モチーフ[7]は，T 字型分岐とい二種類の粘着末端の配列を，今度は下記 a に示すよう，クロスオーバー分岐とは異なる分岐構造をくみうな 4 種類のタイルに割り当てる．

あわせて設計されたモチーフである．マイカなどの基板上に構造を作製できるため，大面積にナノ粒子
やタンパク質を並べるための基盤として利用することもできる．
Reprinted

withpermission

from

NaturalComputing ©2008. [8]より許可の上転載

ひとつだけ 1 のサイトを持つ初期構造(b)からこのDNA タイルを自己集合させていくと，シェルピンス
Reprinted with permission from Angew. Chem. Int.

キー・トライアングルとよばれる，複雑な三角形のEd. ©2009. [7]より許可の上転載

模様を持ったパターン(c)があらわれる[9]．このように，タイルの「ルール」を定めることで，さまざま

55

な模様を作ることができる．じつは，このプロセス

DNA ブリックは，この SST の構造上の特徴を活か

は１次元のセル・オートマトンと同じである．上図 a

しさらに発展させることで，DNA オリガミよりもさでいうところのタイルの下側が入力にあたり，それらに解像度の高い（3 次元構造の場合 8bp）任意の形に対応した上側が出力となっている．右下，左下の状設計を可能にしている．仮に，構造を作るタイル

値に応じて，左右上の出力が定まるようにタイルはの種類を極限まで増やすということを考えてみよ設計されている．
（図のルールは，じつは XOR の演う．あるタイルの粘着末端の配列が，異なる一種類算に対応している．）このように，粘着末端を利用しのタイルにある一箇所の粘着末端のみとしか接続でて計算をおこない，結果さまざまなパターンを形成

きないように配列を設計すれば，構造を構成するタ

することのできる DNA タイルの自己集合を，「アル

イルひとつひとつの種類がすべて異なってくる．つゴリズミック・セルフアセンブリ」とよんでいる．

まり，ある一種類のタイルの位置関係が，相対的にさらに，この粘着末端の接続関係を，0 と 1 とい構造全体の中で一意に定まることになる．DX タイル

った二種類のバリエーションからからさらに推し進など，複数本の DNA を必要とするタイルであれば，

め，すべての粘着末端のペアに異なる配列を割り当それぞれのタイルの内部構造についても配列の直交

てれば，タイル同士の相対的な位置関係を一意に定性を考慮する必要があるため，この戦略を取ることめる（形状を決める）ことができる．これをシング

は現実的には難しい．しかし SST の場合，内部の形

ル・ストランド・タイル(Single-stranded tile, SST)

状をもたず，粘着末端の配列のみを考えれば良いたに実装することで，任意の 2 次元・３次元形状の作め，この戦略を取ることが可能となる．

製を可能にしたのが「DNA ブリック（コラム 1 参照）」

DNA オリガミの場合は，スキャフォルド DNA の配とよばれる手法である．

列が位置関係を決める役目を果たしているが，このコラム１ DNA ブリック

DNA ブリックの場合は，それぞれのタイル内部のドDNA ブリックとは，Single-stranded tile (SST) [14]メインの配列とそれらの組み合わせが，位置関係をとよばれる DNA タイルをもとにつくられた２次決めていると捉えることができるだろう．

元・３次元形状のことを指す．DNA タイルの設計は実際の構造作製の手順としては，下図 b に示すよう一般的に，形状を規定する「モチーフ」と，接続をに，あらかじめ「キャンバス」となる四角形や立方規定する「粘着末端」のふたつを分けて考えるケー体の構造を構成する SST の配列セットを設計しておスがほとんどである．ところがこの SST の場合，粘く．このなかから狙った形状を構成するサブセット

着末端同士が接続された時に形成される二重らせんを選び，混ぜあわせアニールすることで，任意の形そのものがタイル自体の形状も規定している，とい状を作製することができる．[15, 16] また，同様のうのが特徴である．ひとつの一本鎖 DNA を 4 つの考え方で互いにつながる単位構造を設計することドメインに分け（右図 a），それぞれの部分が隣接しで，結晶構造の作製にも成功している．[17]た SST と接続されることで，ハーフクロスオーバー
分岐（ヒンジ部分が一本の DNA で構成される構造）
を介して複数の二重らせんが並んだ構造が作製できる．一本の DNA そのものがひとつのタイルに対応
し，さらに内部に形状を規定するような構造を設計する必要がないということで，現在よく用いられて二次元の DNA ブリックとその作製例． Reprinted withいる DX タイルよりもコンパクト，かつシンプルな

permission from Nature ©2012. [15]より許可の上転配列設計を可能としている．

載．

56

参考文献
[1] Murata, S., Hamada, S. Journal of the Robotics Society ofJapan. 28(10), (2010).

[日本語での解説論文][2] Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L. A., Seeman, N. C. Nature.
394(6693) 539-544 (1998).
[3] LaBean, T. H., Yan, H., Kopatsch, J., Liu, F., Winfree, E.,
Reif, J. H., Seeman, N. C. J. Am. Chem. Soc. 122(9) 1848-1860(2000).
[4] Yan, H., Park, S. H., Finkelstein, G., Reif, J. H., LaBean, T.

DNA ブリックでつくった結晶構造．Reprinted with

H. Science. 301(5641) 1882-1884 (2003).

permission from Nature ©2014. [17]より許可の上転[5] He, Y., Chen, Y., Liu, H., Ribbe, A. E., Mao, C.

載．

Chem. Soc. 127 (35) 12202-12203 (2005).

J. Am.

[6] Yin, P., Hariadi, R. F., Sahu, S., Choi, H. M. T., Park, S. H.,
LaBean, T. H., Reif, J. H. Science. 321 (5890) 824-6 (2008).

コラム２ 「閉じた」DNA ナノ構造
タイルやオリガミ，ブリックといった，二重らせ[7] Hamada, S., Murata, S. Angewandte Chemie International

んを二次元・三次元に並べた構造だけではなく，

Edition. 48(37), 6820–6823 (2009).

DNA で「閉じた形状」をつくることも可能である．

[8] Fujibayashi, K., Zhang, D. Y., Winfree, E., & Murata, S.

(a)立方体構造[10]は，リガーゼを用いてつないだ，(2008). Natural Computing, 24.

カテナン状のトポロジーを持つ複数本の環状[9] Rothemund, P. W. K., Papadakis, N., & Winfree, E. (2004).

DNA で構成されている．(b) ８面体構造[11]は，PLoS Biology, 2(12), e424.

化学的に合成した DNA をつなぐことでつくった[10] Chen, J., & Seeman, N. C. (1991). Nature, 350(6319), 631.

長鎖の一本鎖 DNA を，他の短鎖 DNA も加えつつ[11] Shih, W. M., Quispe, J. D., & Joyce, G. F. (2004). Nature,

折りたたむことで作製された．(c) ４面体構造[12]427(6975), 618–621.

は，４本の一本鎖 DNA のそれぞれが四面体のう[12] Goodman, R. P., Schaap, I. A. T., Tardin, C. F., Erben, C. M.,

ちの３辺を通り，他の３本と辺ごとに相補となるBerry, R. M., Schmidt, C. F., & Turberfield, A. J. (2005). Science

ように設計することで形成される．(d)DNA タイ

310(5754), 1661–1665.

ルのモチーフの例で紹介した三点分岐モチーフを[13] He, Y., Ye, T., Su, M., Zhang, C., Ribbe, A. E., Jiang, W., &用いて，球状の構造を作製することも可能である

Mao, C. (2008). Nature, 452(7184), 198–201.

[13]．アニーリング時の濃度を変えることで，４[14] 小宮 健，瀧ノ上面体，１２面体，さらにはバッキーボール状の構DNA ナノエンジニアリング 近代科学社

正浩，田中 文昭，浜田 省吾，村田智．

(2011)[14] Yin, P. et al. Science 321, 824–826 (2008).

造作製に成功した．

[15] Wei, B., Dai, M. & Yin, P. Nature 485, 623–626 (2012).
[16] Ke, Y., et al. Science 338, 1177–1183 (2012).
[17] Ke, Y. et al. Nature Chemistry 6, 994–1002 (2014).

a は[14]から，b は[11]から，c は[12]から，d は[13]を参考に図を作成．

浜田省吾（コーネル大学）

57

21．DNA 修飾粒子（SNA）
DNA ナノ構造の３つの作製アプローチのうち，金ナノ粒子などを核とし，そこに修飾した DNA を選択性のある結合として用いることで構造を形成する手法が，この SNA（Spherical Nucleic Acids）である．本項では，そのコンセプトを概説する．
■ SNA（Spherical Nucleic Acids）とはというのが一般的な作製手順である．たとえば下図

DNA のみをつかって構造を作る「折りたたみ」や「ハのように，リンカーとなる DNA で修飾された粒子

イドロゲル」といったアプローチに対し，この SNA間をつなぐことで，面心立方格子(f.c.c.)や体心立方格は，構造の核にコロイド粒子を用い，ここに DNA を子(b.c.c.)をもつ結晶構造が得られている(a) [5,6]．ま修飾することで，その相互作用によって結晶構造をた近年では，アニーリングによって，ウルフ多面体と作るというものである．この発想は， Mirkin ら[1]よばれる単結晶構造をマイクロスケールで得ることと Alivisatos ら[2]によって 1996 年に考案され(同にも成功している[7,8](b)． DNA によるナノスケー

号の Nature 誌に連続して掲載されている)，その後，

ルでの相互作用の結果が，結晶成長学では平衡形と球形の粒子の周りに DNA が配置されたその外観かして知られる巨視的な形状の形成に至ったという点

ら，Mirkin により SNA という総称が提唱されて本で，重要な意味を持っている．

日に至る．DNA タイルとのアナロジーで考えると，タイルの場合，モチーフ構造がその剛性を規定する
が，SNA の場合は，球状（もしくは異方性のある形
状）の粒子が構造の剛性を決定している，と考えればReprinted withpermission fromNature, 2008, 2014.
[6, 7]

分かりやすい．ただし，タイルとは異なり，SNA の場合は，粘着末端として機能する DNA が粒子表面全体に修飾されている．この DNA の集団相互作用

参考文献

により，化学でいうところの「原子価」や「結合」と[1] Mirkin, C. A., Letsinger, R. L.,

いった原子レベルのコンセプトを，コロイド粒子間Letsinger, R. L., Mucic, R. C., Mucic, R. C., Storhoff, J. J., & Storhoff,
J. J. (1996). Nature, 382(6592), 607–609.

の反応にそのまま適用できるという点がおおきな特[2] Alivisatos, A. P., Johnsson, K. P., Peng, X., Wilson, T. E., Loweth,

徴となっている． つまり，自在に設計可能な DNA

C. J., Bruchez, M. P., & Schultz, P. G. (1996). Nature, 382(6592),

同士のハイブリダイゼーションを粒子間の相互作用

609–611.

につかうことで，プログラム可能な，「原子と等価な[3] Jones, M. R., Seeman, N. C., & Mirkin, C. A. (2015). Science,

347(6224), 1260901. [レビュー]

ふるまいをする」コロイド粒子が設計でき[3]，その[4] Zhang, C., Macfarlane, R. J., Young, K. L., Choi, C. H. J., Hao, L.,

結果，結晶構造そのものの制御が可能となる．

Auyeung, E., et al. (2013). Nature Materials, 12(8), 741–746.

■ ナノ粒子への修飾と構造形成[5] Nykypanchuk, D., Maye, M. M., van der Lelie, D., & Gang, O.

現在のところ，比較的簡便な作製手法が確立されて(2008). Nature, 451(7178), 549–552.
[6] Park, S. Y., Lytton-Jean, A. K. R., Lee, B., Weigand, S., Schatz,

いることから，ナノ粒子には金が材料として選択さG. C., & Mirkin, C. A. (2008). Nature, 451(7178), 553–556.

れることがほとんどである．チオール基を修飾した[7] Auyeung, E., Li, T. I. N. G., Senesi, A. J., Schmucker, A. L., Pals,

DNA を化学合成し，これと金ナノ粒子を混ぜ，DNA

B. C., la Cruz, de, M. O., & Mirkin, C. A. (2014). Nature, 505(7481),
73–77.

同士の反発を抑えるようにイオン濃度を調製したバ[8] Hamada, S., Tan, S. J., & Luo, D. (2014). Nature Materials, 13(2),ッファ下で反応させることで，粒子表面に修飾する，

121–122. [解説]浜田省吾（コーネル大学）

58

59

22．DNA ハイドロゲル
構造 DNA ナノテクノロジーの３つのアプローチのなかでも，
もっとも最近になって考案されたのがこの DNA
ハイドロゲルである．DNA を組み合わせてネットワークを作るこの手法の概要と，これまでに考案されてきたゲルの例，作製したゲルの検証方法とその応用について概説する．

“sticky■ はじめに”DNA を使った構造作成手法の中でも，溶液中でネットワークを作製することでマクロスケール（マイクconﬁ

ロ〜センチメートルオーダー）の構造をつくる方法
G’が，DNA ハイドロゲルである．このトピックでは，
現在知られている DNA ハイドロゲルの概要と，そinﬂの作製方法・検証の手法，そしてこれらをつかった
応用例について概説する．
G’■ 化学ゲルと物理ゲル”

Reprinted withfrom Advanced Materials,
2011. [2]“stickypermission
ends”“stickyG’ends”

一般的に，ゲルはそのネットワークのクロスリンク

もうひとつは物理ゲルである．物理ゲルは水素結合（架橋）の方法によって 2 種類に大別される．

inﬂ

efﬁ

や物理的なからみあいなど，共有結合以外を用いてクロスリンクしたゲルのことを指す．化学合成したDNA を用いて物理ゲルを作った最初の例のひとつ“sticky“sticky”.

”

としては，Liu らによるモチーフベースの設計があ“sticky”.

る [2]．これは，Y 字型の形状を持つ分岐同士を，両端に粘着末端をもつ二本鎖のリンカーを介して接続”,することで，ゲルを形成するという手法である．さ

“sti

4–6

らに，ハイブリダイゼーションを介して特異的に接続できる DNA の利点を生かしつつも，ネットワー©

クをかたちづくるバックボーンとしては他の高分子
Reprinted with permission from Nature Materials, 2006. [1]を利用することで，ゲルを作製した例などもある [3]．

ひとつめは化学ゲルである．化学ゲルはクロスリン

また，最近ではこのような物理的な架橋をして形成

クが共有結合によってなされたもので，結果，構造する DNA ハイドロゲルを 3D プリンタと組み合わせ自体を破壊しないかぎり，全体のネットワークが壊ることで，二・三次元形状をマクロスケールで形成れる（溶ける）ことはない．DNA のみを使った化学するという報告もされている [4]．

ゲルの例としては，先にも紹介したモチーフベース

DNA を用いた物理ゲルのもうひとつの作成手法の設計[1]が広く知られている．具体的には，粘着末としては，DNA ポリメラーゼと呼ばれる酵素を用い端を持つ X,Y,T 字などの形状を持つ分岐を，リガーたものがある [5]．
（DNA ポリメラーゼは，プライマ

ゼによる酵素反応で接続する．これにより，二重らーを起点としてテンプレートに相補となる DNA をせんが組み合わさった強固なネットワークを作製す

伸長させる機能を持つ．
）簡単にそのプロセスを解説ることができる．

しよう．まず，環状のテンプレートとなる DNA を

60

“
“

”
”

用意し，その相補配列を持つプライマーDNA (プラ貯蔵弾性率 G’ （簡単にいえば，試料がどれだけが固イマー1) をハイブリダイゼーションさせたうえで，体らしい振る舞いをするかを表す)と，粘性成分であDNA ポリメラーゼを使って，プライマー1 の伸長反る損失弾性率 G”（一方で，どれだけ液体らしい振る

応を開始させる．このポリメラーゼは強力な鎖置換舞いをするかを表す）を算出する． G’>G”であると能を有しており，結果，テンプレートの相補となる

きに，測定試料がゲルであると定義されている．

配列を繰り返し持った長い一本鎖 DNA を作製することができる．このプロセスを，RCA (Rolling Circle
Amplification)とよぶ．ある程度この初期反応を進ませて十分に最初の一本鎖 DNA を伸ばしたところで，
今度はこれに相補な配列を持つプライマー2 と，最初に用いたプライマー1 とおなじ配列を持つプライ
マー3 を再度溶液に投入し，ここからさらなる伸長■ 応用

反応を開始させる．この新たに投入したプライマー2

DNA ハイドロゲルの応用先として最も有力なもの

は，最初の段階で作製した長い一本鎖 DNA を今度のひとつが，プラスミドなど，遺伝子を含む DNA

はテンプレートとすることで伸長反応を開始する．

をゲルのネットワークに組み込むことで，ゲル内部

一方プライマー3 は，最初の長い一本鎖と，プライでのタンパク質の無細胞合成を促進させるというも

マー2 によってあらたにつくられた長い一本鎖にハのである．[6] 実際にタンパク質を合成させたところ，

イブリダイゼーションすることで伸長反応を引き起

溶液中と比較しておよそ 300 倍の効率で生産できる

こす．結果として，作製された DNA は互いに複雑ことが確認されている．このとき DNA ハイドロゲに絡み合い，ネットワークが形成されゲルとなる．

ルは，遺伝子の（分子構造の）保護，通常の溶液と比較した際にゲル中に存在する遺伝子の濃度の上昇と，酵素反応自体のターンオーバーの効率化による転写効率の向上，といった点から効率の向上に寄与しているのではないか，と考えられている．

参考文献[1] Um, S. H., et al. Nature Materials, 5(10), 797–

Reprinted withpermission fromNatureNanotechnology,
2012. [5]801 (2006).

[2] Xing, Y., et al. Advanced Materials, 23(9),1117-1121 (2011).
[3] Nagahara, S., et al. Polymer Gels and■ 検証の方法

Networks, 4(2), 111–127. (1996).

作製した構造が「ゲルであるかどうか」を確認する[4] Li, C., et al. Angew. Chem. Intl. Ed, 54(13),

方法のなかでも，最も一般的に用いられる手法とし

3957–3961 (2015).

て知られているのが，レオメータを用いた動的粘弾[5] Lee, J. B., et al. Nature Nanotechnology, 7,性の測定である．動的粘弾性測定とは，試料に正弦816–820 (2012).

波となるように応力を加え，それに対するひずみ応[6] Park, N., et al. Nature Materials, 8(5), 432–

答を測定，この位相差と振幅から，弾性成分である

437 (2009).
浜田省吾（コーネル大学）

61

23．概論 DNA ナノマシン，ナノロボット
DNA で「形」がつくれるなら，次は「動き」だ．動きをつくる方法にはどんなものがあるだろうか．

■ 分子マシンとは

これらの人工の分子マシンは，合成有機高分子とし分子マシン（分子機械）は，「刺激の入力に応答ては巨大なものであるが，その運動は往復運動や回して，一定の方向性を持つ動きを起こす分子」と転運動といった比較的単純なものに限られている．

定義される．一般には，複数の状態があり，それ■ DNA ナノマシン

らの間を繰り返し遷移するものが考えられている．

DNA を使えば，もっと複雑な動きができる．さらに

生物はきわめて精巧にできた分子マシンの塊であ

その動きを制御することも可能である．DNA ナノマ
シンの駆動方法には次のようなものがある．

る．細胞の中では，タンパク質でできたいろいろな種類の分子マシンがたくさん働いている．たとえば，
バクテリアのべん毛を回転させる分子モーターは細DNA ナノマシンの駆動方法
外部駆動

胞膜内外のプロトン濃度差によって駆動される．ま鎖置換（DNA 入力）＊

た筋肉は，アクチンとミオシンと呼ばれるタンパク

BZ 遷移（塩濃度変化）

質の繊維が ATP の加水分解のエネルギーをつかって

光応答性塩基（光入力）

すべり運動をおこすことにより収縮する．このほか

自律駆動にも，ほとんどの生物が ATP 合成に用いている F 型

酵素反応（DNAzyme，制限酵素）＊

ATP 合成酵素はそれ自体が回転することによって合鎖置換（DNA 入力を自律化）＊

成反応を行っている．こういった生体の分子マシン
は，いずれもきわめて効率がよいことが特徴である．

＊配列特異的・・・特定の配列だけ駆動できる

これに対し，人工の分子マシンは，カテナン（鎖外部駆動というのは，一定の入力信号を外部からのように輪がつながった形の分子）とかロタキサン

与えるもので，信号が入力されるたびに，ナノマシ（輪の中をひもが通っているが，ひもの両端が大き

ンが一ステップずつ動く．自律駆動というのは，外いために輪がはずれないような構造の分子）をジョ部から信号を与えなくても，分子マシンが自律的にイントや軸受けのように見立てて，可動部のある分

動く（あるいはそのために必要な分子信号が順次生子構造をつくったものである．これらは分子シャト成される）というものである．

ルとか分子ピンセットと呼ばれている．また，ナノ外部駆動の方法として，もっとも一般的なものはカーと呼ばれるももある．ナノカーの 4 つの車輪は鎖置換である（☞ 42）．この場合は，種類の異なる

フラーレンでつくられ，車軸は炭素-炭素の共有結合

DNA 一本鎖を一つずつ，ピペット操作で溶液に加えにより無限回転できるようになっている．ナノカーていく．加えられた DNA 一本鎖が DNA ナノマシン

は熱揺らぎにより金表面をまっすぐに動くことが観の構造の一部を置き換えることにより，ナノマシン

察されている[1]．

の形がかわり，それが１ステップの動作になる．その代表的なものは鎖置換反応によって動く分子ピンセットである（☞ 24）．鎖置換反応を用いる駆動法の利点は，どこを置換するか選べることである．ピンセット以外にもウォーカー（☞ 25）やペンチ（☞

ナノカーReprinted from Nano Letter ©2005 ACS26）などいろいろなバリエーションがある．鎖置換62

反応を用いたナノマシンとして，今のところもっとも複雑なものは，Seeman のグループが開発したナ
ノ組み立て工場である（☞ 26）．

DNAzyme 配列をもちいた自律ウォーカー[4]を参考に図を作成■ アメーバロボット
これまでに説明した分子マシンは，いずれも溶液中に単分子として存在し，その形状や結合状態が順次変化することで動作するものであった．分子ロボティクスプロジェクト（☞ 1 コラム）では，その次の段階として，リポソーム（☞ 89)などの反応容器のナノ組み立て工場

中に，DNA 計算回路と分子アクチュエータを封入しReprinted with permission from Nature, 2010 [3]て，アメーバのような動きをさせることを目指して

BZ 遷移をもちいた駆動方法は，CGCGCG…といいる．これまでに，微小管に DNA タグをつけるこう塩基配列をもつ DNA がイオン濃度に応じて，右とによって，微小管を集合させたり離散させたりす

ねじの B 型から左ねじの Z 型に遷移することを利用ることができており，それを自律的な DNA 反応系

する．ピペット操作で溶液中のイオン濃度を変える（☞ 27）で制御することが目標になっている[2].

ことでこのマシンは何度でもねじり運動を行うことができる．また，アゾベンゼンのような光応答性の人工塩基（☞ 48）を組み込んだナノマシンもある．
アゾベンゼン分子が光照射により異なる形態をとることを利用して，UV 光照射によりアゾブンゼンを含んだ DNA2 本鎖の結合・解離を制御することができる．これら BZ 遷移や光応答性塩基をつかった駆動
では，入力に対してすべてのアクチュエータが同時

アメーバロボットのイメージ［2］に動いてしまい，複雑な動作の駆動には向かない．

Reprinted from Accounts on Chem Res. ©2014 ACS

参考文献

一方，自律駆動の分子マシンの例は多くない．その代表例は，自律駆動型のウォーカーである（☞ 25）．

[1]

自律駆動型ウォーカーは 2 次元 DNA オリガミ（☞

して，東京化学同人，2008 年

18）の上に作られたウォーカーが結合するためのト[2 ］Hagiya et al. Molecular robot with sensors and

ラックＤＮＡの列を，ウォーカーの脚についた

Actuators, Accounts of Chemical Research, 2014, 47(6),DNAzyme 配列（☞ 30）断することで歩行動作を実

1681-1690.

現している．ここでは，トラックＤＮＡが一本切れ[3] Gu et al. A proximity-based programmable DNA

るたびに，ウォーカーが一歩進み，次のトラックＤ

nanoscale assembly line. Nature, 465, 202-205, 2010

ＮＡと結合するというサイクルが自律的に繰り返さ[4] Lund et al. Molecular robots guided by prescriptive

れるため，外部からの入力を必要としない．

landscapes. Nature, 465, 206-210, 2010

最新分子マシン，ナノで働く”高度な機械“を目指村田 智（東北大学）

63

24．DNA ピンセット
温度や pH などの溶液条件を変えることなく，DNA の構造を配列特異的かつ可逆的に変化させて機械的な仕事をする DNA ナノマシン．
その先駆けである DNA ピンセットのために考案された鎖置換反応は，多くの DNA
ナノマシンや DNA 論理ゲートの動作機構として用いられている．
■ DNA ナノマシン

しかし，可逆的に構造変化するには，いったん形成

マイクロメートルよりも小さなナノメートルサイズ

された相補鎖どうしの結合をひきはがし，別の相補の機械をつくって動かすには，どうすればよいだろ

鎖との間で新しく塩基対を組み直すという，自由エ

う？ DNA 分子は配列特異的に相補鎖とハイブリダ

ネルギー的に不利な状態を通る必要がある．それにイゼーションし，ランダムコイル様の一本鎖状態かは気の遠くなるような時間がかかり，実用的な時間

ら，比較的堅いロッド様の二本鎖状態へと変化する内で動作する機械を実現することは不可能と考えら（☞ 40）．この自己会合する性質を利用して，二次れていた．だが，Yurke たちは「DNA ピンセット

元・三次元のナノ構造体を作成することが可能であ（DNA tweezer）」でそれをやってみせた [1]．

る（☞ 17）．もし，このようにしてつくったナノ構■ DNA ピンセットの動作概要

造体を繰り返し構造変化させることができるなら，
ナノサイズの機械が実現できる．
分子でつくった機械に対し，それが存在する環境の条件，たとえば溶液の pH やイオン強度を変化させれば分子の構造が変化するだろう．しかし，環境変化に対する構造変化の特性が異なる多様な分子を用意し，それらを組み合わせて複雑な機械動作を実現するのは難しい．また，溶液中でいっせいに起こる環境変化で複数の分子機械を個別に制御したり，協調的に動作させたりすることはさらに困難だ．
DNA でナノ構造体を作成するときのように，DNA分子の配列特異的なハイブリダイゼーションによって，いったん作成した構造を可逆的に変化させることはできないだろうか．
DNA の自己会合を利用するナノ構造体の作成は，C. M. Niemeyer, M. Adler, Angew. Chem. Int. Ed.
2002, 41, 3779 より許可を得て転載．

熱力学の視点でみると，自由エネルギー的に有利な状態に向かって進行するプロセスだ．適切に相補配列が配置されるように設計することで，DNA 分子を

DNA ピンセットは，３本の DNA 鎖からなる単純な混合するだけで膨大な数の構造体がひとりでに組み構造体に，構造変化を指令するシグナルかつ燃料の上がる．それならば，いったん構造体を形成した後役目を果たす２本の DNA 鎖を順番に投入することに，構造体中の DNA 鎖と結合してよりエネルギーで動作する．１本の DNA 鎖（Ta）と，その 5′ 側，

的に有利な状態となる配列を持つ DNA 鎖をさらに3′ 側の各部分に対して相補的な配列を持つ２本の投入すれば，原理的には構造が変化するはずである．

DNA 鎖（Tb, Tc），計３本の DNA 鎖がハイブリダイ

64ゼーションすると，図左上のように２本の固いロッ

ことが確認できる．続いて Fo 鎖を投入して蛍光が増ドをヒンジで連結したピンセットのような構造体が大したら，DNA ピンセットが再び開いて可逆動作をできる．２本のロッド部分からはそれぞれ一本鎖の完了したことが確認できる．また，DNA ピンセット

部分が突き出ており，双方の突出部分と相補的な配の開閉にともなって発生する力の大きさは，熱力学列を持つ DNA 鎖（Fc）を投入するとハイブリダイゼ的な計算から約 15 pN と見積もられており，天然のーションして，ピンセットは閉じた構造へと変化すタンパク質分子モータであるキネシンやミオシンとる．ここで，投入された DNA は配列特異的に構造同程度の力を発生できると考えられる．

変化を指令した“シグナル”であると同時に，自由エネルギー的に有利な状態に向かって進行する構造■ 最近の発展

変化を駆動させた“燃料”であると考えられる．

DNA ピンセットは，開閉動作を行うたびに DNA 溶

次に，構造体に結合した Fc を，やはりシグナル兼液を加える必要がある．反応溶液が閉鎖系の場合は，燃料となる別の DNA 鎖で引きはがすことができれこの操作によって DNA ピンセット濃度が希釈されば，可逆的な機械動作が達成される．図下部の構造るため，DNA 溶液の添加を繰り返すと動作効率はでは，二本鎖部分の末端から突出した「足がかり徐々に低下する．また，Waste が蓄積して予期しな（Toehold）」と呼ばれる一本鎖の部分に，これと相い相互作用が起こるおそれもある．浅沼たちは，ア補的な配列を持つ DNA 鎖（Fo）が結合している．

ゾベンゼンを用いてハイブリダイゼーションを光制

Fo は，先ほど形成した二本鎖中の配列とも相補的な御することで，DNA の添加が不要な UV 光による配列を持っており，塩基対の交換が起こる．塩基対

DNA ピンセットの開閉動作を報告している [2]．

の交換は自由エネルギー的にほとんど変化のないプ

また Yan たちは，DNA でより大きなピンセット

ロセスであり，ランダムウォーク的に進行する．Fc

様構造を作成し，その先端にそれぞれ酵素と補因子の塩基対がすべて置き換わると，Fc と Fo が結合したを結合させることで，酵素反応を DNA ピンセット

二本鎖構造体が排出物（Waste）として放出されて，の開閉動作によって制御するナノリアクターを構築

DNA ピンセットは元の開いた構造に戻る．ここで用した [3]．DNA ピンセットが閉じて脱水素酵素といられた「鎖置換反応」と呼ばれる反応は，その後NAD+が接近すると，開いている状態と比べて酵素の多くの DNA ナノマシンや酵素フリー型 DNA 論理

反応が 5 倍以上促進される．開閉動作によって酵素ゲートの動作機構として利用されている．

反応を促進もしくは抑制して制御できることが確認された．今後，DNA ピンセットを活用したより複雑■ DNA ピンセットの動作確認実験

な機械動作や，それを利用した精密な反応制御の実

数千塩基対からなる DNA オリガミ構造体などと比現が期待される．

べると，100 塩基対に満たない DNA ピンセットは非常に小さく，AFM 観察でその形をみることはできな

参考文献

い．正しく動作しているかどうかは，多数の DNA[1] B. Yurke, A. J. Turberfield, A. P. Mills, Jr., F. C.

ピンセットの動作を反映した蛍光の変化を，バルク

Simmel, J. L. Neumann, Nature, 2000, 406, 605.

溶液で観測して確認するのが一般的である．図中に[2] X. Liang, H. Nishioka, N. Takenaka, H.

小さな球で描かれているように，蛍光基と消光基でAsanuma, ChemBioChem, 2008, 9, 702.

DNA 鎖の末端を修飾しておく．Fc 鎖を投入して[3] M. Liu, J. Fu, C. Hejesen, Y. Yang, N. W.

DNA ピンセットが閉じると，蛍光基と消光基が接近

Woodbury, K. Gothelf, Y. Liu, H. Yan, Nature

して蛍光が減少するため，閉じた構造が形成された

Communications, 2013, 4, Article number: 127.

小宮 健（東京工業大学）

65

25．DNA ウォーカー
DNA でつくられた足場の上で，単純な DNA 構造体が結合と解離を繰り返して移動する DNA ウォーカーは，
これまでにいろいろなタイプの歩行機構が提案されている．DNA を逐次投入して一歩ずつ歩行を制御する
DNA 応答型，および酵素反応やヘアピン DNA の結合を利用する自律歩行型 DNA ウォーカーを紹介する．

■ 分子が歩く
前節では，DNA でできたナノ構造体が繰り返し開閉動作する DNA ピンセットについて解説した．本節では，ナノ構造体が移動する「DNA ウォーカー」を紹介する．まず，“分子が歩く”イメージを確認しておこう．日常生活では重力があるため，体は地面に接しており，何もしなければその場から移動することはない．しかし，ナノメートルサイズの分子の世界ではその逆に，何もしなければ溶液中の分子はブラウン運動でどこかへ吹き飛ばされてしまう．分
子が歩くためには結合する“足場”が必要である．
生体内では歩行するモータタンパクのための足場が張り巡らされていて，その上を移動することで分子の輸送などを実現している．DNA ウォーカーの場合

図１．DNA 鎖 A1, A2, D1 をそれぞれ黄色，ピンク，

は，同じく DNA でつくられた構造体が歩行のため灰色で示す．参考文献 [1]より許可を得て転載．

の足場となる．構造体上のある部位に結合した DNA

Copyright ©2004, American Chemical Society.

ウォーカーが，別の部位に結合して元の部位から解離する，という動作を繰り返し行うことで，足場でに足を下ろす．次に A2 を加えると，ウォーカーのもある DNA 構造体の上を歩行する．

う一方の足も隣の固定子に足を下ろす．このとき，■ DNA 応答型 DNA ウォーカー

加えた DNA の一部の領域は一本鎖のままで残り，

Pierce たちは，DNA ピンセットにおいて考案された

鎖置換反応の足がかり（Toehold）となる（☞ 42）．

鎖置換反応を利用して歩行する DNA ウォーカーをその次に，A1 の全長に対する相補配列を持つ D1 を構築した（図１）[1]．図の上部に描かれた，２本の加えると，鎖置換反応によって A1 がウォーカーの足DNA 鎖が部分的にハイブリダイゼーションした構および固定子から解離し，ウォーカーの一方の足が造体が DNA ウォーカーで，一本鎖の領域がウォー上がった状態に戻る．以上のように足を上げ下ろし

カーの「足」の役割を果たす．これに対し，下部にする歩行動作を，足の先端に消光基，固定子の先端描かれた複数の DNA 鎖がハイブリダイゼーションに蛍光基をそれぞれ修飾しておくことで，蛍光分光してできた構造体からも，一本鎖の領域が突き出し

光度計を用いた観測によって確認した（☞ 81）．

ている．この一本鎖領域を「固定子（Stator）」と呼■ 酵素反応を利用する DNA ウォーカー

ぶ．ここに歩行動作のシグナルかつ燃料となる DNA

DNA ウォーカーは，相補配列との結合と解離を繰り

鎖を加えていく．まず A1 を加えると，相補配列どう返して歩行するが，酵素反応と組み合わせて歩行にしが結合してウォーカーの一方の足が固定子の一つ

方向性を持たせるこころみが行われてきた．これま66

でに制限酵素とライゲースを使用するものや，造体の触媒的（catalytic）な形成や，自己触媒的なDNAzyme を使用するものなどが報告されている．

二本鎖 DNA 生成などの興味深い反応システムを構

ここでは，ニッキング酵素による不可逆的な DNA

築した [4]．そのなかで，DNA だけで自律歩行するの切断反応を使用するものをみてみよう（図２） [2]．

DNA ウォーカーを提案している（図３）．ウォーカ

ウォーカーは１本のーは２本の DNA 鎖が部分的にハイブリダイゼーシ

DNA であり，これが相補ョンした構造体で，二本鎖部分の両側に足となる一配列を持った固定子と結本鎖の領域がある．足場上の固定子はヘアピン構造

合すると，ニッキング酵素を形成するように設計されており，歩行のための燃の認識配列が二本鎖の状料となるヘアピン DNA が加えられても，固定子と態になることで，ニッキン

直接は結合しない．ウォーカーが結合してヘアピン

グ酵素が固定子 DNA を切構造が開いた固定子とのみ，燃料となるヘアピン

断する．切断によって生じ

DNA が結合して足を解離させるようになっており，

た短い DNA 断片は融解温ウォーカーの歩行動作は自律的に進行する．

度が低いため，ウォーカー
から自発的に解離する．
図 ２ ． J. Bath, A.

固定子の配列は全て同じ

Turberfield,

Natureで，ウォーカーの一本鎖

Nano- tech. 2007, 2,

領域が足がかりの役目を275 より許可を得て転果たして鎖置換反応が起載．緑色が DNA ウォー

こり，ウォーカーは隣のカー，黄緑色が固定子固定子へと移動する．すDNA，黒い三角が切断ると再びニッキング酵素点を表す．

による切断が起こり，直線的に並んだ固定子上をウォーカーが一方向に進んでいく．最初の報告では，やはり蛍光分光光度計を用いた観測で歩行動作の確認が行われていたが，その後，高速 AFM を用いた動画撮影によって１分子の歩行動作が計測されている [3]．

図３．参考文献 [4] より許可を得て転載．

■ ヘアピン DNA を利用する DNA ウォーカー

参考文献

DNA は分子内に互いに相補的な部分配列があると，[1] J.-S. Shin, N. Pierce, J. Am. Chem. Soc., 2004,

結合してヘアピン構造をとる．全長に対する相補配

126, 10834.

列を持つ DNA と分子間でハイブリダイゼーション[2] J. Bath, S. Green, A. Turberfield, Angew. Chem.

する場合と比べると，ヘアピン構造の方が自由エネ

Int. Ed. 2005, 44, 4358.

ルギー的には不安定であるが，速度論的（kinetic）[3] S. Wickham, M. Endo, Y. Katsuda, K. Hidaka, J.

にハイブリダイゼーションを抑制するので，足がかBath, H. Sugiyama, A. Turberfield, Nature

りとなる配列をうまく設計すると，多段階にハイブ

Nanotech., 6, 166.

リダイゼーションする反応経路をプログラムするこ[4] P. Yin, H. Choi, C. Calvert, N. Pierce, Nature,とができる．Yin たちはこの手法を使って，分岐構

2008, 451, 318.

小宮67

健（東京工業大学）

26．DNA ナノマシン
少数の短い DNA からつくられる DNA ピンセットやウォーカーには，あまり複雑な動作を行わせることはできないが，これらを DNA オリガミに組み込んでやると，何段階もの反応をプログラミングすることができる
ようになる．また，DNA オリガミそのものを動かす分子デバイスも開発されている．
DNA オリガミ上で DNA 分子マシンを動かす

パクから，RNA 切断活性を持った特殊な DNA の

DNA オリガミ分子上で初めて DNA 分子マシンを■足を三本生やしたもので，DNA オリガミ上に多数動かすことに成功したのは，やはり DNA 分子マ

生やした RNA の足場を徐々に分解しながら，自シンの先駆者である Seeman らである．彼らは，発的に移動することができる．

2009 年に自身らの回転運動マシンを DNA オリガ

一方，Turberfield らは，やはり 1 本鎖 DNA をミ内に固定化し，その構造変化を AFM で可視化

DNA オリガミ上に並べたトラックを作成し，そのすることに成功している．[1]さらにこの系を発展上で彼らの酵素反応を利用した DNA ウォーカー

させ，彼らは DNA オリガミ上にナノメートルサを走らせている．[4] こ DNA ウォーカーの動きを

イズの組み立て工場を再現した．[2] すなわち，

1 画像/秒で撮像できる高速 AFM を用いて，彼ら

DNA オリガミ上に一本鎖 DNA の足場を生やし，は DNA ウォーカーが動いている動画を世界で初

その上を三角形の DNA ウォーカーに歩かせる．

めてとらえることに成功した．さらに彼らは，トさらに横からは三カ所の回転アームを組み込み，ラック上に分岐点を設け，DNA ウォーカーが歩く

DNA ウォーカーが前にやってきたときに，金ナノ

方向を DNA 鎖のインプットにより制御すること

粒子の受け渡しができるようにしたのである．いにも成功している．[5]かにも複雑な系であるが，彼らは AFM や電子顕■微鏡などを駆使して，DNA ウォーカー上に狙い通構造変化が実用的な機能に直結した世界初のナノりの粒子が積まれていることを見事に証明した．

メカニカル DNA オリガミデバイスとして，我々

ナノメカニカル DNA オリガミデバイス

は長さ約 170 nm の 2 本のレバー部が支点一カ所で結合された，ペンチ型の可動式 DNA オリガミ
構造体（DNA ペンチ）を作成した．[6-9] DNA 二
重らせん 6 本が束ねられて形成されるこれらのレバー部は，Holliday Junction からなる支点を中心に自在に回転でき，水溶液中では主に内角 60˚の X字型の構造をとっていると予想されている．実際に，DNA ペンチをマイカに吸着させて AFM 測定を行うと，X 字型に開いた構造物が多数観察される．これに対して、レバー部に様々な化学修飾をReprinted with permission from Nature, 2010.

施すことにより、ターゲット分子との相互作用を同じように，DNA オリガミ上で DNA ウォーカ

利用してレバー間に第 2 の結合点を形成させるこーを歩かせたもう 1 つの例が，Lund らによるとができれば、DNA ペンチを＝字型の閉じた構造「DNA スパイダー」の系である．[3] 「DNA ス

体へと構造変化させることができる．例えば，ビパイダー」とは，ストレプトアビジンというタン

オチンをレバー部に修飾すれば、ストレプトアビ

68ジンタンパクを一粒だけ摘まんでペンチを閉じる

二重らせんが解離し，樽の内側に生やしておいたことが可能である．これを AFM で単分子イメー

抗体断片が呈示されることで，DNA ナノロボット

ジングすることにより，ターゲットタンパクを単はターゲット細胞に結合する．Amir らは後に，同分子レベルで検出できたことになる．このように様の DNA ナノロボットを生きたゴキブリ中に注

可動変形する DNA オリガミデバイスを活用する

入し，機能を証明することまでしている. [12]ことで、質量数が最も小さい１である水素イオン
から、分子量数百の小分子，さらには分子量数万

参考文献のタンパクまでの幅広いターゲットを，単一の系[1] H. Gu, J. Chao, S.-J. Xiao, N. C. Seeman, Nature

で同時検出できる単分子検出系が実現したことにNanotech. 2009, 4, 245.

なる．

[2] H. Gu, J. Chao, S.-J. Xiao, N. C. Seeman, Nature,
2010, 465, 202.
[3] K. Lund, A. J. Manzo, N. Dabby, N. Michelotti, A.
Johnson-Buck, J. Nangreave, S. Taylor, R. Pei, M. N.
Stojanovic, N. G. Walter, E. Winfree, H. Yan, Nature,
2010, 465, 206.
[4] S. F. J. Wickham, M. Endo, Y. Katsuda, K. Hidaka, J.
Bath, H. Sugiyama, A. J. Turberfield, Nature Nanotech.,
2011, 6, 166.
[5] S. F. J. Wickham, J. Bath, Y. Katsuda, M. Endo, K.
Hidaka, H. Sugiyama, A. J. Turberfield, Nature Nanotech.,
2012, 7, 169.

ターゲットとの相互作用により DNA オリガミ
デバイスの構造変化を誘起し，これをターゲット[6] A. Kuzuya, Y. Sakai, T. Yamazaki, Y. Xu, M.

の検出に利用したその他の例としては，光ピンセ

Komiyama, Nature Commun., 2011, 2, 449.

ットを活用したタンパク質の検出系が Mao らに[7] T. Yamazaki, Y. Aiba, K. Yasuda, Y. Sakai, Y.

よっても報告されている．[10]Yamanaka, A. Kuzuya, Y. Ohya, M. Komiyama, Chem.

■

Commun. 2012, 48, 11361.

DNA オリガミロボット

DNA オリガミの構造変化を機能と結びつけたも[8] A. Kuzuya, R. Watanabe, M. Hashizume, M. Kaino, S.

う一つの例として，Douglas らは，ターゲットとMinamida, K. Kameda, Y. Ohya, Methods 2014, 67, 250.

なる細胞を論理演算により認識して結合する[9] A. Kuzuya, R. Watanabe, Y. Yamanaka, T. Tamaki, M.

「DNA ナノロボット」を報告している．[11] こKaino, Y. Ohya, Sensors 2014, 14, 19329.

の DNA オリガミデバイスは，閉じた状態では差[10] D. Koirala, P. Shrestha, T. Emura, K. Hidaka, S.

し渡し 35 nm の六角形の断面を持つ，長さ 45 nm

Mandal, M. Endo, H. Sugiyama, H. Mao, Angew. Chem.

の全体がワニの口のように開くような樽型構造をInt. Ed. 2014, 53, 8137.

している．ワニの口先は，細胞の分泌物を特異的[11] S. M. Douglas, I. Bachelet, G. M. Church, Science,に認識するアプタマーで閉じられており，この部

2012, 335, 831.

分で相手があらかじめ設定されたターゲット細胞[12] Y. Amir, E. Ben-Ishay, D. Levner, S. Ittah, A.

であるかを判定する．狙い通りのターゲットであAbu-Horowitz, I. Bachelet, Nature Nanotech. 2014, 9,

った場合には，口を閉じていたアプタマーを含む

353.

葛谷明紀（関西大学）

69

27．自律的な DNA 反応系
自律型 DNA コンピュータ，自律型 DNA ウォーカーなど自律駆動する分子ロボットの構築には自律的な DNA
反応系が欠かせない[1]．ここでは，自律的な DNA 反応系をまとめておく．この技術は，他の解説にあるシス
テムでも度々利用されているため，それらを参照できるようなポインタも示しておく．

■ 自律的な反応

果，2 本鎖配列が連続した長い DNA が生成されるこ「自律的」という言葉は曖昧さがあるので，この分とになる．この HCR は，微量のシグナル分子の検出野における意味を定義しておく．通常，化学合成で，に用いられるとともに，自律型 DNA コンピューテ「ある反応が終わったら，その次の反応試薬を入れィング等にも利用できる．

て反応させ，それが終わったらさらに試薬を追加し・・・」というように各ステップで実験作業を行わなければいけない反応を自律的でない反応という．
反対に，最初に試験管等に試薬を入れて反応を始めてしまえば，多段階の反応が，DNA 塩基配列にプログラムされた情報などを基に，逐次，順序よく進んで行き，正しい結果（計算結果，分子の合成・構造
変化・動きなど）を出力する反応を自律的な反応と図 1．HCR のメカニズム．

いう．以下では，自律的な反応系の具体例をいくつ■ Reverse-transcription-and-TRanscription-based
Autonomous Computing System (RTRACS)

かピックアップして説明する．
■ Hybridization Chain Reaction (HCR)

陶山，瀧ノ上，木賀らのグループは，ウィルスが宿Pierce ら の グ ル ー プ は ， Hybridization Chain

主細胞に感染して増殖する反応をヒントに，逆転写

Reaction (HCR)と呼ばれる，ある種の DNA 増幅系

反 応 （ Reverse transcription; RT ） と 転 写 反 応を開発した（図 1）[2]．この反応は，2 種類のヘア（Transcription）をベースにした自律型 DNA コン

ピン DNA（H1 および H2）と反応開始のトリガー

ピュータ RTRACS（アールトラックス）を開発したとなるイニシエーターの ssDNA（I）からなり，酵[3,4,5]．図 2 は RTRACS による AND ゲート[3]の構

素反応は一切使わず，ハイブリダイゼーション反応成である．RTRACS は，入出力分子（データ分子）

のみで自律的に進む．図 1A にあるように，H1 とに RNA を，プログラム分子に DNA を用いる．入力

H2 があるだけでは反応は起こらない．ここに I が加された RNA input r21 は，反応系内にあるプライマ

えられると，I が持つ配列 a*が H1 のトーホールド

ーDNA 1 とハイブリダイゼーションし，RT によっ（足がかり）配列 a にハイブリダイゼーションし，て DNA が伸長される．RNA 分解酵素（RNaseH; RH）

そのままブランチマイグレーションによって H1 のによって，RNA が分解されると 1 本鎖の DNA 12

ヘアピン構造が開かれる（図 1B）．その結果，H1 がが生成される．DNA 12 は，もう一つの入力である持つ配列 c が，H2 のトーホールド配列 c*にハイブリ

RNA input r32 とハイブリダイゼーションし，RT に

ダイゼーションし，ブランチマイグレーションによ

よってさらに伸長する．RH によって RNA が分解さって H2 のヘアピン構造も開かれる．これにより H2

れると 1 本鎖の DNA 123 となる．これが系内にあるが持っている I と同じ配列 b*a*が露出し（図 1C），

コンバーターDNA にハイブリダイゼーションする

以上が連鎖反応（chain reaction）していく．その結と，DNA ポリメラーゼ（DP）によって，DNA が伸

70

長し，その結果配列内の T7 プロモータ配列が 2 本鎖・DNA ウォーカー（☞ 25）

化される．T7 RNA ポリメラーゼ（RP）は，この 2・DNA 論理ゲート（☞ 29）

本鎖化したプロモータ配列に結合し，その下流の・DNAzyme ロジック（☞ 30）

RNA output r45 を転写する．このような一連の反応

・エントロピー駆動ゲート（☞ 31）

は，自律的に進行し，全体としては 2 つの RNA 入・シーソーゲート（☞ 32）

力によって，1 つの RNA 出力を生むという演算がで・DNA Toolbox（☞ 33）

きる．RNA がインターフェースとなっているので，・Whiplash PCR（DNA 状態遷移機械）（☞ 34）

ゲートをつないでより複雑な演算を行うことなどが・DNA Automata（DNA 状態遷移機械）（☞ 34）

可能となる．たとえば，ネガティブフィードバック

参考文献

ループを作れば，振動反応ができる可能性もある[4]．

[1] 小宮健, 瀧ノ上正浩, 田中文昭, 浜田省吾, 村田智，“DNA ナノエンジニアリング”，近代科学社(2011/4/30), 202 ページ, ISBN: 978-4-7649-0402-6.
[2] R. M. Dirks, N. A. Pierce, “ Triggered
amplification by hybridization chain reaction”，
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 15275–15278(2004).
[3] M. Takinoue, D. Kiga, K.-I. Shohda, A. Suyama,“Experiments and simulation models of a basic
computation element of an autonomous molecular
computing system ”， Phys. Rev. E 78, 041921(2008).
[4] M. Takinoue, D. Kiga, K.-I. Shohda, A. Suyama,“RNA Oscillator: Limit Cycle Oscillations basedon Artificial Biomolecular Reactions ”， New
Generat. Comput. 27, 107–127 (2009).

図 2．RTRACS による AND ゲート[5] S. Ayukawa, M. Takinoue, D. Kiga, “RTRACS:■ Transcriptional bistable circuit and oscillatora modularized RNA-dependent RNA transcription

Winfree らのグループは，転写反応を利用した双安

system with high programmability”，Acc. Chem.

定 ス イ ッ チ （ bistable circuit ） や 振 動 反 応 系

Res 44, 1369–1379 (2011).

（oscillator）を開発している[6,7]．T7 RNA ポリメ[6] J. Kim, K. S. White, E. Winfree, “Construction

ラーゼの反応は RTRACS に類似しているが，逆転写

of an in vitro bistable circuit from synthetic

酵素を利用しないなどの違いがある．反応は複雑なtranscriptional switches”，Mol. Syst. Biol. 2, 68

ので，詳細は論文を参照のこと．

(2006).

■ その他の自律的な DNA 反応系[7] J. Kim, E. Winfree, “ Synthetic in vitro

上記で説明した自律的な反応はほんの一部に過ぎなtranscriptional oscillators ”， Molecular Systems

い．本テキストの各所に様々な自律的 DNA 反応系

Biology 7, 465 (2011).

が紹介されているのでリストアップしておく．

瀧ノ上正浩（東京工業大学）

71

28．概論 DNA コンピューティングとはAdleman が実際に DNA 分子を用いて具体的な計算を行った後，多くの計算モデルを DNA 分子によって実装する試みが活発に行われて来た．鎖置換反応や酵素反応などの DNA 分子の各種の反応，それらに触発され考案された計算モデル，それらによって実装されるより普遍的な計算モデルについてまとめる．

なお，Adleman の解法および類似解法は，いくつ■ DNA 分子で計算する
分子で計算しようとする提案・試みは古くから行わ

かのステップから成り立っており，様々な計算モデれており，様々な系統がある．その一つは Bennett

ルの側面を有している．特に有向グラフの経路が生が 1982 年に行った可逆分子チューリング機械の提成されるステップは，文法規則によって経路を表現案である．この他にも，Conrad や Vaintsvaig とする文字列が生成される過程とみなすことができる．

Liberman による提案がよく知られている．さらに■ DNA 分子の反応

遡って 1959 年には，ノーベル物理学賞を受賞した

以上のような計算モデルを実現するためには，情報

Feynman が，There's Plenty of Room at the Bottom（データや計算の状態）を DNA 分子によって表現と題する演説の中で，分子マシンの可能性についてし，情報の変換を DNA 分子の反応によって実現し言及している（Feynman の演説）．

なければならない．情報を表現するには，DNA の塩

しかしながら，実際に分子を用いて具体的な計算

基配列，DNA 分子が水素結合によって形成する二次が行えることを最初に示したのは Adleman である．

構造などが用いられる．したがって，表現された情1994 年に Adleman は，DNA 分子に対する実験操作

報を変化させるには，塩基配列を編集したり，二次を巧妙に利用することにより，有向ハミルトン経路

構造を変化させる反応が用いられる．

問題を解くことに成功し，DNA コンピューティング○会合（ハイブリダイゼーション）
互いに相補的な一本鎖が二本鎖を形成する反応．

と呼ばれる研究分野を創始した．狭義の（古典的な）○乖離

DNA コンピューティングは，Adleman による解法

会合と逆に二本鎖が二本の一本鎖に分かれる反応．

の流れを汲む探索や最適化の手法を指すが，その後○制限酵素による切断の DNA コンピューティング研究を俯瞰すれば，実に様々な計算モデルを，分子反応，特に DNA 分子

個々の制限酵素によって定まった認識配列の切断の反応を用いて実現する試みが行われて来たことが部位にしたがって，二本鎖の DNA を切断する．二わかる．したがって，DNA コンピューティングとは，本鎖のうち片方の一本鎖のみを切断して切れ目（ニ一般に，計算モデルを，DNA 分子反応を用いて実現

ック）を入れる制限酵素もある．

することを目指す研究（分野）と言うべきであろう．

○ライゲーション（ライゲースによる結合）

次ページの図では，DNA コンピューティングによ

二本鎖の切れ目（ニック）において共有結合を形って実現することが試みられて来た各種の普遍的な成する反応．

計算モデルを網羅している．このような普遍的な計○ポリメラーゼによる伸長
二本鎖の片方の 3’末端を，もう片方を鋳型として算モデルを DNA の反応によって実現しようとする過程で，DNA の反応に触発された汎用的な計算モデ

伸長する反応．

ルが提案されている．

○鎖置換（ブランチマイグレーション）

二本鎖の片方が入れ替わる反応．

72

DNA の反応

DNA の反応に触発された計算モデル
ここにあげた普遍的な計算モデルは，すべて，DNA
コンピューティングにより実現が試みられている．

会合
乖離

論理回路
AND ゲート，OR ゲート，NOT ゲートなどの論理ゲートを用いて，ブール関数を計算するための最も基本的な計算モデル．

会合と乖離はほとんどのモデルにおいて活用されているので明示しない．

チューリング機械DNA Automaton
DNA の制限酵素による切断を巧みに利用して有限オートマト
ンを実現する計算モデル．

ライゲー
スによる
結合

ポリメラ
ーゼによ
る伸長

普遍的な計算モデル

無限長のテープと，その上の文字を読み書きするヘッドを制御する有限状態制御部から成る計算モデル．チューリング機
械を実現できれば，任意の計算可能関数を計算することができる．

有限オートマトン
テープを有限とし，ヘッドを読み込み専用とし，ヘッドの動
く方向を一方向に制限したチューリング機械．逐次的な入力（入力文字列）によって現在の状態を逐次的に変化させる最も基本的な形式機械である．

PEN Toolbox

レジスタマシンDNA のポリメラーゼによる伸長とニッキング酵素による切断を利用した増幅系に基づく計算モデル．複数状態安定スイッ
チやオシレータなどを実装することが可能であり，たとえば有限オートマトン実装することが可能である．

有限オートマトンに，非負整数を格納することが可能なレジスタを追加した形式機械．レジスタが三つ以上あれば，チューリング機械と同等の計算能力を有する．

マルチセット書き換え
DSD（DNA Strand Displacement）
制限酵素
による切
断

DNA の鎖置換（strand displacement）に基づく計算モデル．
短い toe-hold が自発的に乖離することを利用している．原理
的には，任意の CRN を実装することが可能である．

CRN（Chemical Reaction Network）

グラフ上の経路の生成
Adleman のハミルトン経路問題の解法の最初のステップにおいて，グラフ上の経路が網羅的に生成されている．限定された文法による文字列の生成とみなすことができる．

マルチセットの要素を分子とみなし，書き換え規則に反応速度を割り当てたモデル．

セルオートマトン
有限オートマトンが空間の格子状に並んだもので，隣接する
オートマトンの状態が各オートマトンへの入力となり，オー
トマトンの全体が同期して状態を遷移させる．

Splicing System
鎖置換

ポピュレーションプロトコルを一般化した計算モデル．あらかじめ用意された書き換え規則によって，マルチセット（多重集合）が書き換えられる．並列・分散計算のモデルあるポ
ピュレーションプロトコルは，マルチセット書き換えの特殊な場合と考えられる．また，空間が膜によって区切られ，膜内でマルチセットが書き換えられる計算モデル（P-system）
をはじめ，マルチセット書き換えを拡張した計算モデルは数多く提案されている．

制限酵素とライゲースによる二本鎖 DNA の組み替えに基づく計算モデル．

生成文法
文法規則によって文字列を生成する計算モデルである．正則
言語，文脈自由文法，文脈依存文法など，文法規則の形によって階層的なモデルが定義される．

aTAM・kTAM
DNA タイルを想定したタイルアセンブリの計算モデル．

タイルアセンブリ
文字列ではなく，二次元や三次元の構造の形成するための計算モデル．あらかじめ定義された規則によって結合する複数
種類のタイルが集合することによって，二次元や三次元の構造が形成される．

Seesaw Gate
DNA の鎖置換を利用したシーソーゲート（seesaw gate）による計算モデル．論理回路・ニューラルネットワークなど，多くの計算モデルを実装することができる．

ニューラルネットワーク
脳神経系のニューロンのネットワークを真似た計算モデル．
各ニューロンには，複数のニューロンの出力（一般には非負実数）が入力として与えられる．入力の重み付き線形和の関数（たとえばジグモイド関数や閾値を持つ階段関数）によって出力が定義される．このようなニューロンのネットワーク
によって，パターン認識や分類などの高度な情報処理を行うことができる．

萩谷昌己（東京大学）

73

29．DNA 論理ゲート
DNA 分子によって論理回路を実装する試みは数多く行われている．論理回路の基本概念についてまとめた
後，分子による実現に関する一般原理について述べた後，具体的な試みとして Seelig の酵素フリーロジックと Genot たちの可逆論理回路を紹介する．
■ 論理回路■ 分子による実現

論理回路は，最も基本的な計算モデルの一つである．

以上に述べたように，論理回路は最も基本的な計算

なぜ論理回路が最も基本的な計算モデルか．そもそモデルであり，分子反応によって論理回路を実現す

も，ビットは最も基本的なデータであろう．したがっることは，分子による計算の可能性を研究する上で，て，ビットが何個か並んだビット列も基本的なデー

最も基本的なテーマとなる．したがって，多くの研究タである．そして，ビット列を入力としてビットを出者によって論理回路を分子反応，特に DNA 分子の力する関数（ブール関数）は，最も基本的な計算と考反応によって実現しようとする試みが活発に行われえられる．そして，そのような関数を実装する仕組みて来た．

が論理回路である．なお，このような論理回路は特に分子反応によって論理回路を計算するには，まず，組み合わせ回路と呼ばれ，この他にメモリ（記憶）を

0 と 1 のビットをどのように表現するかを定めなけ持った論理回路である順序回路があるが，ここでは，ればならない．一般に，電圧，光の強弱・波長，磁界組み合わせ回路のみを扱う．

の方向，温度など，ビットを物理現象によって表現す

数学的には，論理回路とは巡回路を持たない有向る方法は多種多様であるが，各々のゲートの出力がグラフである．一般に，有向グラフのノードに入って他のゲートの入力となり，分子反応によって連鎖的来る有向辺の数をそのノードの入次数といい，出てにゲートの計算が行われるためには，各ゲートに分行く有向辺の数を出次数という．論理回路の場合，ノ子種を対応させる必要がある．

ードは，入力ノードと論理ゲートに分類される．入力

したがって，最も基本的な方法は，各ゲートに異なノードの入次数は 0 である．論理ゲートとして，通る分子種を割り当てる．たとえば，ゲート g に分子常は，AND と OR と NOT が用いられる．AND と OR

種 G を割り当てる．そして，ゲート g の出力が 0 のの入次数は 2，NOT の入次数は 1 である．論理ゲー

場合，分子種 G の分子は存在せず（濃度は 0 であり），トのうちの一つが出力ノードと定義される．入力ノg の出力が 1 の場合，G 分子は存在（濃度がある閾

ードから出力ノードまでのパスの最大長を，論理回値以上）と定義する．究極的には，出力を 1 とする路の深さという．

には分子は 1 個あればよいが，現実的には，濃度の計算モデルとしての論理回路は計算量の観点から閾値を定義して，G の濃度が閾値以上であるときに活発に解析されて来た．たとえば，NC と呼ばれる計

出力が 1 であると定義する．出力が 0 である場合は，算量のクラスが定義されている．n ビットの入力を持

濃度は限りなく 0 に近くあって欲しい．以上の表現

つブール関数の族が NC に属するとは，それを実装

方法を，以下の dual rail 表現との対比で single rail

する論理回路の族で，ゲートの数は n の多項式，回表現と呼ぶことにする．

路の深さが log n の多項式となるものが存在すること

いわゆる dual rail 表現では，各ゲート g に二種類をいう．ただし，計算資源の制限されたチューリング

の分子種 G と H を対応させる．g の出力が 1 である

機械が存在して，n を入力として，n ビットを入力とことは，G 分子が存在（濃度がある量以上）であるこ

する論理回路（の表現）を出力する．

とによって表現し，g の出力が 0 であることは，H 分

74

子が存在（濃度がある量以上）であることによって表
現する．
■ Seelig の酵素フリーロジック
まず，Seelig たちによる酵素フリー（酵素無し）の論
理ゲートについて紹介する．

二つの入力 Fin と Gin によって，AND ゲートの形態が変化して行き，両方の入力が揃ったときにのみ，出力である一本鎖部分 Eout が露出する．各反応
は，反応速度の違いはあるが，両方向に進むことができるので，入力の一方を取り除くと，可逆的に反応が上図では AND ゲートが実装されている．Gin と進み，出力が消滅する．

Fin が入力である．まず，Gin がゲート内の一本鎖 G

したがって，single rail 表現においても，NOT ゲと toe-hold を介して結合した後，鎖置換反応によっートを実現することができる．NOT ゲートに対応すて，Gin と G が二本鎖を形成する．すると，新たにる一本鎖 G は，あらかじめ系に入れておく．NOT ゲ

露出した toe-hold に Fin が結合して，鎖置換反応にートの入力は，G と相補的な一本鎖とする．相補鎖より F と Fin が二本鎖を形成する．以上のように，が入力されると，G と二本鎖を形成して G を系から

入力 Gin と Fin の両方が存在すると，出力である

取り除くので，G が否定されたことになる．G がな

Eout が一本鎖となって乖離する．

くなると，それにしたがって後段のゲートの反応が一本鎖 DNA（もしくは一本鎖部分を持つ DNA 分

可逆的に進むために，論理回路の計算が正しく行わ子）がビットを表し，これらの存在の組み合わせによれる．

って，新たな一本鎖 DNA が生成されることによっ

参考文献てゲートが計算される．鎖置換によって安定な二本[1] [Seelig 2006] Seelig, G., Soloveichik, D., Zhang,鎖が生成される反応は非可逆であり，一方向にのみ

D.Y., and Winfree, E., Enzyme-Free Nucleic Acid

進む．したがって，この方式では，ある分子種の非存

Logic Circuits, Science 314(5805):1585–1588, 2006.

在によって反応を進めることはできないので，single[2] [Genot 2011] A. J. Genot , J. Bath , and A. J.

rail 表現の場合，NOT ゲートを実装することができ

Turberfield, Reversible Logic Circuits Made ofない．NOT がある場合には，必然的に dual rail 表

DNA. J. Am. Chem. Soc., 133(50):20080–20083,

現を取らざるを得ない．

2011.

■ Genot たちの可逆論理回路
Genot たちは下図のように可逆な論理ゲートを実装している．この図でも AND ゲートが実装されている．

萩谷昌己（東京大学）

75

30. DNAzyme 論理ゲート
DNA の中には酵素のような機能を持つ特別な配列があり，DNAzyme と呼ばれる．中でも金属イオンによりリボヌクレオチドのバックボーンを分解する DNAzyme を説明する．さらに DNA の組み合わせにより論理ゲートを構成した応用例を紹介する．
■ 金属イオンにより活性を持つ DNAzyme■ DNAzyme を活用したシステム

特別な配列な配列を持つ DNA は酵素のような活性

DNAzyme は金属イオンの存在を検出するシステムを持ち，一般に DNAzyme と呼ばれる．ここでは金として利用できるだけでなく，DNA を入力とする複属イオンによりエンドヌクレアーゼ活性を持つ

雑なシステムへと応用が可能である．特徴的な例がDNAzyme を紹介する．

ウォーカーと論理ゲートの構築である．ウォーカー

Mg2+により活性を持つ DNAzyme の概念図を図 1

では，DNAzyme による分解反応が連続して起こり，に示す[1]．赤い矢印が DNAzyme を，青い矢印が基次第に分解する位置が移動するというシステムであ質の分子を表す．青い分子は DNA と RNA のキメラる[4] (☞ 25)．

であり，DNAzyme により分解される部分のバック

DNA 論理ゲートは，望み通りのハイブリダイゼー

ボーンはリボースになっている．さらに反応の進行

ションが起きた場合にのみ基質が切断されるシステを検出するために，各末端に蛍光と消光分子が修飾

ムを作ることで実現されている[1]．図 2 は AND ゲ

されている．初期状態では FRET により蛍光は抑制ートであり，最初の状態では赤い DNA の上下の部されている(☞ 51)．

分は，ヘアピン構造により基質がどちらにもハイブ
リダイゼーションできない．入力によりヘアピン構

Mg2+を加えることにより，青色の基質分子のバッ
クボーンが分解される．結果的に蛍光と消光分子の距離が離れ，FRET が解消されることで蛍光する．
重要な部分は，赤い DNA 右側の膨らんでいる活性部位である．一方で赤い DNA と青い基質はハイブ
リダイゼーションにより結合しているが，その部分の配列を変更しても一般に活性は保たれる．
分解活性を持つ DNAzyme には Mg2+で活性を持
つ配列以外にも，Zn2+や Pb2+により活性を持つ配列が知られている[2]．また分解活性以外にも，バックボーンを接続するリガーゼ活性を持つ配列などが報告されている[3]．

図 1 DNAzyme の概念図

図 2 DNAzyme を使った AND ゲート

76

造が開かれるが，一方だけでは基質を切断するにはをすべてのチューブにピペッティングして入力を行至らない．両方の入力がそろって初めて，基質が切う．システム側はマス目に対応するチューブから蛍断され，出力として蛍光を測定できる．

光が出力される．ピペッティングと蛍光の読み出しを繰り返すことでゲームが進むが，システム側は負さらに活性部位にヘアピンを同様に入れることにけないようにプログラムされている．

より，最初は活性があるが，入力が来ると失活する

もう一つのシステムはディスプレイである[7](図 4

ような仕組みも実現できる．[1]の論文では，AND 以
外にも⊅(非含意)や XNOR が報告されている．

右)．入力の組み合わせにより，進数の変換や四則演

このような DNAzyme を使った論理ゲートを多段算を行った結果が，空間的に配置されたウェルによ

階にカスケードする研究も進んでいる[5]．システム

り 1 から 9 までのデジタル数字として出力される．

の概要を図 3 に示す．切断された DNA が次の切断

参考文献

反応を活性あるいは失活させることで，正しい入力[1] Milan N. Stojanovic, Tiffany Elizabeth Mitchell,
Darko Stefanovic: "Deoxyribozyme-Based Logic Gates",
Journal of the American Chemical Society, 124,3555--3561, 2002
[2] Itamar Willner, Bella Shlyahovsky, Maya Zayats,
Bilha
Willner:"DNAzymesforsensing,
nanobiotechnology and logic gate applications",
Chemical Society Reviews, 37, 1153--1165, 2008[3] Bernard Cuenoud, Jack W. Szostak: "A DNA
metalloenzyme with DNA ligase activity", Nature, 375,
611--614, 1995
[4] Ye Tian, Yu He, Yi Chen, Peng Yin, Chengde Mao: "A
DNAzyme That Walks Processively and Autonomously
along a One-Dimensional Track", Angewandte ChemieInternational Edition, 44, 4355--4358, 2005[5] Johann Elbaz, Oleg Lioubashevski, Fuan Wang,
Francoise Remacle, Raphael D. Levine, Itamar Willner:"DNA computing circuits using libraries of DNAzyme
subunits", Nature Nanotechnology, 5, 417--422, 2010[6] Joanne Macdonald, Yang Li, Marko Sutovic, Harvey
Lederman, Kiran Pendri, Wanhong Lu, Benjamin L.
Andrews, Darko Stefanovic, Milan N. Stojanovic:"Medium Scale Integration of Molecular Logic Gates inan Automaton", Nano Letters, 6, 2598--2603, 2006
[7] Julia E. Poje, Tamara Kastratovic, Andrew R.
Macdonald, Ana C. Guillermo, Steven E. Troetti, Omar
J. Jabado, M. Leigh Fanning, Darko Stefanovic, Joanne
Macdonald: "Visual Displays that Directly Interface andProvide Read-Outs of Molecular States via Molecular
Graphics Processing Units", Angewandte ChemieInternational Edition, 53, 9222--9225, 2014の組み合わせを与えた場合だけ蛍光が出力される系になっている．

図 3 多段階の DNAzyme 論理ゲート[5]．
Reprinted with permission from nature
publishing group, 2010

■ 3 目並べとディスプレイ
DNAzyme による論理ゲートを組み合わせることで，大規模なシステムを実装した例が報告されている．
一つは 3 目並べ行うシステムである[6](図 4 左)．実
際にマス目があるわけではないが，マス目に対応するチューブがあり，人間側は位置に対応する DNA

図 4 DNAzyme による 3 目並べ[6]とディスプレイ[7]．Reprinted with permission from
American Chemical Society, 2006 and Angewandte Chemie International Edition, 201477

川又生吹（東北大学）

31. エントロピー駆動ゲート
DNA の鎖置換反応を使ったシステムの例として，エントロピー駆動ゲートを紹介する．入力 DNA を触媒として使うことで増幅反応が進行し，出力 DNA が得られる．反応の前後で自由エネルギーを比較すると，エンタルピーの項よりエントロピーの項により反応を駆動している系になっている．

■ 鎖置換反応を使ったゲート

ある．

濃度の低い DNA を入力として，濃度の高い DNA をここに入力である Catalyst が存在すると，E で表出力するには，何らかの増幅機構が必要である．こされるドメインに Hybridization を行い，反応が開こでは酵素を使わず鎖置換反応(☞ 42)だけで進行す

始する．Branch migration と Denaturation が続き，る増幅ゲート[1]を紹介する．

Signal(左)分子が放出され，Intermediate 1(下)で表

反応機構の概要を図 1 に示す．矢印は一本鎖 DNAされる状態になる．ドメイン C が一本鎖の状態なのを，アルファベットは塩基のまとまりを表す．大文

で，Fuel 分子が Hybridization することができ，続字と小文字は互いに相補な配列である．反応は左上

く Branch migration により Intermediate 2(中央やから始まり，左回りに順に進行する．素反応としてや右)の構造になり，Output 分子を出力する．さらは，二重らせんを形成する Hybridization，水素結合に Denaturation の反応が進むことで，Catalyst がの 交 換 を 行 う Branch migration ， 解 離 で あ る

放出され，紫色と青色で表される DNA はこれ以上

Denaturation の 3 種類が用いられている．

反応できない Waste(右上)になる．

ゲートは 3 本の DNA が結合した Substrate(左上)

ここで Catalyst は反応の前後で変化せず，触媒とと燃料分子である Fuel(右下)からなる．入力である

して機能している．反応後に放出され，別なサイク

Catalyst(上)がない状態では反応が進行せず，出力分ルを回すことが可能であり，Substrate がある限り繰

子である Output(右)は Substrate に結合したままでり返し利用される．

図 1 エントロピー駆動ゲートの反応機構

78

■ 実験による増幅反応の確認■ エントロピー

出力された Output を FRET(☞ 51)により読み出し

図 1 の触媒増幅反応は何からエネルギーを得て駆動た結果は図 2 のようなものになる．横軸は時間であしているだろう．ここで反応の前後にだけ注目したり，縦軸は蛍光強度を正規化した値である．蛍光強図 3 を考える．反応前は Substrate と Fuel の 2 つ分度が大きいほど，出力の濃度が大きいことを表し，子があり，Catalyst を加えると反応が進み，反応後すべての出力が出た場合に 1 になる．図が直接表しに Waste，Signal，Output の 3 つの分子になる．

ているのは，化学反応モデル[2]から得られる微分方

ハイブリダイゼーションしているドメインに着目

程式を数値解析(☞ 60,67)したシミュレーション結すると，反応の前も後も B，C，D のドメインがすべ

果 で あ る ． 右 に あ る 数 字 は ， Input の DNA をて結合している．つまり反応の前後で水素結合の個

Substrate に対してどれだけを加えたかを表す割合

数は変わらない．水素結合の個数は自由エネルギー(等量比)である．

(☞ 38)のエンタルピーの項(☞ 37)に影響を与える

グラフから分かるように入力の濃度以上に出力のが，この反応では大きな影響を与えないことが分か

濃度があり，増幅が行われている．例えば 0.1x で表る．

される線は，2 時間後に 0.5 を超えている．これは反応の前後で変化したのは分子の個数であり，先10%の入力から 50%以上の出力を得ており，1 つのにも述べた通り，2 分子から 3 分子に増えている．

入力が平均 5 回以上サイクルを回したことを意味し分子の自由度は相対的に大きくなり，配置エントロている．

ピー(☞ 37)が増大する．エントロピーにより駆動し論文中ではゲートを二段に連結させたシステムや，
Output を Input と同じ配列にした自己触媒反応がていることを示すために，論文中では Fuel を短くした実験を行っている．

報告されている．二段に連結させたシステムの実験

エントロピーにより駆動されるシステムなので，結果やモデルの解析によれば，12 時間反応させるこ

DNA のハイブリダイゼーションに影響を与える温とで，濃度比で 0.01%の入力分子が存在するか・し度や塩濃度に対してロバストな反応であり，増幅以ないかを判別するシステムになるそうだ．ただし自外にも利用価値があるシステムと言える．

己触媒反応に関しては出力が指数関数的に増幅できる一方，入力がなくても出力が漏れ出てしまうリーク反応が無視できない問題がある．

図 3 反応の前後だけに注目
参考文献[1] David Yu Zhang, Andrew J. Turberfield, Bernard
Yurke, Erik Winfree: "Engineering Entropy-Driven
Reactions and Networks Catalyzed by DNA", Science,
318, 1121--1125, 2007
[2] Andrew Phillips, Luca Cardelli:"A programming language for composable DNA circuits",
Journal of the Royal Society Interface, 6 Suppl 4,
S419--S436, 2009

図 2 エントロピー駆動ゲートのシミュレート結果[1]([1]を参考に図を作成)

川又生吹（東北大学）

79

32．シーソーゲート
DNA の鎖置換反応(☞ 42)を巧みに利用したシーソーゲート（Seesaw gate）と呼ばれる DNA 分子反応を紹介する．最も重要な点は，回路設計においてシーソーゲートを基本ゲートとし，適切に組み合わせることで論
理回路，リレー，アナログ回路が実現できることである．

■ 基本素子としてのシーソーゲート（基本動作）

トとして動作する．ゲート 4 は AND ゲートの信頼次図に示すような演算素子を考えてみよう．素子の性を高めるために挿入されている．Qian らは，文献

入力信号は，予め設定された閾値と比べられ，閾値

[1]において，その他にも OR ゲート，ブーリアンネ

より小さな信号はノイズとして除去される．あるいットワーク，コンパレータ，リレー，アナログ回路

は，閾値を超える入力に対しては，出力信号が生成を構築しており，DNA 分子反応による回路設計の可されるというものである．ただし，出力生成には燃能性の扉を大きく開いた．このように，シーソーゲ料が必要であるとする．後に説明するように，シーートを巧みに組み合わせて，かつ，回路の動作の信ソーゲートとは，この演算素子を DNA 分子反応で頼性を高める工夫を施すことで，様々な回路を構築実現したものである．

することができることが最大の魅力と言える．

■ 組み合わせて AND ゲートができる
つぎに次図を見てほしい．4 つの基本素子を組み合■ シーソーゲートを構成する DNA 分子反応

わせたものであり，AND ゲートを実現している．いシーソーゲートの機能と魅力が分かったところで，

ま，入力 1 の信号レベルが閾値を超えているケース

具体的な DNA 分子反応について説明しよう．

を考える（以後，簡単に入力が閾値を超えている状

１）閾値処理況を ON，
そうでないときを OFF と呼ぶことにする）．

入力分子は，配列 S1-T-S2 を持つ 1 本鎖 DNA で

ここで，入力 3 は補助的な入力であり，常に ON であり，閾値を決める分子は，足がかり配列 T’をあるとする．入力 1 は ON であるが，ゲート 1 から含む 2 本鎖 DNA である(☞ 42)．入力 DNA と出力が生成されるためには，燃料が必要となる．この燃料は，ゲート 3 からの出力として供給されるが，ゲート 3 から出力が作られるためには，やはりゲー
ト 3 への燃料が必要となる．もし，入力 2 が ON のときは，ゲート 2 からゲート 3 の燃料となる出力が作られる．従って，入力 1 と入力 2 が ON のときのみ，ゲート 1 から出力が生成されることになり，入力のいずれか，あるいは双方が OFF のときは，ゲー

Reprinted from the Journal of the Royal

ト 1 からは出力が生成されない…つまり AND ゲー

Society Interface, 2011 [4] (Open access)80閾値 DNA が出会うと足がかり配列を起点としシーソーゲートは，反応サイクルにおいて，入力て鎖の交換が行われ，1 本鎖としての入力 DNA

DNA を著しく消費すること無く，出力 DNA を生成は消失する．従って，ゲート内での演算を進めするため，モジュール性に優れている．例えば，文るためには，閾値 DNA の濃度を超える入力

献[1]では，構築された論理ゲートを組み合わせて，DNA の存在が必要となる．

さらに大規模な回路としてのコンパレータを実現している．

２）出力生成次図はシーソーゲートの名前の由来となっていコラム 複雑な計算回路

る鎖置換反応の連鎖反応である．図において，さらに本格的な回路も可能である．例えば，文献

実線で示される反応が支配的であり，点線の反[3]では，シーソーゲートを応用した 4 ニューロン

応は逆反応である．まず，入力 DNA（input）を持つニューラルネットワークが作られている．

が ， ゲ ー ト 内 部 に 存 在 す る 2 本 鎖 DNA（gate:output）と出会うと，鎖置換反応により出力の 1 本差 DNA（output）と 2 本差 DNA（gate:input）に置き換わる．gate:input は，燃料 DNA（fuel）が結合するための足がかり配列
T’を露呈するため，今度は fuel と gate:input の間で鎖置換反応が生じ，input と 2 本差 DNA（gate:fuel）に変換される．前半の鎖置換反応
は，図の上から下への物質の流れであり，後半は下から上…と“シーソー”のような反応のサイクルが現れる．特に重要な点は，前半の鎖置
換反応で消費された input が，後半の鎖置換反Reprinted with permission from Nature, 2011 [3]応で補充されるという点である．一般に，回路設計では，回路単体では正常に動作するが複数

参考文献

種類の回路を接続し，組み合わせると正しく動[1] L. Qian, E. Winfree, A Simple DNA Gate Motif

作しない…という状況は避けなければならない．

for

このような，回路単体の動作が接続によって影Computing, pp. 70-89, 2009.

響を受けない性質をモジュール性と呼ぶ[2]．

[2] D. D. Veccohio, R. M. Murray, BiomolecularSynthesizing

Large-Scale

Circuits,

DNA

Feedback Systems, Princeton University Press,
2015.
[3] L. Qian, E. Winfree, J. Bruck, Neural network
computation

with

DNA strand

displacement

cascades, Nature, Vol. 475, pp. 368-372, 2011.
[4] L. Qian, E. Winfree, A simple DNA gate motif
for synthesizing large-scale circuits, Journal of theRoyal Society Interface, Vol. 8, 2011.
Reprinted from the Journal of the Royal．

Society Interface, 2011 [4] (Open access)中茎 隆（九州工業大学）

8133. DNA toolbox
既存の DNA 計算とは異なり，Montagne らによって開発された DNA toolbox は DNA 同士の反応と酵素反応の両方を組み合わせた枠組みである．二つの反応を組み合わせることによって，ユニークな能力を持った動的平衡なシステムを設計することができる．
DNA になるという点は，DNA toolbox の重要な性質である．シグナル DNA を介してテンプレート DNA
同士をリンクすることで，GRN のようなシステムを構築することが可能である．
前の節で述べたように，エキソヌクレアーゼによって一本鎖のシグナル DNA は分解される．一方
テンプレート DNA については，バックボーンの5’末端を修飾して保護することで，そのような分解反応の影響を受けないようにする．

■ 遺伝子制御ネットワークを模倣する
生物の細胞では，遺伝子である DNA を mRNA に転写
し，それをタンパク質に翻訳するという多段階の複雑な情報処理が起こっている．そこでできたタンパク質は，今度は他の遺伝子を活性化したり，あるいは逆に抑制したりする．複数の遺伝子が相互に複雑に影響しあうことで，遺伝子制御ネット
ワーク(Gene Regulatory Network: GRN)と呼ばれるシステムになる．
振動[1]や記憶[2]などの GRN の複雑な振る舞い
を工学的に作成し観察することができる．しかしながら，DNA→RNA→タンパク質という一連のプロ
セスがあるので，反応が遅かったり調整が難し
かったりする．Montagne らは DNA と酵素を組み合わせて，同じような複雑なシステムを構築する以下の戦略を思いついた[3]．
 25 塩基程度のテンプレートと呼ばれる“長い”DNA が遺伝子として働き，酵素反応によって短い DNA を合成する．
 短いシグナル DNA はターゲットとなるテンプ
レートにハイブリダイゼーションし，その働きを活性，あるいは抑制する．
 エキソヌクレアーゼによってシグナル DNA は常に分解され，システムは動的であり続ける．

■ DNA toolbox におけるモジュール
DNA toolbox には，活性化，自己触媒(自己活性)，抑制の 3 つの主要モジュールがある．それぞれの働き，振る舞い，グラフ表現を図 2 に示す．モジュールのグラフ表現では，丸いノードがシグナ
ルを，通常の矢印がテンプレートを，T 字型の矢印が抑制を表す．

■ テンプレート DNA に作用する
テンプレート DNA は入力と出力の二つの領域から成り，DNA toolbox の中心的な役割を担う．入力
領域に相補なシグナル DNA が結合すると，ポリメ
ラーゼによって伸長される．結果的にテンプレー
ト DNA は完全二本鎖になる．入力と出力の両方を離すために，テンプレート DNA はニッカーゼの認識配列を持つ．ニッカーゼによって入力と出力は分離され，解離する(図 1)．
テンプレートから解離した出力は ，シグナル

図 2: DNA toolbox のモジュール抑制を行う三つめのモジュールは，inhibitorと呼ばれる種類のシグナル DNA によって働く．
Inhibitor は対象のテンプレートの多くの部分に結合するが，ポリメラーゼやニッカーゼの反応を起こさない(それぞれ，配列のミスマッチ，不完全な認識配列が原因)．つまり，inhibitor が解離するまでは，テンプレートの働きを失活させる ．
Inhibitor が入力 DNA としては使用できないことに注意する．
Montagne らは上記の枠組み用い，図 3 の振動子を開発し[3]，Padirac らは二状態回路と二状態ス
イッチを開発した[4]．それらのシステムは実験によって実証された．理論的にはさらに複雑なシステムも提案されている[5]．

図 1: テンプレートの働き．1.ハイブリダイ
ゼーション 2.伸長反応 3.分離 4.解離82

■ DACCAD による詳細なモデル
単純なモデルには，テンプレート DNA を陽に記述しないという大きな制約がある．シグナル DNA がテンプレート DNA に結合することで，エキソヌク
レアーゼによる分解反応から守られることも考慮されていない．基質分子の濃度が不明なため，ポリメラーゼやニッカーゼの飽和も計算することができない．ハイブリダイゼーション-伸長-分離による時間の遅れも失われてしまっている．
それらの課題を扱うために Padirac らは，テンプレートのどの領域にシグナルがハイブリダイ
ゼーションするかを追える，詳細なモデルを提案した[4]．そのモデルは Aubert らによってさらに改良された[5]．しかしながらモデル中では非常に多くの反応が組み合わせられるため，手書きでシ
ミュレーションを行うことは不可能である．
Aubert らはシミュレーションの工程を簡略化する
ために，グラフィカルなインターフェースを備えた DACCAD を発表した[5]．ソフトウェアはイン
ターネットから無償で入手可能である．

図 3: Montagne らの振動子と実験結果
Reprinted from Molecular Systems Biology,
2011 [3] (Open Access)■ 単純なモデル
DNA toolbox は非線形な反応を含むので，システ
ムがどのような振る舞いをするか完全に予測することは困難である．最低限の詳細化をする場合，
テンプレートは図 4 のようにブラックボックスととらえる．ブラックボックスはミカエリスメンテンの反応速度に習った，単純な変換器である．このモデルはハイブリダイゼーションとディナチュ
レーション(それぞれ相補な DNA どうしの結合と解離)が酵素反応より十分速く平衡に達するという仮定を根拠としている．結果として，それぞれのモ
ジュールについて，図 4b の数式が得られる．グラフ表現を元に，各シグナル DNA を使用するテンプ
レートの反応を足し合わせることで，システム全体を表す数式を容易に組み立てることができる．
その際に，エキソヌクレアーゼによる分解を，図4d の一次反応によって近似して加える．

■ 実験のための実装
いったんシステムが期待通りシミュレーションできたら，実際の DNA 配列を設計する段階に移る．
この特定の作業については Baccouche らによって詳しく説明されている[6]．論文には実験を行うための基本的な手引きや，よく起こる問題に対する解決策が解説されている．
参考文献[1] Elowitz, M. B., & Leibler, S. (2000). A synthetic
oscillatory network of transcriptional regulators.
Nature, 403(6767), 335-338.
[2] Gardner, T. S., Cantor, C. R., & Collins, J. J.
(2000). Construction of a genetic toggle switch in
Escherichia coli. Nature, 403(6767), 339-342.
[3] Montagne, K., Plasson, R., Sakai, Y., Fujii, T., &Rondelez, Y. (2011). Programming an in vitro DNA
oscillator using a molecular networking strategy.
Molecular systems biology, 7(1).
[4] Padirac, A., Fujii, T., & Rondelez, Y. (2012).
Bottom-up construction of in vitro switchable memories.
Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(47),
E3212-E3220.
[5] Aubert, N., Mosca, C., Fujii, T., Hagiya, M., &Rondelez, Y. (2014). Computer-assisted design for
scaling up systems based on DNA reaction networks.
Journal of The Royal Society Interface, 11(93), 20131167.
[6] Baccouche, A., Montagne, K., Padirac, A., Fujii, T.,& Rondelez, Y. (2014). Dynamic DNA-toolbox reaction
circuits: a walkthrough. Methods, 67(2), 234-249.
[7] Aubert, Nathanaël, et al. (2013). Evolution of
Cheating DNA-based Agents Playing the Game of RockPaper-Scissors. Advances in Artificial Life, ECAL. Vol.
12.

図 4: DNA toolbox のブラックボックスを使った表現と数式．縦棒は制限を，[ ]は濃度を，
αとβはパラメータを表す．Exo はエキソヌク
レアーゼ反応である．.
このような DNA toolbox のモデル化は，Padiracらによって初めて提案された[4]．数式が単純なので，大きなシステムのシミュレーションを極めて速く行うことができる．その性質は，数千回もの評価が必要な，複雑な DNA toolbox システムの進化において使用された．進化の過程では，興味深いパターンを持つシステムがアルゴリズムによって発見された[7]．

83Nathanael Aubert-Kato（御茶ノ水女子大学）
訳 川又生吹（東北大学）

34．DNA 状態機械
自律的に進行する一連の反応で多段階の演算を実行する自律型の DNA コンピューティングは，生物のように分子反応で高度な情報処理を行うための基礎技術になると期待される．内部状態を持つ DNA コンピュータを実装した２つの代表的な反応系について，その概要を解説する．
■ 第二世代の DNA コンピューティングに読み取り，自らの状態を参照しながら状態遷移を

DNA の配列特異的なハイブリダイゼーションにも実行していく．最終状態が受理状態であれば記号列とづく反応は，文字列で符号化された規則に則ったが受理されたと言う．例えば下図の FA は，記号列

記号操作，すなわち「演算」を行っていると考える「baba」が入力されるとまず左端の b を読み取り，ことができる．Adleman は，DNA の反応を利用し状態遷移関数にしたがって初期状態 S0 から S1 へとて実際に数学的な問題が解けることを示した（☞

遷移する．次に左から 2 番目の a を読み取って状態

36）．そこでは，DNA 分子を直線的に記号が並んだ

S1 から S1 へ遷移する．さらに 3 番目の b を読み取っ“記録テープ”として扱い，人間が行う実験操作にて状態 S1 から S0 へと遷移し，4 番目の a を読み取る

よって演算の各ステップを実行する．このようなと状態 S0 から S0 へと遷移する．この例では状態 S0

タイプの DNA コンピューティングは“古典的”，もが受理状態であり，FA は入力 baba を受理する．

しくは“第一世代”と言われる．これに対し，溶液内で自律的に進行する一連の反応で多段階の演算を実行する“第二世代”の DNA コンピューティング
は「分子プログラミング」とも呼ばれ，これまでに偶数個の b を含む記号列を受理する FA．丸囲みの記

いくつかの演算モデルが提案されている．
DNA によるナノ構造が何らかの反応で多段階に号が各状態を表し，二重丸は受理状態であることを変化するとき，各構造が演算における異なる「状態」

表す．矢印とその上の記号で状態遷移関数を表す．

を表していると考える．ある構造をとったときに特Shapiro たちは，DNA と IIs 型の制限酵素 Fok I

定の反応が起こって別の構造へと変化するならば，を利用した反応系で FA を実装した [1]．II 型制限酵

それはナノ構造が自らの内部状態を参照して演算を素は二本鎖 DNA の特定の配列を認識して，両方の行っていると考えられる．近年，DNA 分子の鎖置換

DNA 鎖を特定の位置で切断する（☞ 47）．II 型制限反応にもとづく DNA 論理ゲートが主に研究されて酵素のうち IIs 型は，認識配列の外で DNA 鎖を切断いるが（☞ 29），ここでは酵素反応を利用して内部する．次頁の図に示すように，入力記号列を符号化状態を持つ「状態機械」を実装した２つの反応系をした「入力 DNA」の突出末端の配列に対し，相補的紹介する． DNA コンピューティング分野の初期にな配列の突出末端を持った「状態遷移関数 DNA」が提案された制限酵素を用いる有限オートマトンと，

ハイブリダイゼーションすることで，Fok I が入力

DNA ポリメラーゼによる伸長反応を繰り返して演

DNA を切断する．これは記号を 1 つ読み取って状態

算する状態機械についてみてみよう．

遷移することに相当する．切断後は入力 DNA に新■ DNA オートマトン

たな突出末端が生じ，次の記号を先ほどと同様に読「有限オートマトン（finite automaton: FA）」とはみ取って状態遷移を実行する．Fok I 認識配列のすぐ仮想的な演算モデルであり，内部状態と状態遷移関右側にある 1～3 塩基のスペーサ配列によって，複数数を持っている．記号列が入力されるとそれを順番の状態が巧みに符号化されている．紙面の都合で詳84

細は書き切れないので，元論文 [1] や日本語の解説に次の状態遷移が起こり，多段階の状態遷移を自律[2] を参照されたい．

的に実行していく．その様子が鞭を打ち下ろすようであることから「鞭打ち PCR（Whiplash PCR）」と呼ばれている．この反応系は，DNA の相補配列間での結合が分子内反応であるため，分子間のハイブリ
ダイゼーションとは異なり反応速度が DNA の濃度に依存しない．異なる配列を持った複数の状態機械
が，1 つの反応容器中で並列に多段階の演算を実行することができる．小宮たちは，Adleman と同じ小規模なベンチマーク問題を，Whiplash PCR を利用して一定回数の実験操作で解けることを示した [4]．
■ DNA 状態機械の課題

DNA オートマトンの状態遷移反応．N は任意の塩基，

本稿で紹介した反応系で実用的な演算を行おうとす

縦線で塩基対を表す．Fok I 認識配列を四角で囲った．

ると，DNA オートマトンは符号化できる状態の個数

文献[2] 93 ページ図 5.9 より転載．

が少ない点や，ハイブリダイゼーション速度が濃度に依存するために，どうやって多くのデータを迅速■ Whiplash PCRに処理するかといった点が課題となる．一方，DNA

萩谷たちは，DNA の 3′ 末端部分が分子内の相補配の二次構造形成と融解を繰り返す Whiplash PCR は，列と結合してプライマーとなり，DNA ポリメラーゼ

反応に高温条件を必要とする点や，どのように入力による伸長反応が起こることを利用して，多段階のを行うかという点などが課題である．DNA コンピュ

状態遷移規則を 1 分子の DNA で符号化する状態機

ーティングで適応や学習などの高度な情報処理を実械を考案した [3]．通常の DNA 伸長反応時には 4 種

現するには，内部状態を持つ演算機構は必須だろう．

の塩基すべての dNTP を反応溶液に加えるが，1 種

いろいろな演算モデルとそれを実装する反応系につだけ加えないでおくと，それと相補的な塩基の位置

いて大勢で議論して，上記の課題を克服するようなで伸長反応が停止する．この「伸長停止法（polymeri-

新しい反応系を提案することが望まれる．

zation stop）」によって，各状態を符号化する塩基長ごとに伸長反応を行わせることができる．

参考文献[1] Y. Benenson, T. Paz-Elizur, R. Adar, E. Keinan,
Z. Livneh, E. Shapiro, Nature, 2001, 414, 430.
[2] 小宮健, 瀧ノ上正浩, 田中文昭, 浜田省吾, 村田智, “DNA ナノエンジニアリング”, 近代科学社

伸長停止法．反応溶液から dTTP を除いておくと，[3] M. Hagiya, M. Arita, D. Kiga, K. Sakamoto, S.

鋳型 DNA の塩基 A の位置で伸長反応が停止する．

Yokoyama,

3′ 末 端 部 分 の 配 列 が 状 態 機 械 の 「 現 在 の 状 態

DIMACS

SeriesinDiscrete

Mathematics and Theoretical Computer Science,（current state）」を表しており，伸長反応で 3′ 末1999, 48, 57.

端に新たな配列が付加されることが状態遷移に相当[4] K. Komiya, K. Sakamoto, A. Kameda, M.

する．付加された配列が，それと相補的な配列を持

Yamamoto, A. Ohuchi, D. Kiga, S. Yokoyama, M.

つ分子内の別の部分配列と新たに結合すると，さらHagiya, BioSystems, 2006, 83, 18.

小宮 健（東京工業大学）

85

35．巡回セールスマン問題
Adleman による有向ハミルトン経路問題の DNA 分子を用いた解法について解説した後，巡回セールスマン問
題についても説明し，探索から最適化と題して，in-vitro selection にも言及しながら，遺伝的アルゴリズムなどの進化計算について簡単に述べる．
■ Adleman のアイデアと実験が混合しているライブラリを生成する．そして，そ1994 年に計算機科学者の Adleman は，DNA を用いのようなライブラリ全体に対して，一連の選択操作て，有向ハミルトン経路問題と呼ばれる数学問題をを施して，問題の解の条件を満たす DNA 分子だけを解くことに成功し，ここに DNA コンピューティング

取り出すことによって，探索問題を解く．
Adleman のアイデアでは，グラフの各ノードを，の研究分野が始まったと言っても過言ではない．

一本鎖の DNA 分子によって表現する．もちろん，異なるノードには別の配列を割り当てる．そして，ノードを結ぶ有向辺（たとえば③→④）は，その根元のノード（③）と矢先のノード（④）の配列を半分ずつ結合して，そのワトソン・クリック相補配列によって表現する．

有向ハミルトン経路問題とは，図のような有向グ
ラフ（辺に向きのあるグラフ）の指定されたスター
トのノード（節点）から始まり，別に指定されたゴールのノードに至る経路で，すべてのノードをちょ
うど一回ずつ通るようなもの（これをハミルトン経路という）を探索する問題である．
一般に，膨大な数の解候補の中から解の条件を満

ノードを表現する DNA 分子と有向辺を表現する

たすものを探す問題は，NP 完全問題に分類されるこDNA 分子を化学合成して，試験管の中でアニールすとが多い．NP 完全問題とは，直感的に説明すると，れば，図のように，グラフ上の経路に対応する二本問題のサイズ（グラフに関する問題の場合はグラフ

鎖 DNA 分子が多数得られる．この過程は，グラフ上のノードと辺の数）が大きくなるにつれ，解候補のの経路をランダム（確率的）に生成することに相当数が指数的に爆発してしまい，解の探索が極めて困する．なお，ライゲースを用いれば，隣り合う DNA

難になるような問題である．いうまでもなく有向ハ分子を共有結合で繋げることができる．

ミルトン経路問題は NP 完全問題である．

分子の数は十分に大きく，グラフ上の経路，特にいわゆる古典的 DNA コンピューティングでは，探ハミルトン経路と同じ長さの経路（もしくはそれよ

索問題を解くために，一つ一つの解候補を別々の配り短い経路）はすべて生成されるとしよう．すると，列を持つ DNA 分子によって表現することにより，解DNA 分子として生成されたグラフ上の経路の中から，候補の全体を DNA 分子のライブラリとして生成す解の条件を満たす経路（ハミルトン経路）を選び出る．すなわち，試験管の中に膨大な種類の DNA 分子

せばよい．

86

Aldeman は，ハミルトン経路を選ぶために，PCR，いる．また，単なる経路ではなく，スタートとゴー

電気泳動，磁気ビーズによる選別を用いた．まず，

ルが一致している巡回路を探索する．すなわち，すスタートとゴールを表現する DNA 分子をプライマ

べてのノードをちょうど一度ずつ通る巡回路で長さとして PCR を行い，スタートからゴールに至る経路

が最短ものを求める．最短の巡回路を求めるというのみを選択し増幅する．次に電気泳動により，ハミ問題は NP 完全であるが，この問題は，なるべく短ルトン経路と同じ長さの経路のみを選択する．最後

い巡回路を求めるという最適化問題と考えることもに磁気ビーズを用いて，スタートとゴール以外のすできる．
巡回セールスマン問題も盛んに研究され，実にべてのノードを含む経路を選別する．
以上の操作は，試験管の中のすべての DNA 分子に様々な解法が提案されており，各種の最適化手法の対して一様に適用される．各 DNA 分子は，グラフ上ベンチマークともなっている．

の経路というデータを表現しているので，このよう最適化手法のうち，色々な問題に適用可能は汎用な操作は，すべてのデータに対して一様に適用され的な手法が提案され，メタヒューリスティクスと呼るという意味で「データ並列」と呼ばれる．したがばれている．主なメタヒューリスティクスとして，って，Adleman の方法はデータ並列操作による並列

焼きなまし，ホップフィールドネットワーク，ボル計算と考えることができる．

ツマンマシン，タブー探索，遺伝的アルゴリズム，

同様の方法により，他の NP 完全問題の解法が提案

群最適化，アントコロニー最適化，などがある．

され，実際に DNA を用いた実験も数多く行われた．

このうち，遺伝的アルゴリズムは，多数の解候補

特にブール式の充足可能性問題は，NP 完全問題の中の集団を人工進化させることにより，評価値の大きでも最も基本的なものであるが，Adleman 自身，

い（小さい）解候補を求める手法である．Adleman

Lipton，萩谷他によって，DNA 分子を用いた解法がの方法では，解候補の生成が最初に一度行われるの提案され実験も行われた．

みであるのに対して，遺伝的アルゴリズムでは変異■ 探索から最適化へや交叉によって新たな解候補が生成される．しかし，古典的 DNA コンピューティングでは，解候補を DNA

生成と選択という大枠は同じであり，変異や交叉の分子により確率的に生成する．この過程ですべての操作もデータ並列的に行うことが可能である．した

解候補を網羅することが期待されるが，問題のサイがって，Adleman の方法を遺伝的アルゴリズムなどズが大きくなると，一分子が一候補を表現していての進化計算に発展させることは自然である．

も，すべての候補を網羅することはできなくなる．

その一方で，DNA，RNA，タンパクなどのポリマ

また，確率的な偏りにより，特定の候補のみが生成

ー分子のライブラリに対して人工進化を行うことにされる場合もあり得る．

より，特定の機能（たとえばターゲット分子に対す

さらに，実世界の問題では，解の評価値が定義さる親和性）を持つ分子を探索する方法が確立されてれ，評価値が最大（もしくは最小）の解を求めたい

おり，分子人工進化，in-vitro selection などと呼ばれことが多い．しかも，現実的には，評価値が最大（最ている．これはまさに，分子に対する最適化問題を小）でなくとも，なるべく大きい（小さい）ものを解く方法と考えることができる．

求めたいことがよくある．このような問題を一般に

参考文献

最適化問題と呼ぶ．

[1] Adleman, L.M.: Molecular computation of

巡回セールスマン問題は最適化問題の典型例であsolutions to combinatorial problems. Science Vol.

る．巡回セールスマン問題は有向ハミルトン経路問

266, no.5187, pp. 1021-1024 (1994).

題に似ているが，グラフの辺には長さが指定されて

萩谷昌己（東京大学）

87

NanoQRcode 関西大学 2014 年

88

第4章
基礎知識（お勉強編）

89

36．概論 どんな分野の勉強が必要か
生体分子システムのデザインを競う BIOMOD は，分子に関する化学や物理の知識のほか，プログラミングや機械工学に関連するスキルを身につけたり，生物学や情報科学の造詣を深めたりするチャンスだ．学科の壁を超えた分野融合チームを結成して，オリジナルな分子ロボットで世界に挑戦しよう．

■ 分子システムをデザインする分野の研究者たちによってシステマチックな配列設

BIOMOD の 正 式 名 称 は Biomolecular Design計が行われるようになり，DNA オリガミなどのすぐCompetition であるが，ここでいうデザイン（設計）れた技術が開発されてきた（☞ 18）．また，分子のとは，“分子をデザインする”と言った場合の従来の規則的な自己会合はそれ自体が情報処理プロセスで意味とはややニュアンスが異なる．化学分野で分子あり，現在の電子コンピュータとは異なる新しい演のデザインと言えば「分子は化学構造ごとに固有の算モデルという観点からも研究が行われている．

物性があり，望みの物性を示す化学構造をデザインする」といったニュアンスになるだろう．これに対■ 動的 DNA ナノテクノロジー

して BIOMOD では，DNA のプログラマビリティに

DNA によるナノ構造体の構造を変化させて，機械動重きが置かれている．塩基配列が異なる DNA は分

作する DNA ナノマシンが構築できる（☞ 24）．そ子としてはそれぞれ化学構造が異なるが，相補配列

こでは，物理学者である Yurke たちが見出した DNA

に対する各 DNA の結合特性などは，配列によらずの鎖置換反応が基盤となっている [2]．また，同じ反ほぼ一様と考えられる．そのため，塩基部分のちが応を利用して論理ゲートを構築する研究も発展して

いは物性というよりも，相互作用する相手とその度きている（☞ 29）．これらは「動的 DNA ナノテク

合いを決めるものであり，塩基配列によって多数のノロジー（dynamical DNA nanotechnology）」と呼相互作用の組み合わせ方を決めて反応系全体の振るばれており，そのようなシステムの動作を設計する

舞いをプログラムする，すなわち「分子からなるシ

上では熱力学の知識が求められる．特に関連が深い

ステムの挙動をデザインする」といったニュアンス

ものについては本章で紹介する．また今後，ナノマになる．では，分子システムをデザインするためにシンが発生する力を計測する研究なども盛んになるはどのような分野の知識が必要になるのだろうか？

と思われるが，そこでは機械工学の知識が役に立つだろう．ただし，分子ナノマシンはこれまでのマク■ 構造 DNA ナノテクノロジー

ロなスケールのメカトロニクスとはサイズや原理がDNA のプログラマビリティに焦点を当てた研究分異なるため，機械系ではいわゆる四力（材料力学，

野は「DNA ナノテクノロジー」と呼ばれている．そ

流体力学，熱力学，機械力学）とともに，分子や溶こではまず，DNA が配列特異的にハイブリダイゼー

液系といったソフトな材料を扱うための知識も身にションする性質を利用してナノ構造体を作成する研つけられると良い．

究が行われた [1]．このような研究は近年，「構造DNA ナノテクノロジー（structural DNA nanotech-■ DNA コンピューティング

nology）」と呼ばれており，化学者である Seeman が，情報科学の分野では，自然界に見られる現象になら

DNA 分子が自身の部分配列と相補的な配列を持つって新しい演算モデルをつくる研究を「自然計算

複数の DNA 分子と，交叉して結合することを発見（Natural Computing）」と呼んでいる．RSA 暗号

したのがその端緒となっている．その後，情報科学の発明者と知られる情報科学者の Adleman が，DNA90

の反応を利用して巡回セールスマン問題を解いたことを契機として，「DNA コンピューティング」研究が始まった（☞ 35）[3]．DNA でナノ構造をつくり（構造 DNA ナノテクノロジー），それを動かす（動的 DNA ナノテクノロジー）研究の先に，知的な分子システムをつくる分子ロボットの研究が待っている．BIOMOD でも DNA ナノ構造体の構築だけにとどまらず，生体分子の可能性を存分に引き出して，生物を凌駕するような賢いシステムをデザインしてほしい．

■ 分野融合チームをつくろう
以上みてきたように，BIOMOD で求められる研究は学際融合的である．DNA やタンパクなどは生体高分子であり，実験を行う上で化学の知識は必須である
し，高分子物理の知識は詳細な解析の役に立つ．また，分子ロボットの設計を目指すなら機械工学やプ
ログラミングの知識も身につけたいし，電子工学に熟練していればオリジナルな計測法を思いつくかもしれない．また，分子システムで何を実現するのかを考えるためには生物学や医薬，情報科学に関する幅広い知識があると良い．ただ，これらすべてを短期間で身につけるのは非現実的だ．プロジェクト研
究を成功させるために重要なことは，何でも自分でやろうとするのではなく，チームのメンバーどうしがきちんとコミュニケーションをとってお互いをサポートしながら，適材適所で計画的に動くことである．研究室に配属される前の自由に研究できる時期に，ぜひ学科を超えて分野融合チームをつくってほしい！最後に，日本チームで課題となるのはやはり英語である．世界で活躍する研究者やエンジニアを目指して語学にも力を入れよう．

参考文献[1] N. Seeman, J. Theor. Biol., 1982, 99, 237.
[2] B. Yurke, A. J. Turberfield, A. P. Mills, Jr., F. C.
Simmel, J. L. Neumann, Nature, 2000, 406, 605.
[3] L. Adleman, Science, 1994, 266, 1021.

小宮 健（東京工業大学）

91

37．熱力学の基礎知識
DNA の熱力学的性質を理解するうえで重要となる，内部エネルギーやエンタルピー，エントロピーなどの概念を導入する．少々退屈な章になるかもしれないが，お付き合いいただきたい．

■ 基本的な概念：系と外界という式で表現される．

世界はふたつに分けられる．系と外界である．系■ エンタルピーとはわれわれが着目している部分であり，外界は圧力𝑝のもとで系の体積が微小量d𝑉だけ変化した

それ以外の部分を指す．熱力学的な系には，大きとき，外界からなされる微小仕事d′ 𝑤は
d′ 𝑤 = −𝑝d𝑉

く分けて 3 つの種類がある．外界と物質やエネル(2)

ギーの交換がある開放系，エネルギーの交換はあと表される（圧力－体積仕事）．系に対する仕事がるが物質のやりとりはない閉鎖系，そして，エネ

圧力－体積仕事のみである場合には，微小な熱量

ルギーも物質も交換されない孤立系である．

d′𝑄や仕事d′ 𝑤に対する内部エネルギーの微小変化
d𝑈は，(1)，(2)式より

d𝑈 = d′ 𝑤 + d′𝑄= d′ 𝑄 − 𝑝d𝑉(3)となる．一定体積のもとで内部エネルギーを変化させた場合にはd𝑉 = 0であるから，内部エネルギ

ー変化は与えられた熱量に等しいことが分かる．

ここでいう系のエネルギーとは，系が仕事をする能力のことである．仕事とは力に逆らってある

一方で，一定圧力のもとで変化させた場合には，ものを動かすときになされるもので，たとえば，系が自由に体積変化するため，与えられた熱量がある気体が膨張したときにはそれが外界に対してそのまま内部エネルギーの変化分になるわけでは仕事をしたという．熱力学では系の内部に蓄えらない．そこで，新しくエンタルピーという状態量れているエネルギーを内部エネルギーと呼ぶ．内を以下のように導入する．
𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑉部エネルギーは外界からの仕事や熱の移動によって変化することが実験的に分かっている．

(4)

エンタルピーの微小変化は

d𝐻 = d𝑈 + 𝑝d𝑉 + 𝑉d𝑝■ 熱力学第一法則(5)

内部エネルギー𝑈は系の現在の状態（温度，体積なであるから，一定圧力かつ仕事が圧力－体積仕事ど）のみによって決まる状態関数であり，変化さのみの場合には，式(3)を用いるとd𝐻 = d′ 𝑄

せた経路には依存しない．よって，ある系をはじ(6)めの状態から終わりの状態へと変化させたとき，となり，エンタルピー変化が与えられた熱量に等系に与えられた仕事と熱量の和は経路に依らず一しくなることが分かる．つまり，エンタルピーと定となる．また，孤立系の内部エネルギーは一定

は一定圧力のもとで系が持つエネルギーと捉えるであることが経験則的に知られている．これが熱ことができる．

力学第一法則（エネルギー保存則）である．系にな■ 熱力学第二法則

された仕事を𝑤，与えられた熱量を𝑄，内部エネル

われわれの身のまわりで起こる現象には，自発的ギーの変化を∆𝑈と書くと，これらの事実はに起こりうる現象と，そうでないものがある．た∆𝑈 = 𝑤 + 𝑄

とえば，やかんで沸かしたお湯は時間がたつと周

(1)

92

りの温度まで自然に冷えていくが，その逆に常温たことを示している．不可逆過程で系の状態を Aの水がひとりでに沸騰することはない．このようから B へ変化させ，その後可逆過程で B から A へな自発過程とそうでない過程を区別することは，戻すサイクルを考えると，式(8)より
B

A
d′𝑄
d′𝑄
) + (∫)𝑇A
B 𝑇 rev
irr

熱力学第二法則によってまとめられる(☞ 38[2])．

(∫

第二法則には様々な表現があるが，すべて同等の

B ′
d′𝑄
d𝑄
= (∫
) − (∫) <0
A 𝑇 irr
A 𝑇 rev

ことを表している．たとえば，クラウジウスは以下のように表現した．

B

(10)

となる．よって式(9)より・クラウジウスによる表現

Bd′𝑄) < 𝑆(B) − 𝑆(A)A 𝑇 irr

熱が高温から低温へ移る現象は不可逆であ(∫る．言い換えると，熱を低温から高温へ移し，(11)

ゆえに，一般の状態変化に対して

その他に何の変化も残らないようにするこBとは不可能である．

d′𝑄≤ 𝑆(B) − 𝑆(A) = ∆𝑆
A 𝑇∫

「不可逆である」とは，系を元の状態に戻した際(12)が成立する．微小変化に対してはd𝑆 ≥ d′𝑄⁄𝑇 と書に外界に変化が残らないようにすることが不可能

ける．断熱変化のときにはd′ 𝑄 = 0なのでであることを意味している．逆に，可逆過程とは，

d𝑆 ≥ 0系の状態を元に戻し，かつ外界にもまったく変化(13)が残らないようにすることが可能な過程を指す．

となる．これはエントロピー増大則と呼ばれ，孤■ クラウジウスの不等式

立系での自発的変化においてはエントロピーが減

𝑛 個 の 熱 源 か ら 熱 量 𝑄𝑖 を 得

少することはないことを示している．

元の状態に戻るサイクル（熱統計力学的にはエントロピーは■て，循環過程で仕事𝑤をして統計力学から見たエントロピー
𝑆 = 𝑘B ln𝑊機関）を考える．各々の熱源の温度を𝑇𝑖 とすると
𝑛

∑
𝑖=1

𝑄𝑖
≤0
𝑇𝑖

(14)

と表される（ボルツマンの原理）．𝑊は，定められた巨視的状態に対して系が取り得る微視的状態の(7)数である．たとえば，ある体積が与えられたときが成り立つ*．これはクラウジウスの不等式と呼ばに系の中の各分子がとり得る位置というのは一意れており，熱力学第二法則の数式による表現であには決まらない．体積𝑉の空間を体積δ𝑉の微小空

る．𝑛 → ∞の極限を考えると，連続的に状態が変化間に分割して𝑛個の分子を配置することを考える

d′𝑄
≤0
𝑇

って，単純に考えれば，分子数や体積が増加すれと，取りうる状態の数は𝑊 = (𝑉 ⁄𝛿𝑉 )𝑛 になる．よする任意の熱サイクルについて∮(8)

ばエントロピーも増加することが分かる．
𝑊が大きいほど，つまり系が乱雑であるほどエが成立する．ここで，式(7)，(8)の等号が成り立つのはサイクルが可逆過程のときである．

ントロピーは大きくなる．ゆえに，エントロピー■

増大則は，自発過程においては系がより乱雑な無エントロピー
エントロピー𝑆は以下のように定義される．
B

d′𝑄) = 𝑆(B) − 𝑆(A)A 𝑇 rev(∫

秩序状態へとむかうことを意味している．

(9)*詳細な導出については☞ 38 参考文献[2]，[3]等を左辺は，状態 A から状態 B へ可逆過程で変化させ参照されたい．

高畠芙弥（東北大学）

93

38．自由エネルギーと化学平衡
自由エネルギーとは，自発過程や平衡状態の指標となる重要な熱力学的状態量である．特に，定温定圧条件下でよく用いられるものがギブズエネルギーであり，これは平衡定数とも密接な関係を持つ．

■ ギブズの自由エネルギー

ことを示している．式(5)と式(6)を比較すると∂𝐺( ) = −𝑆,∂𝑇 𝑝系の状態が一定圧力のもとで変化するとき，圧力′－体積仕事以外の仕事がなければd𝐻 = d 𝑄となる

(

∂𝐺
) =𝑉
∂𝑝 𝑇

(7)

（☞ 37）．エントロピーの式よりd𝑆 ≥ d′𝑄⁄𝑇なのであることが分かる．𝑆，𝑉は常に正であるから，力学的状態量であるギブズエネルギーを以下のよ

力が増加すると増加することになる．

で，d𝐻 − 𝑇d𝑆 ≤ 0が成り立つ．ここで，新しい熱ギブズエネルギーは温度が上昇すると減少し，圧うに定義する．
𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆させたときの𝐺の変化は，式(5)を用いると(1)

微小変化はd𝐺 = d𝐻 − 𝑇d𝑆 − 𝑆d𝑇と書ける．特に，定温変化のときには，先ほどの不等式より
d𝐺 = d𝐻 − 𝑇d𝑆 ≤ 0

さて，定温（d𝑇 = 0）で圧力を𝑝1 から𝑝2 まで変化

(2)

𝑝2

𝑝2

∆𝐺 = 𝐺2 − 𝐺1 = ∫ d𝐺 = ∫ 𝑉d𝑝

(8)

𝑝1

𝑝1

で求められる．理想気体の場合には𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇（ボイル＝シャルルの法則）が成り立つので，となることが分かる．つまり，定圧・定温の系で起

𝑝2

1
𝑝2
d𝑝 = 𝑛𝑅𝑇 ln𝑝1
𝑝𝑝1

こる自発的変化はギブズエネルギーが最小となる∆𝐺 = 𝑛𝑅𝑇 ∫方向にむかうことが分かる．一般的な化学実験で(9)となる．標準圧力𝑝0 = 1barのもとで純粋な形にあは一定圧力のもとでの化学反応に着目することがる状態（標準状態）でのギブズエネルギーを𝐺 0と多いため，この指標がよく使われる．
■ ギブズエネルギーの圧力依存性

書くと，圧力𝑝におけるギブズエネルギーは

ここからは，仕事が圧力－体積仕事のみの場合に𝐺 = 𝐺 0 + 𝑛𝑅𝑇 ln

閉鎖系で起こる可逆変化を考える．このとき，内

𝑝
𝑝0

(10)

部エネルギー𝑈，エンタルピー𝐻，ギブズエネルギのように標準状態を基準に表現される．あるいは，ー𝐺という 3 つの状態量の微小変化は

𝑝0 = 1となる単位系を選ぶことで

d𝑈 = d′ 𝑄 − 𝑝d𝑉 = 𝑇d𝑆 − 𝑝d𝑉

d𝐻 = d𝑈 + 𝑝d𝑉 + 𝑉d𝑝= 𝑇d𝑆 + 𝑉d𝑝d𝐺 = d𝐻 − 𝑇d𝑆 − 𝑆d𝑇= −𝑆d𝑇 + 𝑉d𝑝

𝐺 = 𝐺 0 + 𝑛𝑅𝑇 ln 𝑝(3)と書き表すことができる．
■ 化学平衡(4)

可逆反応の順方向の反応速度と逆方向の反応速度が釣り合っていて，巨視的には物質の濃度が変化(5)のように，各々ふたつの状態量の微小変化に依存しない状態を化学平衡と呼ぶ．

する形で書き表せる．これに基づき，𝐺を温度と圧

まず，以下の可逆反応を考えよう．
𝜈A A + 𝜈B B ⇄ 𝜈Y Y + 𝜈Z Z

力の関数とみなして完全微分すると∂𝐺∂𝐺
d𝐺 = ( ) d𝑇 + ( ) d𝑝
∂𝑇 𝑝
∂𝑝 𝑇

(11)

ここで，大文字アルファベットA，B，Y，Zは分子(6)種を表し，係数の𝜈𝑖 は各々の化学量論係数（反応にと表すことができる．微分の添え字は，それぞれ𝑝

使われるモル数比）を表している．順方向の反応と𝑇が一定のもとで𝑇と𝑝に関して𝐺を偏微分する

によりA，Bがそれぞれd𝑛A mol，d𝑛B mol 反応して94

となる．ここで，𝑝𝑖 は成分𝑖の分圧である．よって，

Y，Zがd𝑛Ymol，d𝑛Z mol 生成されたとすると，−d𝑛A : −d𝑛B : d𝑛Y : d𝑛Z = 𝜈A : 𝜈B : 𝜈Y : 𝜈Z

反応ギブズエネルギーは，標準反応ギブズエネル
ギー∆r 𝐺 0 = 𝜈Y 𝜇Y0 + 𝜈Z 𝜇Z0 − 𝜈A 𝜇A0 − 𝜈B 𝜇B0を用いてとなるため，−d𝑛A −d𝑛B d𝑛Y d𝑛Z
=
=
=
= d𝜉
𝜈B
𝜈Y
𝜈Z
𝜈A

∆r 𝐺 = ∆r 𝐺 0 + 𝑅𝑇 ln

(12)

eq

状態における各成分の分圧を𝑝𝑖 と書くと温度と圧力が一定のとき，この化学反応系のギブズエネルギーの全微分は以下の式で表される．
∂𝐺
𝜇𝑖 = ( )∂𝑛𝑖 𝑝,𝑇,𝑛∆r 𝐺 0 = −𝑅𝑇 ln

(13)

eq 𝜈Y

eq 𝜈Z

(𝑝Y ) (𝑝Z )

eq 𝜈B

eq 𝜈A

(𝑝A ) (𝑝B )(19)が導かれる．ここで，平衡状態における反応物と(14)生成物の分圧の比を𝐾𝑝 と書くと

𝑗≠𝑖∆r 𝐺 0 = −𝑅𝑇 ln 𝐾𝑝

𝜇𝑖 は化学ポテンシャルと呼ばれる状態量であり，(20)となる．𝐾𝑝 は圧平衡定数と呼ばれる．

成分𝑖の単位物質量あたりのギブズエネルギーと解釈できる．式(12)を用いると式(13)はd𝐺 = (𝜈Y 𝜇Y + 𝜈Z 𝜇Z − 𝜈A 𝜇A − 𝜈B 𝜇B )d𝜉(18)と書ける．平衡状態では∆r 𝐺 = 0となるから，平衡が成り立つ．𝜉は反応進行度（☞ 39）である．

d𝐺 = ∑𝜇𝑖 d𝑛𝑖(𝑝Y )𝜈Y (𝑝Z )𝜈Z(𝑝A )𝜈A (𝑝B )𝜈B

理想気体ではなく一般の溶液の場合には，分圧と書き直せる．ここで，反応進行度の変化に対すの代わりに活量と呼ばれる物理量𝑎𝑖 を用いてるギブズエネルギー変化として，反応ギブズエネと表される．活量は一般には温度，圧力，物質量のルギー∆r 𝐺を定義すると，式(15)より複雑な関数になるが，モル分率あるいは他の濃度∂𝐺∆r 𝐺 = ( )∂𝜉 𝑝,𝑇= 𝜈Y 𝜇Y + 𝜈Z 𝜇Z − 𝜈A 𝜇A − 𝜈B 𝜇B(15)𝜇𝑖 (𝑇, 𝑝) = 𝜇𝑖0 (𝑇) + 𝑅𝑇 ln 𝑎𝑖(21)に近い性質を持つ量である．特に，希薄溶液ではモル分率𝑥𝑖 = 𝑛𝑖 ⁄𝑛と等しくなる[1]．活量で表した

平衡定数

(16)

となる．すなわち，∆r 𝐺は，反応混合物の組成における反応物と生成物の化学ポテンシャルの差で表𝐾=される．自発的に起こる反応はギブズエネルギーが減少する方向に進行するため，∆r 𝐺 < 0であれば

𝜈𝑗∑product(𝑎𝑗eq )𝜈∑reactant(𝑎𝑖eq ) 𝑖(22)は熱力学的平衡定数と呼ばれ，一般の溶液の場合

順方向に，∆r 𝐺 > 0であれば逆方向に反応が進むこには，これを用いて∆r 𝐺 0 = −𝑅𝑇 ln 𝐾と書ける．

反応が進行しない平衡状態となる．

にほぼ比例することから，近似的に，活量を濃度とが分かる．また，∆r 𝐺 = 0のであれば，それ以上また，希薄溶液では溶媒のモル分率はモル濃度で置き換えた濃度平衡定数𝐾𝑐 を用いて
∆r 𝐺 0 = −𝑅𝑇 ln 𝐾𝑐(23)で代用されることが多い[2]．
参考文献[1] 田崎晴明，熱力学，培風館 (2000)[2] アトキンス他，物理化学〈上・下〉第８版，東京■ 平衡定数とギブズエネルギー

化学同人 (2009)

理想気体においては，式(11)，(14)より[3] マッカーリ，サイモン他，物理化学〈上・下〉，

𝜇𝑖 (𝑇, 𝑝) = 𝜇𝑖0 (𝑇) + 𝑅𝑇 ln 𝑝𝑖

東京化学同人 (1999)(17)

高畠芙弥（東北大学）

95

39．反応速度論
反応速度論とは，反応進行度の時間変化（反応速度）を扱う分野である．一般的な化学反応はもとより，DNA
分子同士のハイブリダイゼーションやディナチュレーション，鎖置換反応についても，反応速度論を用いてその反応機構が議論されている．ここでは，反応速度論の基礎的な知識を紹介する．

■ 反応速度式と反応次数■ 素反応と複合反応

次のような任意の化学反応式を考える．

一般的な化学反応では反応中間体が存在し，

𝜈A A + 𝜈B B + ⋯ → 𝜈Y Y + 𝜈Z 𝑍 + ⋯反応物→反応中間体→･･･→生成物

初期状態からどれだけ反応が進んだかを表す量でのように多段階で反応が進むことが多い．中間体ある反応進行度ξを用いると，時刻𝑡でのモル数はのない，1 段階で進行する反応のことは素反応と𝑛A (𝑡) = 𝑛A (0) − 𝜈A 𝜉(𝑡)呼び，複数の素反応から構成される（多段階で進⋮行する）反応を複合反応と呼ぶ．複合反応を素反𝑛Y (𝑡) = 𝑛Y (0) + 𝜈Y 𝜉(𝑡)応の序列で表現したものが反応機構である．

⋮

多くの化学反応では反応次数は反応物の化学量と書ける．したがって，時間に対するモル数の微論係数とは無関係の値になるが，素反応では両者

小変化は以下のように表される．

が一致する．たとえば
2A + B → 反応物

d𝜉(𝑡)d𝑛A (𝑡)
= −𝜈A
d𝑡
d𝑡

で表される素反応は，A について 2 次，B につい⋮て１次の 3 次反応であり，ゆえに速度式は𝑣(𝑡) = 𝑘[A]2 [B]d𝑛Y (𝑡)
d𝜉(𝑡)
= 𝜈Y
d𝑡
d𝑡

と書くことができる．

■ 1 次反応，2 次反応の積分形速度式⋮

系の体積𝑉 が一定であれば，各々の分子の濃度

速度式を積分すると，反応物や生成物の濃度を時[A] = 𝑛A ⁄𝑉 , ⋯ の時間変化について間の関数として得ることができる．その解を積分−形速度式と呼ぶ．

1 d[A]
1 d[Y]1 d𝜉
=⋯==⋯== 𝑣(𝑡)
𝜈A d𝑡
𝜈Y d𝑡
𝑉 d𝑡

0 次反応であれば，反応速度式は𝑣(𝑡) = 𝑘となり，と書ける．この𝑣を反応速度と呼ぶ．実験的に得ら濃度に依存しない一定の速度で反応が進む．ゆえれる反応速度は，一般に反応物の濃度に依存するに，反応物の濃度は[A] = [A]0 − 𝑘𝑡のように初期値[A]0から直線的に減少していく．それでは 1 次反ことが知られており，反応速度定数𝑘を用いて次のような式で表される．
𝑣(𝑡) = −応，2 次反応の場合はどうなるだろうか．まず，
A→B

1 d[A]= 𝑘[A]𝛼 [B]𝛽 ⋯𝜈A d𝑡という化学反応式で表される 1 次反応を考えよう．

このような式を反応速度式と呼び，べき乗係数の反応速度式は以下のように書ける．

総和𝑛 = α + β + ⋯を全反応次数という．また，−各々の分子種についても各べき数をその分子種に

d[A]= 𝑘[A]d𝑡

対する反応の次数と呼び，この場合ではAについて

この微分方程式は容易に解けて，Aの初期濃度を

𝛼次，Bについて𝛽次であるという．

[A]0とすると以下の積分形速度式が得られる．

96

[A] = [A]0 𝑒 −𝑘𝑡と書ける．これを解析的あるいは数値的に解くこら指数関数的に減少することが分かる．この式はここで，平衡状態について考えてみよう．平衡

ln[A] = ln[A]0 − 𝑘𝑡

状態では正反応と逆反応の反応速度が等しくなるとで時間に関する濃度の式が得られる．

よって，1 次反応では反応物の濃度が初期濃度かため，以下の式が成立する．

と書きかえることもできる．つまり，実験等によeq

ゆえに，濃度平衡定数𝐾𝑐 と反応速度定数との間に対数を時間に対してプロットすると直線にのり，
その傾きから反応速度定数を得ることができる．

𝐾𝑐 =次に 2 次反応を考えよう．反応物が 1 種類の場

■ DNA 分子反応と反応速度論

d[A]= 𝑘[A]2d𝑡

DNA 分子反応もこのような化学反応速度式で近となるため，積分形速度式は
1
1
−
= 𝑘𝑡
[A] [A]0

あるいはと書くことができる．

[A] =似的に記述される．その際は，DNA が完全に 1 本[A]0
1 + 𝑘𝑡[A]0

鎖の状態か完全に 2 本鎖の状態かのいずれかのみをとるとする二状態モデル（☞ 41）を仮定することが一般的である．

反応物が 2 種類の場合の反応速度式は−例として，図に示されるような反応は𝑘d[A]= 𝑘[A][B]d𝑡であり，2 種類の反応物の濃度が等しい（[A] = [B]）
ときには，1 種類の場合と同じ式になる．一方，濃𝑄𝐿̅ + 𝐿 → 𝐿𝐿̅ + 𝑄という 2 次の素反応とみなすことができる．よって，蛍光分光光度計（☞ 81）を用いた実験で得られる蛍光強度の時間変化（𝑄𝐿̅の濃度変化）を，2 次反応の積分形速度式

度が異なる場合には，
ln[Y]eq [Z]eq
𝑘1
=
eq
eq
[A] [B]𝑘−1という関係が成り立つことが分かる．

合には反応速度式は−eq

𝑣1 = 𝑣−1 ⇒ 𝑘1 [A]eq [B]eq = 𝑘−1 [Y]eq [Z]eq

り観測した化学反応が 1 次反応であれば，濃度の

[A]0
[A]
= ([A]0 − [B]0 )𝑘𝑡 + ln
[B]0
[B]

𝐼(𝑡) =

𝐼(0) − 𝐼(∞)
+ 𝐼(∞)
1 + 𝑘𝑡𝑐0のように積分形速度式が求められる．

で fitting することにより，反応速度定数𝑘を見積■ 可逆反応と濃度平衡定数

もることも可能である[1]．

複合反応がどのような反応速度式で表されるのか，
簡単な例として可逆反応の場合を紹介する．
A+B⇄Y+Zで表される可逆反応は，正反応（→）と逆反応（←）という以下のふたつの素反応からなっている．
𝑘① A + B →1 Y + Z
𝑘② Y + Z →−1 A + B

反応の模式図と蛍光強度変化のグラフ[1]．
Reprinted with permission from PRL, 2003.

𝑣1 = 𝑘1 [𝐴][𝐵]𝑣−1 = 𝑘−1 [Y][Z]分子 A は①の反応によって𝑘1 [A][B]の速度で消費

参考文献

る．よって反応全体での正味の速度式は118102 (2003).

され，②の反応により𝑘−1 [Y][Z]の速度で生成され[1] A. J. Turberfield et al., Phys. Rev. Lett. 90,

d[A]= −𝑘1 [A][B] + 𝑘−1[Y][Z]d𝑡*反応速度論に関してもっと詳しく知りたい場合は☞ 38 参考文献[2]，[3]等を参照されたい．

高畠芙弥（東北大学）

97

40．DNA の分子構造
デオキシリボ核酸（deoxyribo nucleic acid : DNA）の略称で，遺伝情報を担い，細胞の核や核様体に存在する高分子物質である．生体システムにとって必要不可欠な“プログラム”を記憶している．本章では，その分子構造について説明する．

■ 二重らせん
DNA の二重らせん構造（double helix）は，1953 年に Watson と Crick の 2 人の科学者により発表された(図 1)[1]．二重らせんの直径は約 2 nm，1 回転あたりの長さは約 3.4 nm である．二重らせん中には長さが異なる 2 種類の溝が存在し，広い方 を主溝（major groove），狭い方を副溝（minor groove）と呼ぶ．1 本の DNA が 2 本絡み合い二重らせんを形成

図 2．ヌクレオチドと塩基している時，二本鎖 DNA（double-stranded DNA）
あるいは DNA 二本鎖（DNA double strand）と呼び，1 本ずつの時は一本鎖 DNA （single-stranded DNA）
や DNA 一本鎖（DNA single strand）と呼ぶ．また，酸がエステル結合した化合物がヌクレオチドである[2]．各 1 本鎖 DNA の両端を末端と呼び， 5’ 位炭素原子側を 5’末端，3’ 位炭素原子側を 3’末端と呼び，表記は図 2 のように 5’末端から 3’末端の向きに描く．

一般的な二重らせんは B 型と呼ばれる構造で，特殊二本鎖 DNA を形成するとき，2 本の一本鎖 DNA はな条件下で A 型や Z 型の二重らせんが存在し，1 回転あたりの塩基数や塩基対間距離が異なる(表参照)．

互いに反対の向き(逆平行)で結合する．

■ 塩基対と相補鎖■ 塩基
DNA を形成する塩基には，アデニン(A)，
グアニン(G)，
シトシン(C)，
チミン(T)と 4 つある(図 2)．
塩基(Base)，糖，リン酸から構成されるものをヌクレオチドと呼DNA が二重らせん構造を形成するとき，DNA の塩
基は水素結合によりワトソン-クリック塩基対を形成する．ワトソン-クリック塩基対では，A と T，Gと C の間でのみ塩基性を形成する(図 3)．A と T のぶ(図 2)．糖の 1’ 位の炭素に塩基が結合した化合物

間の水素結合は 2 本，G と C の間では 3 本なので，をヌクレオシドといい，ヌクレオシドの 5’ 位にリンA と T よりも G と C の結合の方が強く，G と C の含量が多いほど二重らせんの安定性は高くなる[2]．
例として，5’-ATGCGTA-3’には 5’-TACGCAT-3’という配列しか安定な二重らせん構造を形成しない．こ図 1．DNA 二重らせん

れを塩基の相補性(complementarity)と呼ぶ．互いに

らせんの

らせんの

1 回転あた

塩基対間

向き

直径

りの塩基数

距離

A型

右巻き

2.3 nm110.26 nm

B型

右巻き

2 nm

10.5

0.34 nm

Z型

左巻き

1.8 nm120.37 nm

相補的な配列であることから，相補配列や相補鎖と呼ばれる．さらに，複数の塩基対が隣接して形成されると，塩基対同士が積み重なり，お互いの塩基対を安定させる．この塩基対同士に働く相互作用をス
タッキング(stacking)と呼ぶ．以上のように，DNAの二重らせんは，ワトソン-クリック塩基対の水素結

98

コラム

RNA

DNA と類似の高分子に RNA（ribonucleic acid）がある．DNA と RNA の大きな違いは 2 つある．１つ目が，ヌクレオチドを構成している糖が異なる．
RNA を構成しているヌクレオチドの糖は，糖の 2’位に水酸基（-OH）がついているリボースである．
もう一つが，使用する塩基の違いである．RNA では
DNA で使われている T（チミン）の代わりに，U（ウラシル）が使われており，T と U の違いはメチル基（-CH3）があるかどうかである．

参考文献

図 3．DNA の模式的な表記法と塩基対形成[1] J. D. Watson and F. H. Crick, “Molecular

合と塩基対同士のスタッキングで安定化している．

Structure of Nucleic Acids: A Structure for

DNA の長さは，一本鎖の時はヌクレオチド（塩基）の数(nt: nucleotide)と，二本鎖の時は，塩基対の数

Deoxyribose Nucleic Acid” Nature 1953, 171,
737-738(bp: base pair)で表される．たとえば，20 塩基の一[2] 小宮 健，瀧ノ上 正浩，田中 文昭，浜田 省吾，

本鎖 DNA は 20 nt，20 nt の一本鎖 DNA 同士が完村田 智，DNA ナノエンジニアリング，ナチュラル

全相補鎖を形成した時 20 bp と表記される．

コンピューティングシリーズ，近代科学社■ DNA の融解とハイブリダイゼーション
二重らせん構造を形成している DNA は熱を加える
ことで，一本鎖 DNA に分離する．この反応を変性(denaturation)，または融解(melting)と呼ぶ．一方で，二本鎖になることをハイブリダイゼーション(hybridization)と呼ぶ．DNA は 0℃から 100℃の領域では安定な物質なので，冷却と加熱を繰り返して融解とハイブリダイゼーションを何度も繰り返すことが可能である[2]．

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

99

41．DNA ハイブリダイゼーションの熱力学
DNA は A と T，G と C で塩基対形成をすることはすでに学んだ（☞ 40）．ある塩基配列を持つ DNA が，その相補的な塩基配列を持つ DNA と塩基対形成を通じて会合することをハイブリダイゼーションと呼ぶ．ハ
イブリダイゼーションの安定性は熱力学を利用して見積もることができる．
■ DNA ハイブリダイゼーション：二状態モデル

T = Tm を代入し，変形すると，

100 base 程度以下の短い DNA では，1 本鎖の状態

Tm =とハイブリダイゼーションした 2 本鎖の状態の二状

D H
R ln(C / 2) + D S[6]

態のみを考えた平衡化学反応によってモデル化できが得られる．初期濃度 C ，DNA の熱力学パラメータる．これを二状態モデルと呼ぶ．なお，キロ base 程D H ， D S が分かっていれば， Tm を計算することが度以上の場合は，部分的に塩基対がほどけたりするできる．Tm は DNA ハイブリダイゼーションの安定ため，二状態モデルで考えることが難しくなる．

性の指標として非常によく利用されている．Tm が高■ DNA ハイブリダイゼーションと融解温度

い DNA のハイブリダイゼーションほど安定である．

ここで，ある配列を持つ 1 本鎖 DNA を S ，その相補■ DNA 分子内反応と融解温度

鎖の 1 本鎖 DNA を S とし，それらがハイブリダイゼ

ヘアピン構造などの分子内での塩基対形成によるーションした 2 本鎖 DNA を D と呼ぶことにする．

DNA の構造の安定性も同様に融解温度で見積もる

二状態モデルで考えた場合，ことができる．分子内反応は，2 つの分子の会合で

k1
¾¾
¾
®D
S + S¬¾
kはないので，ハイブリダイゼーションとは呼ばない[1]が，同様に扱えるので紹介する．ある配列を持つ 12の化学平衡が成立する．DNA の初期濃度（混合した本鎖 DNA を S ，これがヘアピン構造を取った状態を直後の濃度）を [S] = [S] = C とし，平衡状態に達したH と呼ぶことにする．二状態モデルで考えると，

時にハイブリダイゼーションしている割合を a

する

¾¾
¾
®H
S¬
¾
k
k1

と，平衡定数 K は，

K=

a C
a
k1
[D]
=
=
=
2 2
k2 [S][S] (1- a ) C(1- a )2 C

DNA の初期濃度を [S ] = C とし，平衡状態に達した[2]

時のヘアピン状態の割合を a すると，

となる．
熱力学
（☞ 37,38）より，自由エネルギー D G ，
エンタルピー D H ，エントロピー D S について，

D G = - RT lnK[3]

D G = D H - TD S

[4]が 成 り 立 ち （ T ： 絶 対 温 度 ; R = 1.987 ´ 10

K=

a C
a
k1 [H ]===
k2 [S] (1- a )C 1- a[8]となる．上記と同様の計算で，Tm は，

Tm = D H / D S[9]と計算できる．ハイブリダイゼーションの場合と異- 3[kcal×mol-1 ×K -1 ] ：気体定数; ln º log e ），aöæ
= D H - TD S
- RT ln çè (1- a )2 C ÷ø

[7]

2

なり，Tm が C に依存しないという特徴がある．
■ Nearest-Neighbor（最近接）法による自由エネル[5]

ギーΔG の計算と Tm 予測の関係が導かれる．ここで，ハイブリダイゼーショ

ここまでで，DNA の熱力学パラメータ D H ， D S がンしている DNA 分子と 1 本鎖状態の DNA 分子の割分かれば，Tm，すなわち DNA の安定性を算出する

合が 1:1 となるような温度を融解温度（melting

ことができることが分かった．
ここでは，
図 1 の DNA

temperature; Tm）と呼ぶ．つまり，式[5]に a = 0.5 ，を例にとり， D H と D S を計算するための方法である

100

Nearest-Neighbor（最近接）法（NN 法）を説明す

D H =0る．NN 法は，塩基対の水素結合のエネルギーではD S(n > 9) = D S(9) - 1.75R ln(n / 9)

なく，隣り合う塩基対の間に働くスタッキング相互

で 計 算 で き る こ と が 知 ら れ て い る （ Jacobson-

作用がハイブリダイゼーションの安定化に支配的でStockmayer の式）．n £ 9 は，表 2 にある値を用いる．

あることをモデル化した方法である．図 1 のような5'-TGTTCTCTGACCAATGAATCTGC-3'|||||||||||||||||||||||
3'-ACAAGAGACTGGTTACTTAGACG-3'

DNA の場合，左から，

TG GT TT TC CT ... TG GC|| || || || || ... || ||AC CA AA AG GA ... AC CG

図 1．ハイブリダイゼーションした DNA．縦線は塩基対形成を表す．

というように，塩基対を 2 つずつペアにして，それぞれの D H と D S を表 1 から選んで足し合わせるとハ
イブリダイゼーションした DNA 全体の D H と D S が計算できる．なお，末端の効果は，表 1 の GC-term，AT-term を利用する．すなわち，同様に計算して，

D S = - 0.4827 [kcal× mol- 1 × K - 1 ]

表 1．熱力学パラメータ（1 M Na+下）[2]．

初期濃度が C = 0.5 m M であるとすると，式[6]から，

Tm = 345.48 [K] = 72.3 [°C]と計算できる．ただし，これは 1 M Na+条件下での値である．Tm の塩濃度依存性は D S の塩濃度依存性に起因し，経験的に

D S([Na + ]) = D S(1 M) + 0.368N ln([Na + ] M)

[10]

表 2．ループの熱力学パラメータ（1 M Na+下）[3]．

の関係が知られている[2]．ここで，N はスタック数

参考文献（塩基長−1）である．例えば，0.1 M Na+条件下では，[1] 小宮健, 瀧ノ上正浩, 田中文昭, 浜田省吾, 村田

D S(0.1 M) = D S(1 M) + 0.368 ´ (23 - 1) ´ ln(0.1)

智，“DNA ナノエンジニアリング”，近代科学社= - 0.50225 [kcal× mol × K ](2011/4/30), 202 ページ, ISBN: 978-4-7649-0402-6.

- 1

- 1

より，Tm は[2] J. Santalucia-Jr, “A unified view of polymer,°

dumbbell, andTm = 332.80 [K] = 59.6 [ C]となり，塩濃度が低いと Tm が下がることがわかる．
最後に，ヘアピンループ，バルジループなどの塩

oligonucleotide

DNA nearest-neighbor thermodynamics”，Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 95, 1460–1465 (1998).

基対形成していない塩基（ミスマッチ）を含む場合[3] D. H. Mathews, J. Sabina, M. Zuker, D. H.

について触れる．この場合，NN 法だけでは計算でTurner, “ Expanded Sequence Dependence ofきず，ミスマッチ部分のパラメータを入れる必要が

Thermodynamic Parameters Improves Prediction

ある．たとえば，塩基数 n 個のループの部分は，of RNA Secondary Structure”, J. Mol. Biol. 288,
911–940 (1999).

瀧ノ上正浩（東京工業大学）

101

42. 鎖置換反応
二重らせんの交換を行う DNA 鎖置換反応は，DNA ナノテクの分野で動的な機構を実現する基本的な方法の一つである．バッファーや温度などの反応条件は酵素反応に比べ緩く，DNA だけで反応が完結することが特徴である．DNA ナノ構造の変形や DNA 配列の変換に応用される．

■ 二重らせんが交換されるになっている左側の部分にハイブリダイゼーション

DNA 二重らせんを単位として静的なナノ構造作成

する．その後，青色と緑色の DNA は同一の配列をを行うテクニックが発展する一方(☞17)，DNA だけ持っているため，赤色の DNA との水素結合を取りを用いて動的にシステムを変化させる方法が提案さ合う．

れた[1] (☞23)．基本は図 1 に示される鎖置換反応だ．

取り合う位置は交差点「ブランチングポイント」

英語では「toehold –mediated strand displacement」と呼ばれ，左右に行ったり来たりする．この反応はや「DNA strand displacement (DSD)」と呼ばれる．

交差点移動「ブランチマイグレーション」と呼ばれ初期状態では左下の緑色と赤色の DNA が二重らる．最終的には，図 1 の右側のように青色の DNA

せんを組んでいるが，青色の一本鎖 DNA が入力さは緑色の DNA を置換し，安定な赤色と青色の DNA

れると，赤色の DNA と二重らせんを形成し，緑色の二重らせんを作り，緑色の DNA を一本鎖にする．

の DNA は一本鎖となる．反応の前後で相補的な塩■ 燃料により反応が駆動される基対による水素結合数が増えており，反応後の方が反応を図示するときは，二重らせん構造を簡略化し，

自由エネルギー的に有利(☞38)であることが分かる．

図 3 のように DNA を 5’末端から 3’末端への矢印で表すことが一般的である．配列は反応の単位毎に区切られ，それぞれにアルファベットを割り当ててある．このページではアルファベットの大文字と小文
字は互いに相補な配列を表す．
出力される緑色の一本鎖 DNA に焦点を当てた場
合，青色の DNA は反応を駆動する燃料「Fuel」，反図 1 鎖置換反応

応後の青色と赤色の完全な二重らせんは廃棄物■ 交差点移動により反応が進む「Waste」と一般に呼ばれる．また赤色の DNA の内，上記の反応は実際には複数の中間状態を経て左から初期状態で一本鎖になっている a の部分は反応を開右へ進む．中間状態を順にいくつか示したのが図 2始させるための足がかり配列「Toehold」と呼ぶ．

である．まずは青色の DNA が赤色の DNA の一本鎖

図 2 鎖置換反応の中間状態．ブランチマイグレーションと呼ばれ，左右に行ったり来たりする102

■ 鎖置換反応の様々なバリエーション

燃料 (Fuel)

上記で説明した反応はあくまで基本的な鎖置換反応𝑘であるが，配列の組み合わせ方を工夫したバリエー
ションが様々報告されている．図 4 は，2 つの足がかり配列で順方向と逆方向の双方に反応が起こる

廃棄物 (Waste)
足がかり配列 (Toehold)「toehold exchange」[2]，足がかり配列と置換する
配列の間にリンカーを挟み反応速度を遅くする

図 3 鎖置換反応の簡略図と名称「remote toehold」[3]，燃料となる分子を複数の分■ 足がかかり配列が反応速度を決める子によって形成する「associative toehold activation」

反応の速度は足がかり配列の長さや DNA の濃度に[4]，それぞれの反応の簡略図を示している．

よって決まる．反応速度の議論を行うために，図 3を化学反応式で記述された 2 分子反応だと捉える．
反応速度定数𝑘は，a によって表される足がかり配列の長さ𝑛によって変更することができ，文献[2]によれば，置換する b が 20 塩基で，25℃，11.5mM MgCl2

Toehold exchangeのバッファー条件の場合，以下の式でおおよその値を見積もることができる．

𝑘={

5 × 10𝑛−1 [M −1 sec −1 ]3 × 106 [M −1 sec −1 ](𝑛 ≤ 6)(6 < 𝑛)式から分かるように，足がかり配列を 1, 2, …, 6

Remote toehold

塩基と伸ばすに従い，反応速度定数は 10, 100, …,1000000 倍と指数関数的に大きくなる．ただし 6 塩
基を超えると，速度定数は収束する．以上により，
例えば左辺の 2 種類の分子の初期濃度を 10nM とす
れば，開始から半数の分子が反応するまでのおよそ

Associative toehold activationの時間は，6 塩基で 3 分，5 塩基で 30 分，4 塩基で

図 4 様々な鎖置換反応

5 時間，…，とオーダーを調整することが可能である．この性質は鎖置換反応を複雑なシステムへ応用

参考文献する際に重要となる(☞ 28)．

[1] B. Yurke, A. J. Turberfield, A. P. Mills Jr, F. C.
Simmel, J. L. Neumann: "A DNA-fuelled molecularmachine made of DNA", Nature, 406, 605--608, 2000
[2] D. Y. Zhang, E. Winfree: "Control of DNA Strand
Displacement Kinetics Using Toehold Exchange",
Journal of the American Chemical Society, 131,
17303--17314, 2009[3] A. J. Genot, D. Y. Zhang, J. Bath, A. J. Turberfield:"Remote Toehold: A Mechanism for Flexible Control of
DNA Hybridization Kinetics", Journal of the American
Chemical Society, 133, 2177--2182, 2011
[4] X. Chen: "Expanding the Rule Set of DNA Circuitry
with Associative Toehold Activation", Journal of theAmerican Chemical Society, 134, 263--271, 2012

詳細な解析を行いたい場合は，上記の反応を 2 分子反応のハイブリダイゼーション，単分子反応のディナチュレーションおよびブランチマイグレーショ
ンの 3 種類の反応に分割する[2]．さらに解析を自動化，設計支援を行う目的では，オンラインのシミュ
レータが公開されている(☞ 67)．一方で，実験的に正確な反応速度定数を求めるには，試験管による実験において蛍光を使って読み出し，経時観察を行う(☞ 51,81)．

103

川又生吹（東北大学）

43．DNA の 2 次構造
DNA の 2 次構造とは，DNA が形成している塩基対の集合によって定義された構造である．DNA を使った分子ロボットを作成する場合には，DNA の挙動を正確に予測し，実験者の意図した通りに塩基配列を設計する必要がある．そのための下準備として，本稿では DNA の 2 次構造について説明する．
■ DNA の 2 次構造とは？

十分な場合が多く，それ以上の高次な構造を考える

溶液中の DNA は様々な構造を形成している．これ場合でも，2 次構造を考慮した上でのことになるだ

は，水素結合によって相補的な塩基同士が結合し，

ろう（☞

コラム

タンパク質の構造）．

複数の塩基対を形成しているためである（☞ 41）．
このとき，「DNA の塩基配列上のどの塩基とどの塩■ 2 次構造の種類

基が塩基対を作っているか」という情報で定義され2 次構造は，その形によって様々な名前が付けられた構造を，DNA の 2 次構造と呼ぶ（下図）．

ている（下図）．

各構造は，以下のように簡略的に説明できる．
・ ダングリングエンド：DNA 鎖の端にある，水素結合していない一本鎖部分．
・ ヘアピンループ： ヘアピンのような形をしているループ構造．ループの中を一周したとき，塩基対を一つだけ含む．

2 次構造は，1 本の DNA で形成される場合もある

・ スタッキングペア：塩基対が隣接して並んでし，複数本の DNA で形成される場合もある．ただいる構造．

し，塩基対は 2 つの塩基間で形成されているものとする．実際には，3 つの塩基が通常とは異なるタイ・ バルジループ：片側の DNA 鎖にのみ，ループ

プの水素結合を形成して 3 本鎖になったり，塩基対が存在する構造．バルジとは，出っ張り，ふく同士が相互作用したり，ということが起こり得るのらみの意味．ループの中を一周したとき，塩基で，2 次構造で DNA の構造全てを網羅しているわけ

対を二つ含む．
・ インターナルループ：両側の DNA 鎖にループではない．しかし，実用的なレベルでは 2 次構造で104

が存在する構造．ループの中を一周したとき，

DNA の化学反応を制御するために必須の基盤的技

塩基対を二つ含む．

術であるので，詳細について各節を参照されたい．

・ マルチブランチループ：構造が 3 方向以上に枝分かれした構造．ループの中を一周したとき，塩基対を三つ以上含む．

コラム タンパク質の構造
タンパク質も DNA と同様に生体中で多様な構造を形成している．いや，その複雑性たるや，DNA

ここでは述べないが，上記の他に，シュードノッ

の比ではないだろう．タンパク質は，水素結合だトと呼ばれる構造もある．上記構造の厳密な定義をけでなく，イオン結合や疎水結合等の力が複雑に含め，詳細な説明に関しては，[1]等の書籍を参照さ働くことによって，3 次，4 次の構造を形成してれたい．

いる．DNA では 2 次構造を考慮すればそれで済む場合が多いが，タンパク質では更に 3 次以上の

■ 2 次構造の予測と設計

構造まで考慮する場合がほとんどである．

DNA を分子ロボットの部品として利用する際，それここで，生体部品をロボットのパーツとしてみらを自在に操るためには，2 つの技術が必要となるなすと，なぜ，プログラム可能な部品として，タ（下図）．

ンパク質ではなく，DNA が盛んに使われているのかが分かる．
ロボットのようなシステムを作る場合，パーツを意図通りに組み立て，動かすことが必須となるが，タンパク質の場合，その構造を予測することが非常に難しく，それゆえに設計も困難を極めるのである．
ただし，これは現在の科学技術の限界であって，将来，タンパク質の挙動を正確に予測し，自由自在に設計できる日が来るのかもしれない．タンパ
ク質は DNA に無い多様な機能を備えており，もしタンパク質を思い通りに組み立て・操ることができたならば，非常に有用な生体ロボットが実現されるだろう．
参考文献[1] 小宮健他, DNA ナノエンジニアリング(2011/5),

一つは，ある塩基配列（の集合）が与えられたと

近代科学社, ISBN-13: 978-4764904026

き，それらが溶液中でどのような構造を取り，また，
それがどの位安定なのかを予測する技術である．これを，DNA の 2 次構造予測と呼ぶ（☞ 63）．もう一
つは，作りたい構造を与えられたとき，そのような構造を取りうる DNA の配列を決定する技術である．
これを，DNA の配列設計と呼ぶ（☞ 64）．両者とも

田中文昭（産業技術総合研究所）

105

44．DNA 合成法
生命化学分野でのゲノム配列の解読や，犯罪捜査における DNA 鑑定，医療分野におけるウィルス型の診断，さらにはバイオテクノロジー全般の，遺伝子が関連する実験･操作のほぼ全てにおいて，化学合成した DNAが無くてはならない役割を果たしている．

■ ホスホロアミダイト法

分の化学構造から，「ホスホロアミダイトモノマー」

今日広く用いられている DNA の化学合成法は，ホと呼ばれており，核酸塩基部，デオキシリボースの 5’

スホロアミダイト固相合成法である．この方法は，水酸基，ホスホロアミダイト部などに様々な保護基

固相担体（Controlled Pore Glass カラム）にエステが導入されている．

ル結合で固定された一塩基めの DNA を出発物としホスホロアミダイト法は，下図のように，全部でて，順次 5’-方向にモノマーを一塩基ずつ連結してい６つの反応ステップから成り立っている．

く．使用するモノマーはリン酸ジエステルになる部
切り出し
脱保護

DMTrO

O
O
O P O
O

ステップ⑤
酸化

NC

B2

ジメ トキシトリチル基

DMTrO
O

ステップ①
脱トリチル化

B1

O
O

B1

保護された
核酸塩基

エステル結合

CPG
O
CPG
CPG
DMTrO

B2

O
O
O P
O

O

NC

B1

HO

B1

O

O

O

CPG

CPG
ステップ③
カップリング

AcO

O
O

B1
ステップ④
キャッピング

ステップ②
活性化

DMTrO

NC

CPG

106

O

O

O
P

N

B2

ホスホロアミダイト

・ステップ①

時間おくと，固相担体と一塩基目の間のエステル結脱トリチル化CPG カラムの一塩基目，およびホスホロアミダイト合が切断されて，DNA 産物が濃アンモニア水に溶けモノマーのいずれにも，5’の水酸基はジメトキシトリ

出してくる．ホスホロアミダイトモノマーに導入さチル（DMTr）基で保護されている．反応スキームをれていた保護基は DMTr 基を除いて全て塩基性で除よく見ると，伸びていく DNA の 5’末端は，カップ

去されるように設計されているため，この濃アンモ

リング時を除いて常に DMTr 基になっていることがニア水溶液をそのまま 55℃で 16 時間加熱することわかるだろう．これを酸（3%トリクロロ酢酸/ジクロ

で，DMTr 基を除く全ての保護基が脱保護される．

ロメタン）で除去し，次の反応点となる 5’-水酸基をこの後は，DNA 精製専用の簡易精製カラムで脱塩露出させるのが，このステップだ．
・ステップ②と DMTr 基の除去を行う（☞ 78）．

活性化

コラム 水気厳禁！

脱トリチル化で生じた 5’-水酸基と連結するために，

ホスホロアミダイト法で注意が必要なのは，ステホスホロアミダイト部の反応性を高めるステップ．

ップ②とステップ③の反応が非常に水を嫌うこと

具体的には 1-テトラゾールなどの活性化剤をホスホだ．水は 5’水酸基とホスホロアミダイトとの連結を

ロアミダイトモノマーの溶液と混合する．

競争的に阻害するので，このステップでは極力排除

・ステップ③

しなければならない．自動合成機にとりつける試薬

カップリング活性化されたホスホロアミダイトモノマーを CPG

は，容易に湿気を吸うので，外気に長時間触れさせカラム内に流し，実際に 5’-水酸基との連結反応を行ないようにすることが必要だ．

う．
・ステップ④

雨の日には DNA 合成をしない方が良い，という
キャッピングジンクスがある研究室もあるとかないとか．DNA 受反応が問題なく進行すれば，出発物の 99%近くは

託合成会社が，梅雨の無い北海道に多いのもこれが一塩基伸張している（すなわち 5’末端にはホスホロ一因らしい．．
．

アミダイトモノマー由来の DMTr 基がついている）
はずであるが，未反応で残った 1%の出発物の 5’末端

■ DNA 自動合成機

は水酸基のままである。これを放っておくと，次の上述の反応を，全て自動で行ってくれる便利な機械

カップリング時に，ここにもホスホロアミダイトモ

が DNA 自動合成機だ．以前は ABI 社の DNA 自動

ノマーが結合し，一塩基抜けた副産物ができてしま

合成機が広く普及していたが，現在では生産中止にう．これを防ぐために，無水酢酸で未反応の 5’-水酸

なってしまった．修理部品も手に入りにくい状況な基をつぶしてしまう．

ので，使用できる機会があったら，大事に扱おう．

・ステップ⑤

現 在 は 日 本 テ ク ノ サ ー ビ ス 社

酸化

ホスホロアミダイトモノマー由来のリンは三価の（http://www.ntsbio.com/synthesizer.htm）が同等状態なので，これを酸化して，五価のリン酸ジエス品を販売している．海外では，最大 192 本の DNAテルにする．

を同時に合成できる機械を販売している会社（http://bioautomation.com）もある．これがなけれ

この後は，配列に必要な塩基の数だけ，ステップば大量のステープルを使用する DNA オリガミは生①〜⑤を繰り返す．全ての塩基を連結し終わったら，まれなかっただろう．

最終ステップを行う．
・最終ステップ

切り出し・脱保護

参考文献

CPG カラムに濃アンモニア水を通して，室温で一[1] 有機化学実験の手引き 4，化学同人

葛谷明紀（関西大学）

107

DNA Mag-beads 東京大学（駒場）2014 年

108

第5章
DNA をパワーアップする飛び道具たち

109

45．いろいろな酵素
酵素は，化学反応を触媒するものであり，蛋白質や核酸から主になる．ATP や GTP といったヌクレオチド・
エネルギー源を使う物と，ヌクレオチド非依存的な酵素があり，非常に高効率に化学反応を触媒する．本章では，様々な酵素を概説する．

■ 酵素について

ここで，生成物の生成速度 v は下記のように書ける

原料 A と B が遷移状態 AB‡を経て生成物 C を作成すので，る反応を考える．酵素は遷移状態を安定化させること(遷移状態のエネルギー低下)によって，反応を促進

v

している．

d P  k  2 ES 
dt

式④

式③を式④に代入し，Vmax=k+2[E]0 とすると，以下の良く知られたミカエリスメンテンの式が得られる．

v

V max S 
K s  S 式⑤

上記式⑤は後半の ES→E+P が律速の場合(k-1>>k2 の場合)であるが，定常状態を仮定できる場合も同様に導出可能である．この場合は，式⑤において，Ks が■ ミカエリスメンテンの式
その際，原料 A や B を酵素 E(=Enzyme)の基質

下記 Km となる(ちなみに，k-1>>k+2 の場合は，式⑥S(=Substrate)と呼び，生成物 C を P(=Product)と呼ぶ．

において，k+2 が無視できるので，Km=Ks となる)．

これらを用いて速度式を書くと下記になる．

Km k 1  k  2
k 1

式⑥

■ 速度論的パラメーターと熱力学の関係
ここで，前半の E+S⇔ES の反応はすぐに化学平衡にエネルギー状態の変化を E，S，P で書き直してみる

達すると仮定すると，後半の ES→E+P の反応が律速と，下記のようになる．

段階と考える事ができる．そこで，解離定数をKs(=[E][S]/[ES]式 ① ) と し ， 全 酵 素 濃 度 [E]0 を[E]0=[E]+[ES](式②)とし，式②を式①に代入すると，以下の式を得る．

ES   E 0 S 
K S  S 

式③

110

前半の E+S⇔ES のエネルギー変化 dG0 は負の値であ列)．

り，前述の Km とかかわりがある．その次の ES→ES‡のエネルギー変化 dG‡は正の値であり，前述の k+2■ ヌクレアーゼとかかわりがある．酵素は遷移状態 ES ‡を安定化(エ糖とリン酸の間のホスホジエステル結合を加水分解

ネルギー低下)する事で反応を促進している．その結する酵素．核酸配列の内部(endo-)で切断するエンド

果，この 2 つのエネルギー変化の総和 dGT‡ = dG0 +ヌクレアーゼと，外部(末端: exo-)で切断するエキソ

dG‡が全体の反応速度に重要であり，酵素反応によっヌクレアーゼがある．

て，様々な値を取る．
■ リガーゼ■ BIOMOD で登場する様々な酵素

核酸の末端同士をリン酸ジエステル結合でつなぐ．

BIOMOD では，核酸を基本材料として用いているた

核酸を切り貼りする際に貼る過程に使われる．

め，核酸を加工する酵素を利用する．以下では，増幅酵素(ポリメラーゼ)，切断酵素(制限酵素，ヌクレアーゼ)，結合酵素(ライガーゼ)といった良く登場す

参考文献

る酵素を概説する．詳細は後述の章を参照の事．

[1] Essential 細 胞 生 物 学 原 書 第 3 版 南 江 堂(2011/2/25); A. Bruce et al(著), 中村桂子/松原謙一■ ポリメラーゼ(翻訳) ; ISBN-13: 978-4524262144

DNA や RNA を鋳型に DNA や RNA といった核酸[2] 生 命 科学 のた め の物 理 化学 〈 上〉 培風 館

高分子を作成する酵素．

(1988/03); D. アイゼンバーグ(著), D. クロサー

DNA を合成する DNA ポリメラーゼは DNA 鎖の 3'

ズ ( 著 ), 西 本 吉 助 ( 翻 訳 ), 影 本 彰 弘 ( 翻 訳 ) ;末端の OH 基(水酸基)に，ヌクレオチドを付加する(5'ISBN-13: 978-4563045036→3'方向に新生鎖は伸張する)．合成開始には，プライマーと呼ばれる配列が必要である．
RNA を合成する RNA ポリメラーゼは DNA を鋳型とする物，RNA を鋳型とする物，鋳型を必要としない物(mRNA の 3'末端に polyA 配列を付加する poly(A)ポリメラーゼ等)がある．
また，最近は人工核酸を合成したり，あるいは，人工核酸を鋳型に天然核酸を合成する物もある．

■ 制限酵素ある認識配列を認識し，その認識配列内部，あるいは付近の配列を切断する．切断断片は，末端形状により，両鎖の端が揃っている平滑末端と，片鎖が突出している粘着末端がある．通常使われるのは II 型
制限酵素と呼ばれる物であり，認識配列は回分(パリンドローム)になっている(片鎖の 5'側から読んでも，
あるいは，その相補配列の 5'側から読んでも同じ配多田隈尚史（京都大学）

111

46．ポリメラーゼ反応
DNA コンピューティングや構造の作製時に用いられる酵素のなかでも，制限酵素についで使われる機会が多い反応が，このポリメラーゼ反応だろう．ここでは，ポリメラーゼを複製のツールとしてみたときにどのようなものがあるのかを概観するとともに，これを用いた複製の例として PCR 法を紹介する．

■

DNA ポリメラーゼ

その種類にはたくさんある．たとえば，主要メーカ

酵素反応は，核酸を材料としたエンジニアリングのーのひとつである NEB (New England Biolabs)が現なかでも，対象となる DNA/RNA 自体を操作・加工在販売している DNA ポリメラーゼは，カタログにできるツールとして重要なものである．各種 DNA

よれば 25 種類にも及ぶ[1]．それぞれの特徴に違い

コンピューティング反応の実装や， DNA ハイドロがあるわけだが，その比較をするうえで知っておく

ゲルの形成など，酵素反応がその設計の鍵として用と良いパラメータのうち，いくつかについて以下にいられている例は数多い．ここではそのうちの「コ紹介する：ピー」をつかさどる，ポリメラーゼと呼ばれる酵素・3’->5’エクソヌクレアーゼ活性

エクソヌクレアについて，これを工学的に利用する視点から解説すーゼ活性とは，DNA を端から１塩基ずつ分解するこる．
（ポリメラーゼの構造や機構そのものについては，とができる能力のことである．この場合，3’側から 5’

理学的な興味からこれまでにもたくさんの研究がさ側に分解できることを意味する．伸長させる機能をれてきているが，本項では解説しない．）

持つ一方で分解する能力も有する，というのはいさ

ＤＮＡポリメラーゼは，その名のとおり，DNA をさか相反しているように思えるかもしれないが，じ伸長（polymer-ase）する酵素である．テンプレート

つはこれは複製の校正をするうえでは重要な意味をとなる DNA に対して，その相補となるプライマー

持っている．正しくない塩基が合成された場合，こDNA を起点に，相補配列の DNA を 5’末端から 3’末の機能によってその塩基を取り外し，あらためてそ

端方向にヌクレオチドを合成していく．このとき，の箇所の合成をおこなうことができる．
同様に，5’側か溶液中の dNTP （デオキシヌクレオシド三リン酸）

・5’->3’エクソヌクレアーゼ活性のうち，１塩基ごとに対応するもの(dATP, dTTP,

ら 3’側に分解していくことができる．

dCTP, dGTP のうちのどれか)が基質として消費され・鎖置換（strand displacement）能5’側から伸長を進めていった先に，すでに相補となる DNA がていく．

ハイブリダイズしていた場合，これを引き剥がして合成を進めることができる能力．
・耐熱性

通常，タンパク質は高温にすると変性してしまい，その機能を失ってしまう（失活）ことがおおい．高温にしても，その活性を維持できる耐熱性の DNA ポリメラーゼが発見され，これを利用することで，後述の PCR 法が格段に楽になった．
たとえば，この本の中で使われている DNA ポリメ
ラーゼの場合，NEB によれば[1]下記のような特徴を[2]を参考に作成

持つ．
Bst DNA Polymerase, Large Fragment (DNA Toolbox で使用)

ひとことで DNA ポリメラーゼといっても，実は3’->5’ Exonuclease: -112

[2]を参考に作成

5’->3’ Exonuclease: -■ RNA ポリメラーゼ

Strand Displacement: ++++
Thermal Stability: +RNA ポリメラーゼは，生物システムでは転写装置とPhi29 DNA Polymerase (DNA 物理ハイドロゲルの形成で使用)
3’->5’ Exonuclease: ++++

しての役割を果たす重要な酵素である．とくに，5’->3’ Exonuclease: -DNA を鋳型としてその相補となる RNA 鎖を合成す

Strand Displacement: +++++るものを，DNA 依存性 RNA ポリメラーゼという．

Thermal Stability: Taq DNA Polymerase with Standard Taq Buffer (PCR 法で利用)

RNA ポリメラーゼのなかでも代表的なものが，3’->5’ Exonuclease: -T7RNA ポ リ メ ラ ー ゼ と よ ば れ る 酵 素 で あ る ．

5’->3’ Exonuclease: +Strand Displacement: +*T7RNA ポリメラーゼは，下図のように，T7 プロモ

Thermal Stability: ++ーター配列とよばれる特定の「開始配列」をもった

注：-はその能力を持たない，+の数でその能力の高さを表してい二本鎖 DNA を鋳型として，そこから 3’方向に進み，る．

NTP（ヌクレオシド三リン酸）を基質としながら(* 置換された DNA 鎖は分解される)

コラム

PCR 法

RNA を合成する．DNA/RNA ナノテクノロジーやDNA ポリメラーゼを使った反応のなかでも，最もよDNA コンピューティングの分野でもこの酵素はよく知られているのがこの PCR 法である（上図）．

く用いられており，たとえば RNA タイル[3,4]や２本鎖 DNA の指定した領域を増幅することができ

RTRACS[4]といった反応系に利用されている．

る．まず，対象となる二本鎖 DNA を水溶液中で加熱して一本鎖 DNA にする．溶液中には事前に増幅したい箇所を指定するプライマー（図中の緑・赤矢印）が大量に入れられており，アニーリングをすることでそのプライマーがハイブリダイゼーションする．この状態で DNA ポリメラーゼは伸長を開始し，相補となる DNA がそれぞれ（薄緑・薄赤）合成される．ここで再び高温にして一本鎖 DNA の状態に戻し，再度アニーリングをおこなうと，さきほど合成された DNA にもプライマーがハイブリダイゼー
ションし，次の伸長反応がすすむ．このサイクルを繰り返すことで，図中の黄色で示されているように，
望みの領域のみをもった二本鎖 DNA が指数関数的に複製されることになる． 耐熱性のある DNA ポリ

参考文献[1] DNA Polymerase Selection Chart
https://www.neb.com/tools-and-resources/selection-charts/dnapolymerase-selection-chart[2] Alberts, B. et al. The Molecular Biology of the Cell, Fourth
Edition. Garland Science (2002)[3] Geary, C., Rothemund, P. W. K., & Andersen, E. S. (2014). A
single-stranded architecture for cotranscriptional folding of
RNA nanostructures. Science, 345(6198), 799–804.
[4] Yu, J., Liu, Z., Jiang, W., Wang, G., & Mao, C. (2015). De
novo design of an RNA tile that self-assembles into ahomo-octameric nanoprism. Nature Communications, 6, 5724.
[5] Ayukawa, S., Takinoue, M., & Kiga, D. (2011). RTRACS: A
Modularized RNA-Dependent RNA Transcription System withHigh Programmability. Acc. Chem. Res., 44(12), 1369–1379.

メラーゼが用いられるようになったことで，サイク
ルごとに酵素を補充する必要性がなくなった．

浜田省吾（コーネル大学）

113

47．いろいろな制限酵素
制限酵素は，ある認識配列を認識し，その認識配列内部，あるいは付近の配列を切断する．BIOMOD では，
DNA 材料の加工だけでなく，シグナルの算出等，システムを構成する部品としても用いられる．

■ 制限酵素について

右側の EcoRV は平滑末端が生じる．

制限酵素は第二次世界大戦後に研究の芽が出て ，
1970 年代に基本的には完成された(1978 年度に Smith，
Arber と Nathans がノーベル生理学・医学賞を受賞)．
現象としては，1952 年に Luria ら(イリノイ大学，
大腸菌の培養に用いられる LB 培地を開発した)が，ある細菌株中で増殖したファージが，通常は感染す

使用する際は塩濃度に気をつける．一般的な制限

るはずの菌株に何故か感染できなくなるという事を

酵素は 1 価イオン(K+，Na+，Cl-，OAc)，2 価イオ見出した．この現象は「宿主支配の制限 (restriction) 」

ン(Mg2+等)，pH 依存的に活性が変わる．各社より，と呼ばれ，ある種の細菌株には，防御機構が備わっ

適切な buffer が販売されているので，自分が使用すており，(自身の DNA は分解しないが)，ファージなる酵素にあわせた buffer を用いる．複数酵素を組合

どの異物 DNA を認識して分解する機構があるのでせて使用する場合も各社より対応表やアプリが公開はと考えられた．

されているので，それらを用いる．また，最近は，時は下って 1968 年に Yuan ら(ケンブリッジ大学)

酵素の遺伝子改良を通じて，同じ buffer で反応が進は，DNA を特異的に分解する『制限』酵素が大腸菌

むように改良が加えられている．

K12 株にあると仮定し，精製を試み，I 型制限酵素を反応の際は，各社から発表されているプロトコル発見した．しかし，この I 型制限酵素は認識部位かに従って反応をさせれば問題ないが，酵素を過剰量ら 1 kbp 以上はなれた場所をランダムに切断するタ

加えすぎないように注意する．というのは，酵素はイプであり，今日では遺伝子工学ツールとして用い

保存のため，50%グリセロール溶液に入っているが，られていない．

グリセロールは酵素の認識特異性を下げ，目的の配今日用いられている II 型制限酵素は 1968 年，

列以外も切断するようになる(star 活性)．こちらも最Werner Arber( ジ ュ ネ ー ブ 大 学 ) ， Hamilton Othanel

近は遺伝子改変を通して，star 活性の少ない物が発Smith ら(ジョンズ・ホプキンズ大学)により提案・発売されている．

見された．
■ シグナル生成因子としての制限酵素■ DNA 加工のための制限酵素

BIOMOD では，複数の要素を組み合わせたシステム

切断断片は，末端形状により，両鎖の端が揃っていを構築する場合がある．その際に，特定の認識配列

る平滑末端と，片鎖が突出している粘着末端がある．

のみを切断する制限酵素は情報処理の際に便利なツ

通常使われるのは II 型制限酵素と呼ばれる物であり，ールである．例えば，外部のシグナルを受けて，シ認識配列は回分(パリンドローム)になっている．下にグナルを生成するプロセスを考えると，シグナル刺例を 3 つ示す．両方とも，片鎖の 5'側から読んでも，激前は制限酵素を何らかの方法で不活性状態に保っ

あるいは，その相補配列の 5'側から読んでも同じ配ておき(例えば，籠で囲う等の立体障害)，刺激が入る

列になっている．左側の HindIII は粘着末端が生じ，と，活性化状態になり，基質 DNA を切断する事で，114

増幅された 2 次シグナルを放出させる事が可能とな

コラム 遺伝子全合成

る．あるいは，トリガーの外部シグナルとして用い

近年は DNA 合成の技術が進み，正確な DNA 合

ることも可能であろう．これらの用途で用いる際は，成が非常に安価となってきた．このため，従来は他の反応系(例えば，DNA 演算回路)と同じ buffer を難しかった長鎖の合成も現実的となってきた．具用いても認識・切断活性があるかどうかを確認する

体的には，生物は 10^-6～10^-7 の正確性で DNA必要がある(あるいは，同じ buffer で動作しそうな制を合成できるが，化学合成も 10^-2～10^-3 程度

限酵素を選ぶ)．

の正確性が可能となってきた．このため，200bp
程度の DNA 合成の商用サービスが提供されていコラム

ギブソン・アセンブリーる(IDT 社等)．また，これらの化学合成 DNA をつ

クレイグ・ヴェンター研究所の Daniel Gibson によ

なげたり，天然の酵素反応と組み合わせることで，って開発された手法．複数の DNA 断片を効率良く10kbp を超える人工遺伝子サービスも広く利用さ

連結する手法であり，古典的な制限酵素と DNA リ

れるようになってきた．これらのサービスでは，ガーゼを用いた方法と比べて，短時間で操作回数少

web ページやメールで配列情報を送るだけで，数なくでき，また，制限酵素由来の余分な配列が残存

日から数週間で目的配列の DNA が届く．このたしないという利点がある(余分な配列は活性に影響

め，制限酵素やリガーゼを用いて遺伝子操作をすを与える場合があるので，余分な配列が残存しない

る代わりに，発注するだけで目的 DNA を得る事という点は，蛋白質を発現させる際に重要である)．

が可能となってきた．価格も安価になってきたの

具体的には以下の 3 つの酵素を用いる(NEB からはで，生物系ではない BIOMODer には，朗報かも

キットも売っている: E2611S と L)．相補配列によるしれない．

アニールと鎖間のギャップを埋めるという基本戦略
は，制限酵素と DNA リガーゼのみを用いた方法と同じであるが，3 つの酵素のコンビネーションとする事で，one-pot で反応が効率的に進み，また，合成

参考文献

DNA 断片を材料として用いることが可能となった[1] 人工生命―遺伝子工学の誕生 (1984/11) J・チャ

ので，近年は多用されている．

ーファス (著),

・T5 エキソヌクレアーゼ[2] Gibson; et al. "Enzymatic assembly of DNA

原料の 2 本鎖 DNA の末端を 5'末端から分解する事

molecules up to several hundred kilobases".

で，アニールに用いられる 1 本鎖共通配列を生じさ

Natureせる．

doi:10.1038/nmeth.1318. PMID 19363495.

・耐熱性 DNA ポリメラーゼ(Phusion polymerase[3] IDT 社 ， テ ク ニ カ ル レ ポ ー ト ” Ultramer

等)

Oligonucleotides”

鈴木 之 (翻訳)Methods(2009);

6(5):343-345.

アニールした DNA 間のギャップを埋めるべく，1
本鎖領域に相補鎖を合成する．
・Taq リガーゼ
アニールした DNA 間のギャップはポリメラーゼが埋めてくれるが，最後にニックが残るので，この部分を連結させる．

多田隈尚史（京都大学）

115

48．いろいろな人工塩基
DNA の化学合成法（☞ 44）が発展した 1980 年代以降から，世界中で天然に無い優れた機能をもつ人工核酸
塩基の開発が競われた．この分野では，日本の研究者も大いに活躍している．本稿では，既に市販されており
BIOMOD のプロジェクトでも使えるユニークな機能を持った人工塩基をいくつか紹介する．

■

光スイッチ

アゾベンゼン [1]名古屋大学の浅沼浩之教授，中国海洋大学の梁興国
教授らによって開発された，DNA の二重らせんの形
成−解離を光でスイッチできる人工塩基．

これを鎖中に組み込むと，366 nm の紫外光照射により相補鎖に組み込んだ T と１秒で共有結合が形成され，二本の鎖がつながって離れなくなる．切り離したい時には，312 nm の光を照射するだけで良い．
効率よく連結するためには，相補鎖中の CNVK の正面
このアゾベンゼン残基は，300〜400 nm の長波長のもしくは隣接する塩基が T であることが望ましい．

紫外光を吸収すると，図上のトランス体からシス体

うまく配列を設計しよう．

に，>400 nm の可視光を吸収するとシス体からトラ■ンス体に光異性化するユニークな特長を持っている．

光で制御できる人工塩基としては，他にも光で DNA

光開裂性リンカー

PC リンカー [3]通常のトランス体は平面構造をしているため，DNA鎖を切断できる Photocleavable (PC) linker も利用の塩基対間に挿入されて DNA 二重らせんを安定化できる．

するが，シス体はベンゼン環同士の立体反発により若干ねじれたかさ高い構造をしており，DNA 二重ら
せんを大きく不安定化する．この違いを利用して，紫外光照射で DNA 二重らせんを選択的に解離，可視光照射によって選択的に形成，というコントロー

このリンカーを DNA の主鎖に挿入しておくと，ルが可能になる．異性化率が 100%ではないので，1

トランスイルミネーターやハンディーUV ランプの残基入れただけでは効果は小さいが，なんと 1 塩基

長波長 UV（＞300 nm）をあてるだけで，速やかにおきに多数挿入してもトランス体では二重らせんを

主鎖が切断される．反応後の断片の末端は，PC リン

大きく安定化し，シス体に異性化させるとこんどはカーの 3’-側の断片も，5’-側の断片もどちらもリン酸

大きく不安定化するという，不思議な性質も持ってモノエステルになる．従って，5’-側の断片はそのまいる．予算が許すなら，複数分子組み込もう．

までは他の断片とライゲーションできないので，脱■光架橋人工塩基CNVK [2]リン酸化を行わなければならない点に注意．
dK と dP [4]北陸先端大学院大学の藤本健造教授らによって開発■された，光を当てると DNA 二重らせんを共有結合

核酸塩基の互変異性をうまく利用して，複数種の塩で固定できる人工塩基．

基と塩基対形成できる人工塩基も開発されている．

116

ユニバーサル塩基

3227−3230.
[3] P. Ordoukhanian, J. Taylor J. Am. Chem. Soc. 1995,
117, 9570–9571.
[4] P. Kong Thoo Lin, D. M. Brown, Nucleic Acids Res.
1992, 20, 5149–5152.
dK は A や G の類縁体で，T とも C とも同じよう[5] 「人工塩基対の分子設計」，平尾一郎，TCI メーに，安定な塩基対を形成できる．同様に，dP は，Aル，2010，No. 148

とも G とも塩基対形成する．

コラム

isoG-isoC ペア [5]

便利なビオチン−ストレプトアビジン相互作用

A-T ペア，G-C ペアに続く，世界で初めての第三の生化学の分野で最も広く使われているタンパク

塩基対として元フロリダ大学の Benner らによっての一つが，ストレプトアビジンだ．同じサブユニッ

開発された人工塩基対．

トが４つ会合してできているこのタンパクは，ビ

■

人工塩基対

オチン（ビタミン B7）という化合物と，非常に強固（生物界では最強）に結合する性質があり，酵素などを固定化する際などに多用されている．
DNA 合成で使用するためのビオチンアミダイ
トももちろん市販されており，DNA の 5’-末端，3’天然の G, C と比較すると，ちょうど置換基のアミ末端，あるいは鎖の中であっても，自在に導入でノ基とカルボニル基の位置がどちらも逆さまになっきるようになっている．

ている．ポリメラーゼなどの酵素にはあまり正確に認識されないが，通常の DNA 計算で使用するには十分，第三の塩基対として使えるだろう．
■

人工塩基対

Ds-Pa ペア [5]

理化学研究所の平尾一郎研究員らによって開発されビオチンの化学構造．側鎖のカルボン

た，こちらも第三の塩基対．

酸を介して様々な分子と連結できる．
DNA ナノテクノロジー研究においても，マイカに非特異吸着しない，DNA より高い 5 nm の光点として観察できる，などの長所がたくさんあり，当研究室では，「困ったときのストレプトアビジン」
が合い言葉になっているほど，なじみのあるタン
パクだ．

なんと塩基対形成に水素結合を使わず，形がフィットすることだけを利用していながら，酵素にも認識されて正確に複製できるすぐれものだ．

参考文献[1] Y. Kamiya, H. Asanuma, Acc. Chem. Res. 2014, 47,

ストレプトアビジン（明るい点）を1663-1672.

摘まんで閉じた DNA ペンチ[2] Y. Yoshimura, K. Fujimoto, Org. Lett. 2008, 10,
葛谷明紀（関西大学）

117

49．非ワトソンクリック構造
DNA の相補性の源である A-T および G-C ペアは，発見者にちなんで，ワトソン−クリック塩基対と呼ばれている．自然界に存在する DNA のほとんどは，このワトソン−クリック塩基対を使って二重らせんを形成しているが，一部には，三重らせんや，四重らせんを形成する DNA まで見つかっている．

プリン塩基のイミノプロトン（1 位）の側から塩基AAAAAAAA/TTTTTTTT）に，第三の鎖としてホモ対形成するワトソン-クリック塩基対以外にも，2 位，ピリミジン鎖（TTTTTTTT）がフーグスティーン結7 位の側から塩基対形成するフーグスティ ーン

合してできる DNA 三重らせんが見つかっており，（Hoogsteen）結合が知られている．A-T ペアには，これが遺伝子の発現調節に関わっている可能性が示

T がフーグスティーン結合し，G-C ペアには，プロ唆されている．

トネーションした C+が結合する．

ホモ プ リ ン − ホモ ピ リ ミ ジ ン
二重ら せんホモ ピ リ ミ ジ ン 鎖＋

三重ら せん
二種類のトリプレット（triplet, 三塩基の組み合わせ）のうち，T-A-T トリプレットはどのような条件でも形成可能だが，プロトネーションした C+が必要
な C+-G-C トリプレットは，C+ができる酸性条件でしか形成できない．
一般に，三本めの鎖の結合の方が，二重鎖の形成よりも不安定なため，三重らせんの UV 融解曲線(☞82)を測定すると，二段階の融解が観察される．
いずれにせよ，あまり安定性の高くない三重らせ■DNA 三重らせん（DNA triplex）[1]んを BIOMOD プロジェクトで積極的に利用する機

上図を眺めていると気がつくだろうが，プリン−ピリ

会は少ないかもしれないが，DNA の配列を設計する

ミジンの通常のワトソン−クリック塩基対にフーグ

際に，プリンやピリミジンが連続する配列はなるべ

スティーン結合する塩基はどちらもピリミジンであく避けた方が無難だろう．

る．これを反映して，自然界には二重らせんのホモ■

プリン−ホモピリミジン領域（片方の鎖にプリンもし

自然界には，さらに鎖の本数が多い DNA 四重鎖もくはピリミジンが連続で続いている配列，例えば見つかっている．特に有名なものが，グアニン四重118

グアニン四重鎖（G quadruplex）[2]

鎖だ．

■

アイモチーフ（i-motif）[3]DNA４重鎖としては，他にもアイモチーフ（i-motif）
構造と呼ばれるものも知られている．こちらはフーグスティーン結合は使用せず，C と，プロトネーショ
ンした C+とのミスマッチ塩基対に由来する構造である．

これは，金属イオンを中心に配位して四塩基のグアニンが全てフーグスティーン結合してできる G カ
ルテット（quartet）構造に由来している．真ん中に

C-C+ 塩 基 対 で は 二 本 鎖 に し か な ら な い が ，トラップされる金属イオンは主に Na+と K+で，K+i-motif は非常にユニークな構造で形成される．すの方がより強く結合する．

なわち，上記の C-C+塩基対で形成される二本鎖が二つ，一段ずつ互い違いにかみ合いながら反対向

一般に，G が三塩基以上連続する配列があるとこきに結合するのだ．

の構造をとり易くなる．生体内では特に，染色体の末端領域であるテロメア領域に G の繰り返し配列が多く（例えばヒトのゲノムの場合，TTAGGG が何度も繰り返している），この末端一本鎖領域における四重鎖構造の形成が，染色体そのもの安定性に寄与しているのではないかと推定されている．
グアニン四重鎖の安定性は，通常の DNA 二重ら
せんよりも高いことが多いので，配列設計の際には，
G が三塩基以上連続しないように注意すべきだ．一

C+-G-C トリプレット同様，C のプロトネーション

本鎖中に G の連続配列が多数存在すると，分子内でが必須なので，i-motif は酸性条件でしか形成されな

複雑に折り畳まれて安定な四重鎖を形成することもい．このため，i-motif を使った pH 応答性の DNAある．例えば，同じ配列が 4 回繰り返した(TTAGGG)4分子マシンも，すでにいくつか報告されている．

という鎖は，様々な折り畳まれ方で分子内四重鎖を参考文献

形成することが知られている．

[1] M. D. Frank-Kamenetskii, S. M. Mirkin, Ann. Rev.

逆に，グアニン四重鎖を積極的に利用すれば，Na+や K+をトリガーとする DNA 分子マシンを作ること

Biochem. 1995, 64, 65-95.

も で き る . 例 え ば DNA ペ ン チ の レ バ ー 部 に[2] S. Burge, G. N. Parkinson, P. Hazel, A. K. Todd, S.

(TTAGGG)2 を複数導入すれば，Na+や K+を検知してNiedle, Nucleic Acids Res. 2006, 34, 5402-5415.

DNA ペンチが閉じる単分子金属イオンセンサーを[3] Y. C. Dong, Z. Q. Yang, D. S. Liu, Acc. Chem. Res.

つくることができる(☞ 26)．

2014, 47, 1853-1860.

葛谷明紀（関西大学）

119

50. タンパク質モーター
タンパク質モーターとは，生体内のエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸(ATP)の加水分解反応による化学エネルギーを運動エネルギーに変換するタンパク質である．アクチン上を運動し，筋収縮に関与するミオシ
ンや，微小管上を運動し，細抱内での輸送小胞やオルガネラの運搬に関与するキネシンなどが知られている．

■ ミオシンの構造と機能回移動する様式でステップを発生させることが明ら

筋肉のおもな機能は，力を発生して身体を動かすこかとされた．さらにミオシンの 1 分子計測においてとである．この収縮力の源は おもにミオシンとアク

外部負荷を変化させることにより，ミオシンのステ

チンと呼ばれる 2 種類のタンパク質である．

ップサイズは負荷の増加に伴い減少する，負荷依存ミオシンは分子量 520,000 のタンパク質であり，性を示すことが証明された．

アクチンとの結合部位や ATP 加水分解部位を含む頭部と自己組織的にフィラメントを形成する尾部などを含む(図 1(A))．アクチンフィラメントは，分子量が約 42,000 の球形(G)アクチンが，約 13 個で半周期構造となる右巻き二重らせん構造の線維状重合体である(図 1(B))．G-アクチンは 4 つのサブドメインから形成され，それらのサイズの違いによりアクチンフィラメントには極性が存在する．ミオシンはアクチ
ンをマイナス端方向へと移動させることで筋収縮を起こす．

図 2 (A)ビオチンとストレプトアビジンの相互作用を利用し，アクチン上を運動するミオシン頭部の変位を計測する．(B)ニードルで計測したステ
ップ長，平均 5.3 nm の連続サブステップを観測
Reprinted with permission from Nature, 1999[2]．

図 1 (A)アクチンおよび(B)ミオシンの構造■ 筋収縮の分子メカニズム
ミオシン，アクチンによる収縮のメカニズムとして■ キネシンの構造と機能ミオシンが頭部先端をアクチンに結合させ，その角キネシンは大腸菌を用いて組換えタンパク質の発現度を変化させることで力を発生しているとする首振精製を行うことが可能であり，in vitro 運動アッセイ

り説が提唱された．この仮説は X 線結晶構造解析やに必要な精製したタンパク質や遺伝子組換え変異体

光ピンセット法を中心に検証されてきた．光ピンセの調製が容易である．さらにキネシンは連続的運動

ットを用いた計測によりミオシンのステップサイズ

能という特徴を持ち，一度微小管と相互作用したキは 9~13 nm であることが明らかとされた．その後，ネシンは 100 ステップ程度連続的に移動するため，1

ガラスニードルを用いたミオシンの変位計測により，分子計測法の対象として適している．
キネシンの構造は重鎖二つと軽鎖二つからなる四ミオシンは 5.5 nm 間隔のアクチンピッチ上を複数120

量体である．重鎖は ATP 加水分解部位と微小管結合

ATP が結合する．その後，もう一方の頭部からの部位を含むモータードメイン(頭部)，コイルドコイル

ADP の解離が促進される．このように 2 つの頭部が領域からなるストーク部位および荷物に結合する尾等価的でなく，ADP の解離が交互に起こるため，キ部より形成される．また，キネシンのレールとなる微

ネシンの微小管上におけるステップ状運動が可能と

小管は α-チューブリンと β-チューブリンからなるチなっている．

ューブリンダイマーが中空のチューブ状に重合した

キネシンの一方のモータードメインに蛍光色素をものである．微小管には極性があり，重合速度に応じ導入し，一分子計測を行うことにより，モータードメてプラス端，マイナス端が定められている．

インは平均 17 nm のステップで運動することが確認

キネシンは荷物を尾部に結合し，モータードメイ

され，キネシンは hand-over-hand で運動している

ンが ATP を加水分解しながら微小管への結合解離をことが証明された．

繰り返してプラス端方向へと移動することにより，輸送小胞やオルガネラの運搬を担っている．

■ キネシンの運動のメカニズムATP
1分子

キネシンは連続的運動性という特徴を有しており，
これはin vitro運動アッセイによって証明された．invitro運動アッセイは，ガラス表面にキネシンを固定し，その上を微小管が運動する様子を観察する手法(図3(A))とガラス表面に微小管を固定し，キネシンを吸着させたビーズまたは蛍光標識したキネシンが

ATP
1分子

その上を運動する様子を観察する手法(図3(B))に大16.6 nmきく分けられる．さらに後者のアッセイ法と光ピンセットを組み合わせることによりキネシンが微小管上を8 nmのステップ長で運動することが明らかとなった．

図 4 hand-over-hand モデルの模式図

(A)

(B)
ATP

ビーズ

参考文献

ADP

微小管

[1]分子生物学

2014[2]Kazuo Kitamura, Makio Tokunaga, Atsuko

キネシン
基板

化学同人

Hikikoshi Iwane & Toshio Yanagida, Nature 397,
ATP

ADP

129-134 (1999).

図 3 in vitro 運動アッセイの模式図
微小管上を運動するキネシンの運動メカニズムは
hand-over-hand モデルが提唱されてきた．このモデ
ルはキネシンが 2 つの頭部を交互に動かしながら人が歩くように移動するというものである(図 4)．溶液
中のキネシン頭部には ADP が結合しているが，微小管と結合することで一方の頭部から ADP が解離し佐々木廉，角五 彰（北海道大学）

121

51．FRET と分子ビーコン
光は様々な物質を透過するので，相互作用検出に光を検出するのは，非破壊的に状態を検出できるので，有用である．蛍光は蛍光色素が発する光であり，励起光が必要であるものの，可視光域に様々な種類の蛍光物質があり，目的に応じて使い分けが可能である．相互作用を検出には，相互作用すると光りだす反応が有用である
が，BIOMOD では FRET や分子ビーコンと呼ばれる方法が用いられる．

■ FRET と分子ビーコン

また，蛍光の性質(波長や寿命)は蛍光分子の運動や周FRET は 蛍 光 共 鳴 エ ネ ル ギ ー 移 動 (Fluorescence

囲との相互作用によって影響を受けるので，様々なresonance energy transfer ， あ る い は ， Forster

蛍光分光法が開発されている．

resonance energy transfer)の省略名である．2 つの色素が非常に近い距離(-10nm)にある場合のみ，蛍光検出が検出されるので，2 つの物体が近くにあるか
どうか，相互作用しているかどうかを検出するのに用いられる．
分子ビーコンは，基本原理としては FRET と同様であるが，2 つの色素ではなく，片方が quencher とよばれる，光を吸収するだけで，発光しない色素を用いているのが特徴である．同じ DNA や RNA 鎖の両端にそれぞれ，蛍光色素と quencher を結合させ，鎖内ハイブリできるように配列設計をしてあげると，■ FRET の原理

普段は蛍光色素と quencher が非常に近くにあるのある蛍光分子(ドナー)が蛍光がエネルギーを放出しで，蛍光が quench され，蛍光は観察されない．して基底状態に戻る際に，すぐ傍に，エネルギーを受かし，分子ビーコンが目標に結合すると，蛍光色素

け取る事が可能な蛍光分子(アクセプター)があると，と quencher の距離が遠くなるので，蛍光色素の発光

遷移双極子間の双極子-双極子相互作用が起き，エネが観察されるようになる．

ルギー移動が起きる．その結果，ドナーを励起しても，アクセプターにエネルギーが移動し，(ドナーの■ 蛍光について代わりに)，アクセプターが発光するという現象が起蛍光は基底状態(S0)から励起状態(S1)に励起された

こる．エネルギー移動の起こる確率は，ドナーとア分子が，エネルギー放出によって基底状態に戻る過クセプターの相対的な配向(向き)に依存し，また，近程で放出される．この過程は，Jablonski ダイアグラ

ければ近いほど移動効率が高く，両者の距離の 6 乗

ムで現される．時間スケールとしては，励起状態への遷移が，フェムト(10^-15)秒のオーダーで起こり，に反比例する．普通使われる有機蛍光色素や GFP のような蛍光蛋白質では，-10nm の距離の範囲でエネ蛍光放出がナノ(10^-9)秒のオーダーで起こるので，ルギー移動が起こる．

全体としては，ナノ秒程度の現象である．蛍光の発エネルギー移動の大きさを示す指標であるエネル

光エネルギーは，熱振動等により，蛍光色素が吸収

ギー移動効率 EFRET は，2 つの蛍光色素の距離を Rしたエネルギーよりも低くなり(波長が長波長にシフトする)，ストークシフト(Stokes's shift)と呼ばれる．

122

とすると，

EFRET 

IA1
I A  I D 1  R R 0 6光で検出できるようになる．

式①

ID : ドナーの蛍光強度，IA : アクセプターの蛍光強度と表される．ただし，ここで R0 は EFRET が 50%とな

参考文献

る距離(Förster 距離)であり，以下の式で求められる．

[1] 蛍光分光とイメージングの手法 (日本分光学会

R0  8.785  10 25 2 D n 4 J
6

測定法シリーズ) 学会出版センター (2006/06); 御式②

橋廣眞(編集); ISBN-13: 978-4762230462

J    A  FD  4 d  FD  d
式③
A() : 波長  におけるアクセプターのモル
吸光係数FD() : 波長  におけるドナーの蛍光強度 : 波長2 : 配向因子
D : ドナーの量子効率
n : 溶媒の屈折率

ここで，J は，ドナーの発光スペクトルと，アクセプ
ターの吸収スペクトルの重なりの大きさを表す量で，[M-1 cm3] の単位を持つ．

■ 分子ビーコンの原理

FRET において，アクセプターが受け取ったエネル
ギーを蛍光として放出するのではなく，熱に変換してしまう物を dark quencher(クエンチャー)と呼ぶ．そのため，ドナーとアクセプターが近くにある状態では，蛍光は検出されず，遠くになるとドナー蛍光の発光が観察されるようになる．
通常は一本鎖核酸(人工核酸)の両端に結合させ，ステムループ構造を持たせる．標的に結合していない状態では，ドナーとクエンチャーが近いに距離にあるので，ドナー蛍光は光らない．一方で，分子ビーコンが自ら持つプローブ配列(標的配列に対して相補的な配列)を用いて標的に結合すると，ハイブリに伴ってドナーとクエンチャー間の距離が広がるので，ドナーの蛍光が観察されるようになる．この性質を利用して，情報の状態を蛍
多田隈尚史（京都大学）

12352. 人工細胞とリポソーム（とその周辺）
DNA ナノテクとの組み合わせで注目されているのが脂質二分子膜である．その閉じた小胞，マイクロカプセ
ルはリポソームと呼ばれ，人工細胞の器ともよばれる超分子構造である[1]．分子デザインは単一分子から超分子，超分子複合体へとスケールアップが見込まれるが，その足掛かりになる脂質膜小胞の周辺を概観しよう．

■ はじめにいる．サイズや膜の状態によって SUV, LUV, MLV,

ヒトは錬金術の昔から生命をつくり出したい生き物

GUV などに分類される．原料に，両親媒性の高分子

で，「自己複製以外の方法」でそれが叶えば面白いし（ポリマー）を用いたものにポリマーソームがあり，生命の本質に迫れよう．プログラマブルなコンピュ

頑丈さや機能追加の容易さなどから注目されている．

ータ内での人工生命モデルとは異なり，実空間で人

特に細胞サイズのリポソームは，1980 年代以降，宝工生命を実現しようとすると細胞の機能の一部再現

谷らが暗視野顕微鏡による GUV の直接観察法に先を狙うのが現実的な路線で，細胞のモデルとなるマ

鞭をつけ，蛍光ラベルした分子による高精度な観察

イクロカプセルにシンプルな分子群を導入したもの手法も発達した[1]．内部に生化学反応系を仕込み，が人工細胞と呼ばれる[1]．その担体としてよく用い追跡し，評価する試みが多数行われてきている．最られるのが脂質膜小胞，リポソームである．

近では，マイクロ加工技術の進歩や先進的な工夫に■ 脂質膜とはよって，サイズの揃った細胞サイズのリポソームも脂質分子とは，両親媒性，つまり親水性と疎水性の簡便に作製可能(☞ 89)になっている．

性質をもつ官能基が結合した分子である．水中に分散すると，疎水性の分子を内側にした集合体となる．
要は水と油の分離である．脂質分子の形状によって，
球状（ミセル），棒状（ミセル），膜状（メンブレン），
板状（メンブレン）などさまざまな状態を示す．こ
うした共有結合より弱い力で集合した一対以上の分
子 の 組 織 体 を と り 扱 う 学 問 を 超 分 子（supuramoleculer）科学（化学）と呼ばれる．高分
子化学と並んで，BIOMOD を戦う上で学んでおくと便利なおすすめ分野である[3]．人工脂質膜としては，■

黒膜，LB 膜， Water-in-Oil(w/o) エマルジョン，そ物質から細胞を模倣し，あわよくば本物の細胞を組してリポソームがよく知られている（図 1）．

み上げようという願望は，生命の起源や宇宙生物学■ リポソームとはなどの問題意識と結びつき，様々なモデルを構築し人工細胞とはリポソームは脂質二分子膜の末端が閉じた小胞であてきた．トラウベやオパーリンのものが有名．生命る．ベシクル（Vesicle）とも呼ばれる． 1964 年にの依り代である細胞が実は物質の集合体である一方

Bangham により報告された．その膜は微小体積を包でその間は物質への一方通行のみ，という対称性の

む疎水性のバリアとして内外の分離能に優れ，細胞悪さの謎を解き明かすために，人工細胞は使われる．

膜に類似した脂質二重膜構造をもつため，生体膜モ

物質とそのシステムがいかに振る舞うか，を細胞のデル，化粧品や DDS（薬剤送達システム[4]），そし観察のみならず細胞「類似の」場所をつくってつかて人工細胞に利用するための研究が盛んに行われてうことで操作的に明らかにできる．タンパク質合成

124

系を純化したり[5]，RNA の複製に突然変異を入れてが高いハードルとなっている．学部学生のチームがダーウィン進化を再現したり[6]，合成脂質で膜の複軽やかに越えてゆければ大変に痛快だろう．

製と DNA の複製をカップリングさせたり[7]，完全■ おわりに合成ゲノムが導入されたマイコプラズマ（愛称シンDNA も脂質膜もリポソームも細胞も生物も触れる，

シア）が誕生したり[8]，細胞の全再構成を狙った研つまり工作可能な実体だが，生命，となると言葉で究では，大腸菌の抽出液をリポソーム内に導入してあり概念である．人工細胞が生命を越えるにはどん

タンパク合成を実現するなど[9]，日進月歩である．

なシステムが必要なのだろう？これを考えるのはとこうした研究は国内外で盛んで，特に日本では 2005ても愉しいが，人工物が生命のサブセットな間は人

年に「細胞を創る」研究会が発足している [10]．だ

類の工作技術もまだまだなのかもしれない．ファイが作ったコピーモデルは本物を越えられるのだろう

ンマンは「歯車の噛み合う様子を言葉で説明できる

か．越えるとはどういうことだろう？

かい？」と問うた．せっかくの工学，言葉で形容し■ というわけで「合成生物学」を 6 行で難いものをつくりだしたいものである[12]．

分子システムから細胞を改造し，機能を追加しよう，という新しい学問分野が合成生物学である．フルス

参考文献

クラッチビルドを狙う人工細胞・分子ロボティクス[1] 秋吉，辻編「リポソーム応用の新展開」，NTS.

と被る部分も多いが，主に応用面で期待されており，[2] J.M. Lehn,「超分子の化学」1997,化学同人, 等

最大の利点は自己複製機構を使える点にある．国際[3] DDS については成書多数．W. M. Saltzman 等．

学生大会に iGEM であり，BIOMOD の兄者．

[4] Shimizu, Y. et al. Nat Biotechnol 19, 751–

■ 人工細胞と DNA ナノテクとの関連

755 (2001).

通常の脂質膜は結合のゆるい超分子構造で，個々の[5] Ichihashi, N. et al. Nat Commun 4, 2494

脂質分子は常に並進拡散している．その上に DNA(2013).

オリガミを載せたなら，海上のイカダ的に 2 次元の[6] Kurihara, K. et al. Nature Chem 3, 775–781

拡散運動を示す．BIOMOD の例を挙げると，2012(2011).

では， DNA オリガミで DNA 輸送用の貫通チャネ[7] Gibson, D. et al. Science 329, 52 (2010).

ルをフルスクラッチして細胞膜に導入させるプロジ[8] Fujiwara, K. et al., BIOPHYSICS 10, 43–48

ェクト「CellGate」で東北大チームが優勝した．大(2014).

歓喜の帰国 1 週間後， Langecker らのオリガミチャ[9] 「細胞を創る研究会」http://www.jscsr.org 岩

ネルが Science 誌に発表された[10]（この大人版

崎秀雄「＜生命＞とは何だろうか」に詳しい．

CellGate に血相を変える筆者にメンバーは「危ないBIOMOD チームもポスター発表している．同様に，ところでした」と言い放った）．翌年，ドレスデンチ

分子ロボティクス研究会 http://molbot.org 若手のームは簡易版 CellGate を搭載したポリマーソーム会も活発に活動している．

で 2 位を獲得，2013, 2014 年の東大柏チームもオリ[10] Langecker, M. 他 Science 338, 932–936

ガミ人工受容体構築から人工細胞ネタへと展開した．

(2012).

本職科学者たちも論文を続々と発表しており，[11] Douglas, S. M. et al., Science 335, 831–834

DNA 計算を実装した人工細胞系も報告されている．

(2012).

人工膜・人工細胞系と DNA ナノテクの相性は良い．

[12] ただ，分子ロボの先に待つ分子仏教(萩谷昌己,

活きた細胞との融合が次のターゲットだろうが， S.

新学術領域分子ロボティクス領域会議@伊東,Douglas 監督が BIOMOD 初年度に発表した論文[11](2015))など，冗談にしても言葉による工作は手強い.
野村 M. 慎一郎（東北大学）

125

Molecular Governor 九州工業大学

126

2014 年

第6章
ソフトウェアテクニック

127

53．概論：まず覚えたいソフトウェア
目に見えない生体分子の「デザイン」を競う BIOMOD だからこそ，自分たちの成果を分かりやすく表現する必要がある．審査は Wiki，YouTube，プレゼンに対して行われるため，成果を説明する効果的な文書，表，グラフ，プレゼンスライド，さらにはセンスの良いアニメーション，動画を作成してほしい．

■ まずはオフィススイートを覚えよう■ 効果的な画像を作りたいとき

とりあえず，Microsoft Office を使えば，審査に必要

PowerPoint でも図形ツールを使って作図を行えるな全てのコンテンツ(☞ 3)を用意することができる．

し，写真の明るさ，コントラスト，色調の調整が可

Microsoft Office とは，Microsoft 社が提供するオフ能であるが，Adobe 社が提供する Illustrator（グラィススイート（業務で必要なソフトウェアの集まり）

フィックデザインソフト）や Photoshop（フォトエで あ り ， Word （ 文 書 作 成 ）， Excel （ 表 計 算 ），ディタ）を使えば，表現力が格段に上がる（下図はPowerPoint（プレゼン）は読者も使ったことがある，

Photoshop で作成されたイラスト）．これらは有償であるいは聞いたことがあるに違いない．他にもアッあるが，無償のソフトウェアで十分な機能を備える

プル社が提供する iWork もオフィススイートである．

Inkscape，GIMP もオススメである．

■

なぜ色々なソフトウェアを覚えるべきなのか？

しかし，BIOMOD で Project Award Gold（金賞）を勝ち取ったチーム(☞ 5)は例外無く，Microsoft
Office のようなオフィススイートだけでなく，実に様々なソフトウェアを駆使して，Wiki，YouTube，
プレゼンを作り上げている．それはなぜか？「直感的に理解しやすい」，「説得力のある」，「見ていて楽しい」コンテンツを作成するには，画像，動画，2D・3D アニメーションを用意する必要があり，その表現(☞ 56)■ 直感的に理解しやすい 3D 画像を作りたいとき
Wiki，YouTube，プレゼンをより分かりやすくした
いときに，3D 画像が効果的であることも少なくない．
また，見ていて楽しい作品作りにおいても重要なス
パイスである．
様々な 3DCG 作成のソフトがあるが，いずれのソフトにおいても基礎となるモデリング，
マテリアル，アニメーション，レタリングについて説明する．
■ 画像の説得力を高めたいとき
ウェット実験データの画像処理・解析ソフトの定番
は Image-J である．このソフトはオープンソース，

力は専用ソフトウェアを使うことでさらに高めることができるからである．

128

（☞ 57）

無償でありながら，プロの研究者でも満足するほどの高性能，高機能である．扱えるファイルフォーマ
ットも TIFF，PNG，JPEG，BMP，AVI などの基本的なものから，特殊なフォーマットのものまで幅広い．BIOMOD に限らず，卒論，修論，研究において強力なツールとなるため，是非使い方をマスター
したい(☞ 58)．

■ 見ていて楽しい動画を作りたい
これまでの BIOMOD の採点基準では，YouTube のウェイトは 25%である(☞ 3)．従って，動画作成のスキルの向上は金賞を狙う諸君にとっては必須条件となる．商用ソフトの Premiere Pro，フリーソフトの Windows ムービーメーカ，AviUtl などを紹介する．

(☞ 59)

中茎 隆（九州工業大学）

129

54．文書・表・グラフ作成
オフィススイートとは，レポートや論文を作成するときに用いられる基本的なソフトウェアの集まりである．
その中でも Word（文書作成），Excel（表計算）は，会社での業務でも使われるため，是非使い方をマスター
したい．また，グラフ作成に関して Gnuplot についても紹介する．

■ 文書作成となっている．企業では，会議資料は Word で作ら文書作成は，手書きでもできることであるが，あえれ，電子的に配布され，会議後は議事録がさらにてソフトウェアを使う意義は何であろうか？様々なWord で作られて配布され…というスタイルは珍し答えがあると思うが，BIOMOD でのチーム作業におくない．読者のみなさんもチーム作業を効率的に行いて，筆者は次の点を挙げたい．

うツールとして是非文書作成ソフトを活用されたい・読みやすさ（ただし，ドキュメントを凝りすぎると手段のはず

・管理のしやすさが目的となってしまうのでご注意を）．

・情報共有のしやすさ■

プロジェクトのスタート時には，スケジュール，目

表計算ソフトの代表例は Microsoft Excel であり，

標達成のためのロードマップ（行程表：目標達成のWord と同様に授業のレポート作成の際に利用したために達成しなければならないことを時系列にまとことのある読者も多いと思われる．BIOMOD では実めたチャート）をチームメンバーで話し合うであろ験データの整理や解析において威力を発揮し，結果

うし，プロジェクト進行中は，定期的にミーティン

から表や多種多様なグラフを作成することもできる

グを開き，設計仕様，分担された仕事の進捗状況なため，実験に書かせないソフトウェアと言える．すどが活発に議論されるはずである(☞ 7)．チーム活動

なわち，表計算ソフトには次の 3 つの役割がある．

をより効率的に，かつ，効果的に進めるために Word・データの整理などの文書作成ソフトを積極的に利用することをオ・データの解析

ススメする．文書作成ソフトは，現代の IT 時代にお・表，グラフ作成

いては，本来の読みやすさ，編集のしやすさというデータの整理に関しては，メニューの「データ」に，機能以上に，情報の管理と共有のための手段

並び替え，フィルタ（データの抽出），重複データの表計算

削除，集計，ピボットテーブルなどの基本的な機能が納められており，外部データソースとの連携（インポート）も可能である．また，使い方を工夫することでチームでの共同作業の整理という点でも威力を発揮する．例えば，チームで作業を分担しているケースでは，各メンバーの作業担当一覧表を作成し，ネットワーク上で Excel ファイルを共有し，各人が担当作業の進捗を表にアップデートすることで，全体の作業の進捗状況が一目瞭然となる．これは単なる一例であるが，Word と同様に IT 環境をうまく利用することで，単なる表計算ソフトもまたチーム作
業の効率を劇的に向上させる強力なツールとなり得

130

る．

参考文献

データの解析に関しては，多種多様な Excel 関数
を使いこなすことで平均や分散といった基本的な統[1] 涌井 良幸, 涌井 貞美, Excel で学ぶ統計解析―

計量の計算から母平均の差の検定，ノンパラメトリ

統計学理論を Excel でシミュレーションすれば, 視ック検定，相関，多変量解析などの本格的な統計解

覚的に理解できる, ナツメ社, 2003.

析が行える．Excel による統計解析，多変量解析の本[2] 立山 秀利, Excel VBA のプログラミングのツは豊富に存在するが，例えば，参考文献[1]はオスス

ボとコツがゼッタイにわかる本, 秀和システム,

メの一冊である．

2007.
[3] 大竹 敢, 矢吹 道郎, 使いこなす gnuplot, テ

また，Excel 関数を組み合わせて高度な計算やタス

クノプレス, 2004.

クを効率的に（一連の作業を自動的に）行いたいときに威力を発揮するのが「マクロ」である（メニューの「ツール」—「マクロ」）．マクロは Excel 用のプ

コラム TeX とは

ロ グ ラ ミ ン グ 言 語 VBA （ Visual Basic for

理系の大学生の卒論は TeX（テフと読む）で書か

Applications）で作成できるが，興味のある読者は例れることが少なくない．また，分野にも依るが，えば文献[2]の入門書などがオススメである．

学術論文も TeX を使って執筆されることも少なく

最後に表，グラフの作成であるが，メニューの「挿ない（もちろん，Microsoft Word も広く使われて入」—「テーブル」，「グラフ」を選択することで手軽いる）．TeX とは，フリーの組版システムであり，に作成することができる．特に，グラフは下図に示

ユーザーはコンテンツである文章や図表を作成

すように縦棒，折れ線，円，横棒，面，散布図，そし，文書のレイアウトなどのコンテンツ以外の要の他（株価，等高線，ドーナツ，バブル，レーダー）

素は，クラスファイル（あるいはスタイルファイ
ル）や設定に基づいてコンピュータが行う．TeX
での執筆は，HTML 言語でホームページを作るイ
メージに近く，Word での執筆に比べて面倒である．しかし，世界中でいまだに TeX が使われ続けている最大の理由は，TeX が作り出す数式が極めて美しいからであろう．

から用途に適したグラフを選択することができ ，Excel のグラフ作成機能を用いる一つの利点である．
■ グラフ作成
グラフ作成が効率的に行えるソフトウェアとして
Gnuplot（ニュープロット／グニュープロット）も是
非覚えたい．高機能でありながら無償で配布された
オープンソースのソフトウェアであり，2D・3D グ
ラフ作成用のプログラミング言語とも言える．ウィ
ザードに従って選択していくことでグラフが完成するという手軽さでは Excel に軍配が上がるが，多機能性，大量のデータを高速に処理し作図する性能に関しては Gnuplot が勝る．

中茎 隆（九州工業大学）

131

55．プレゼンスライド作成
BIOMOD のプレゼンテーションでは， PowerPoint を使用するのが一般的である．ここでは PowerPoint を使用したスライドづくりのポイント，コツ，やってはいけないことなどを紹介する．

■

プレゼンテーション

そのためには相手の心理まで考えたプレゼンの組み

英語プレゼンの項(☞ 10)で述べたとおり，BIOMOD

立てが必要である．もし実験がうまくいったなら，のプレゼンは学会発表とは異なり，物語性やエンタ

そこに山場を持ってくるべきである．実験はうまくーテインメント性を盛り込むことができる．しかし，いかなかったが，面白い原理を思いついたなら，そ何と言ってもプロジェクトの内容を伝えることが一の説明に重点を置く．どのような順番で結果を示し

番大切なことは言うまでもない．それをいかにわか

たら一番納得してもらえるかよく考えよう．

りやすく伝えるかということに重点を置くべきであどんな発表でも，目的と結論がきちっと対応していることが大切だ．これがちぐはぐだと，聞いている．

る人は納得できない．さらに，得られた結果から広プレゼンの流れ（例）１．タイトル，チーム名，大学名

がる未来や夢を語ることができれば，きっと好印象

２．背景，動機が得られると思う．若者らしい夢をぜひのびのびと

３．プロジェクトの目的

語ってほしい．

４．動作原理とそれに基づく設計内容■

５．実験・シミュレーションの結果

一般的なプレゼンのテクニックや PowerPoint の解

６．結論

説本がたくさん出ているので，担当する人は何冊か

７．将来への展望，夢

目を通しておこう．ここでは基本的なことだけを取■スライド作成上の注意

質疑応答

り上げる．

プレゼンテーションの構造

・スライド作成の責任者を決めて統一感を出す

やったことの事実をただ示すのがプレゼンではない．

スライドづくりは，国内大会，本大会の Wiki 締切

自分たちの主張したいポイントがどこであるか，何後の 1 週間にチームみんなで分担して行うことになを強調したいかに応じて，重みや緩急をつけ，そのるだろう．責任者を決めて，スライド全体に統一感ことが効果的に聴衆に伝わるようにすべきである．

を出すことが重要である．フォント，フォントサイ

1132

よいスライド

スライドを見れば大体言いたいことがわかるよう・タイトルだけでもおおよそ言いたいことがわかるになっているのがよい．実験結果のグラフを見せるだけでなく，そこで言いたいことを一言添える．

・文字や図が見やすくはっきり書かれている・最後のスライド・必要十分な情報が書かれている．
・重要性に応じた枚数・面積が使われている

Thank you for your attention．とかにしない．質・話者の英語が聞き取れなくても大体わかる

疑応答の時間もこのスライドが表示され続けるの・セリフと完全に連動しているで，成果の要約など Positive なメッセージを書い・ほかのスライドと統一がとれているておこう．
・動画や特殊効果
本番でスライドに埋め込んだ動画が表示されない

わるいスライド
・何が主張したいポイントなのかわからないという事故がまま起こるので，できるだけアニメ

・字や図が小さくて読みにくいーションを利用する．スライドの切り換えの効果
は，ここぞというところだけで使い，濫用しない．

・重要なことなのに小さくしか書かれていない・プレゼンターとスライドめくり係は分業する・さほど重要でないことに派手な図が使われている

プレゼンターがセリフの暗唱に集中するため，め・セリフと異なる言葉が使われていて対応がわかりくり係を設けるとよい．めくり係りはセリフのどにくいの箇所でめくるかを練習しておく．何回も練習し・スライドごとにテイストがまちまちて，時間通りできるようにしておこう．

ズ，色使い，アイコンなど，注意する項目がたく
さんある．

参考文献

・時間配分
セリフ原稿を読んでストップウォッチで計測する．

必ず通る！「資料」作成技術，日経 BP ムック，

大切なことに時間をかけられるように，スライド2014 年（890 円）の枚数配分を決め，セリフを調整する．

※実例が豊富でコンパクトに要点がまとめられているおすすめの本です．

・セリフとスライドのシンクロ
セリフの用語とスライド上の用語は完璧に一致させる．セリフをいう順序と，スライド上の位置関係（上から下，左から右）も一致させる．
・スライドは見やすく・わかりやすく
一枚のスライドに情報を盛り込みすぎてはいけな
い．大きめの字で簡潔な文章を書く．一般に，一枚のスライドに 7 行までと言われている．
・名前やアイコンの同一性に注意する
同じものは同じ名前，同じアイコン，同じ色と形で表す．大勢で分業すると，同じものを違う呼び名で読んだり，違うアイコンで示したりしがちである．これをやると聴衆の理解度はいっぺんに低下してしまう．チームワークの見せ所である．
・グラフにも一言説明を添える

村田 智（東北大学）

133

56．画像作成
視覚的な表現は，直感的な理解を助ける重要な手法の一つとなる．効果的な画像を作成することで Wiki，
YouTube，プレゼンの印象は大きく変わる．ワンランク上の画像を作成したい読者は是非，グラフィックソフ
トの代表格 Illustrator とフォトエディタ Photoshop を覚えてほしい．
■ 画像作成には 2 種類の方法ある！

興味のある読者は理由を考えてみよう）．ラスタ画像

読者の多くが何らかのグラフィックソフト，ペイン

は，ファイルサイズが大きくなる傾向があり，画像トツールを使って画像を作成したことがあると思う．

を拡大すると輪郭がぼやけるという欠点もある．

Windows の「ペイント」は誰もが知るペイントツー
ルであろう．実は画像作成ソフトには 2 種類あることをご存じであろうか？あるいは，ラスタ画像，ベクタ画像という言葉を知っているだろうか？ワンラ
ンク上の画像作成を目指す諸君はこれらの特徴を理解した上で，用途に合ったソフトウェアを使っていくべきである．次図の左側の文字を構成する情報は，「ピクセル」であり，ラスタ画像と呼ばれる．一方，■ 線と面で絵を描くベクタ画像

右側の文字を構成する情報は「座標と線」であり，一方，ベクタ画像の情報の基本は書き方（描画命令）

ベクタ画像と呼ばれる．

となる．左図の右側を見てほしい．起点の座標と終点の座標，その間をどのように結ぶかといった情報（命令）で確かに図が描けることが理解できると思う．あるベクタ画像に対して，描画命令をファイルに書き出したものが AI，PDF，SVG などの拡張子がついた画像ファイルである．ベクタ画像は，ラス
タ画像に比べてファイルサイズが小さく，画像を拡大しても奇麗に拡大される．例えば，ベクタ画像に■ ピクセルで絵を描くラスタ画像

おいて，横方向に 10 倍の拡大は「座標(0,0)と座標

ラスタ画像はビットマップ画像とも呼ばれる．画像(10,0)に線を描け」という命令が「座標(0,0)と座標

情報は各ピクセルの色（濃淡）情報となる．画像サ(100,0)に線を描け」という命令になるだけなので，イズが 640×480 ピクセルのラスタ画像が作られた

線はぼやけたりしない．

とき，307,200 ピクセルの色（濃淡）情報をそのま
まファイルに書き出したものが BMP と拡張子がついた画像ファイルである．あるいは，情報に何らかの圧縮処理を行ってファイルサイズを小さくしたものが，JPG，PNG などの拡張子がついた画像ファイルである．Windows の「ペイント」は代表的なラス
タ画像作成ソフトである．また，デジタルカメラでさて，「描画命令で絵を描く」といってもプログラ撮影された画像も当然ラスタ画像となる（カメラにムのように描画命令を入力して画像を作成するのは134現実的ではない．ユーザーの作図作業は直感的に行■ Inkscape は無料のベクタ作成ソフト

えて，描画命令への変換はソフトがやってくれる…

Illustrator はプロのデザイナの厳しい要求にも答えというソフトが欲しいところである．

られる高性能なソフトウェアである．従って，機能■ ベクタ画像作成ソフトの代表格 Illustratorが豊富であるが，ソフトウェアを購入する必要があ

ラスタ画像作成ソフト以上に，ベクタ画像作成ソフる．
そこで紹介したいソフトが Inkscape である[2]．

トはその「使いやすさ」がとても重要となる．グラ

その基本的な機能は Illustrator 並みであり，何と言

フィックソフト Illustrator（Adobe 社）は，代表的っても無償で利用できるため BIOMOD でワンランなベクタ画像作成ソフトである[1]．

ク上のグラフィックを作成したい読者には強力なツIllustrator を使いこなす上で最初にマスターすべールとなるであろう．

き点は，アンカーポイント，セグメント，パスであ■ ラスタ画像作成の代表格 Photoshop

る．実際に使いながら覚えることを是非オススメすでは，ラスタ画像用のソフトウェアは不要であろう

るが，次図において，①ペンツールを選択し，②描か？画像の中でもカメラで撮影される写真はラスタ

き始めのポイントでクリックするとその場所にアン画像であり，写真に対して効果を追加したり，コン

カーポイントが作られる．次に③終点でクリックすトラスト，明るさ，色調を調整するソフトウェアもるとその場所にアンカーポイントが作られ，ペンツ必要である．このようなラスタ画像の中でも写真のールはその 2 点間にセグメント（この場合は直線）ような複雑な画像を処理するソフトウェアをフォトを描く．さらに，描画を続けたい場合は，④次のア

エディタと呼ぶ．その代表格が Photoshop（Adobe

ンカーポイントを作りたい点でクリックすることで，社）である[3]．また，手書きで書いたイラストをスセグメントが追加される．アンカーポイントとセグ

キャナで取り込み，Photoshop で加工することで次メントで作られるひと続きの線をパスと呼ぶので覚図のようなイラストを作成することもできる．

えておいてほしい．初めて Illustrator を使う読者は，ペンツールの使い方をマスターすることから始め，
・ セグメント間に新たなアンカーを追加する方法
・ アンカー間を滑らかな曲線で結ぶ方法
・ 複雑な曲線の作成方法を習得すると良い．

あるいは，無償でありながら Phosothop 並みの基本機能を持った GIMP もオススメである．
参考文献[1]Illustrator の公式 HP（Adobe 社）：
http://www.adobe.com/jp/products/illustrator.html[2] Inkdcape の公式 HP：https://inkscape.org/ja/[3] Photoshop の公式 HP（Adobe 社）：
http://www.adobe.com/jp/products/photoshop.ht
ml[4] GIMP の HP：http://www.gimp.org
中茎 隆（九州工業大学）

135

57. 3DCG アニメーションの制作
分子の反応や機構を人に理解してもらうためには，アニメーションを用いることが非常に有効である．アニメ
ーションの作成には何千枚という画像が必要なため，膨大な労力が掛かるが，三次元コンピュータグラフィクス（3DCG）を用いることで比較的簡単にアニメーションを作成することができる．

■

ードすることもできる．テクスチャを使用するには，

モデリング

最初にアニメーションをさせるためのモデル制作

モデルのどの面にテクスチャのどこの部分を割り振（モデリング）について説明する．3DCG において，るかを対応付ける作業[ＵＶマッピング]が必要になキャラクターなどのオブジェクトは，頂点，辺，面

る．

によって形成されている．これら三つをまとめてポリゴンという．モデリングには，ポリゴンを直接編集するポリゴンモデリング，ベシエ，NURBS 曲線を使用してポリゴンを間接的に編集する曲面モデリ
陰影なし

ング，粘土をこねるように物体を生成するスカルプ

ランバート
シェーダ

ランバート
＋反射

ランバート
＋透過

トモデリングの三つの方法がある．基本はポリゴン
モデリングだが，円柱などの対称性がある形状には
曲面モデリング，凹凸が激しい複雑な形状にはスカ

UV マッピング

ルプトモデリングが適している．ポリゴン数が多い（ハイポリ）ほど，複雑な形状を表現することが可■

アニメーション

能になるが，PC への負荷が大きくなるというデメリ

3DCG におけるアニメーションは，特定の時間ごとットがある．

に登録されたモデルのポーズが，連続した動きとして補完されることで表現される．ポーズを登録する
ことは，キーフレームを打つといい，キーフレーム
を打つことでアニメーションを作成することをキー
フレームアニメーションという．動きの補間についての細かい調整はグラフエディタで行うことができ

ポリゴン
モデリング

■

曲面
モデリング

スカルプト
モデリング

る．人体や動物など関節を持つモデルを動かす場合はボーン（スケルトン）を使用する．一つのボーンごとにモデルのポリゴンと関連付ける[スキニング]

マテリアル

モデルの色，材質，光沢はマテリアルを設定するこを行うことでボーンの動きに合わせてポリゴンが変とで変更することができる．模様やより細かい凹凸形するようになる．ボーン（スケルトン）は階層構などディテールを表現するにはテクスチャを使用す造を持っており，親の動きに子が追従する構造を FKる．色などの模様が描かれているテクスチャをカラ（フォワードキネマティクス），子の動きから親の位ーテクスチャ，凸凹の情報が描かれているテクスチ

置を決める構造を IK（インバースキネマティクス）

ャを法線（ノーマル）マップテクスチャという．こという．手や脚など，物体と接触する部位のボーン

れらのテクスチャは画像編集ソフトで作成することには IK を組むことが多い．モーションの自由度ではができるが，CG Textures などのサイトでダウンロ

FK に軍配が上がるが，歩く，物を押すなどの動作に136

写に近い高品質な映像を得ることができる．

IK を使用することでアニメーションの生産性が飛躍的にあがるというメリットがある．アニメーショ

他にもモデルの輪郭線を強調する，陰影を二値

ンは手打ちで作成するのが基本だが，他にも，現実化するなどの方法を行うことで 2D アニメのようの人物や物体の動きから CG モデル用のモーショな画像をレンダリング[トゥーンレンダリング]をンを生成するモーションキャプチャや，物理演算のすることもできる．

結果をキーフレームに焼きこむなどの方法がある．
バックライトこれらの方法を使うことで，手打ちでは入力しきれないような複雑なアニメーションを制作することが
できる．

被写体
フィルライト
キーライト

モデル（左）

三点照明

スケルトン（右）■最後にここで紹介したのは 3DCG 制作の一部分に過ぎない．
他にも物理演算やブーリアンなどの機能を利用する
ことで物体の破壊や流体を表現することもできる．
また，制作上のコツとして，リテイクに掛かるレン
ダリング時間を削減するために，背景，モデルの映像を別々に出力するのが一般的である．その際はPNG などの透過度を含んだ連番画像として出力し，キーフレームアニメーション■

後々，動画編集ソフトで合成する．実写背景と合成する場合にも応用できる．

レンダリングレンダリングとは，光源を設置してモデルを照らす
ライティングとカメラの設定に従って画像を生成す

３ＤＣＧ制作に役立つサイト紹介ることを意味する．最終的な作品の品質はこのレンモデリングソフトウェア：メタセコイア
http://metaseq.net/jp/
人物モデル生成ソフトウェア：MAKEHUMAN
http://www．makehuman.org/
スカルプトモデリングソフトウェア：Sculptris
http://oakcorp.net/zbrush/sculptris/index.php
3DCG ソフトウェア：Maya
http://www.autodesk.com/education/free-software/maya
3DCG ソフトウェア：Blender
http://blender.jp/
Blender 用フリーモデル配布サイト：BLEND SWAP
http://www.blendswap.com/

ダリングの設定に大きく左右される．ライティングにはキーライト，フィルライト，バックライトを用いた三点照明が広く利用されている．レンダリング
では，カメラに入ってくるまでの光の経路を追跡することで反射，屈折を表現できるレイトレーシング，
オブジェクトに当たって反射した光（間接光）を計算するグローバルイルミネーション，モデルの隙間

分子アニメーション制作ソフトウェア：MOLECULARFLIPBOOKや窪みに影を落とすことで立体感を強調するアンビ

http://www.coolhunting.com/tech/molecular-flipbook
テクスチャ配布サイト：CG textures
http://www.cgtextures.com/

エントオクルージョンなどの機能を使うことで，実津澤 卓，川又生吹（東北大学）

137

58．画像処理
BIOMOD で使われる画像には，イメージ図とデータ取得用の図の 2 種がある．本項ではデータ取得用の図を対象に，実験の結果得られた画像からデータを取得するまでの処理について概観する．デジタル画像を，信頼できるソフトウェアで再現性の高い手続きによって処理し，よいデータを得ることが重要である．

■

各種マクロでデータ処理の自動化が可能である．し画像処理とは画像処理とは，ある画像から知りたい・伝えたい情

かしノイズだらけの画像からの抽出は非常に困難で報を取り出すための技術である．世界初の画像は線ある．ノイズ除去のアルゴリズムにもいろいろある

画の牛に色がつけられたラスコー洞窟の壁画と言わ（ガウシアンフィルタ，メディアンフィルタ，2 次

れており，当時の営みがよく伝えられている．現在

元フーリエ変換して窓関数かけて逆フーリエ変換での画像の主流は，完全複製が容易なデジタルデータ

戻す，など[*]）が，求めるデータを自動で得られる

であり，コンピュータ上で個々に輝度値をもつピク

ところに認識できるところまで処理するのは実際にセル（ドット）の集合体として扱われる．そこから観察した人間が行う前処理，になる．

は，パターンと色を愛でるだけではなく，各種デー■

タ（長さ，輝度分布，粒子サイズ分布，閉曲線の複科学技術分野で主流となっている画像処理用フリー雑度など）を定量することができる．その技術を概

ソフトウェアが Image-J[1]である．世界中の研究者

観しよう．

が便利なマクロを無償で開発・公開している．

■

画像処理の例

画像の種類

実験の結果として電気泳動，顕微鏡像（光学，蛍光，
原子間力，電子）などのデジタル画像が得られるここの ImageJ， UI こそ若干レトロだが最新の OS にとが多い．

も対応していて嬉しい．以下に，これを使った粒子

BIOMOD で用いられる画像には，大きく分けてイメージ図とデータ収集用との 2 種類がある．データ

解析の例を示す．

収集用の画像は加工してイメージ図にできるが，イ・元画像→TIFF 形式で保存→ImageJ に喰わせる
左上に 800ｘ600 pixels; RGB; 1.8MB などファイメージ図をデータにはできない．そして，データ収ル情報が書いてある．

集用の画像について，よいデータはよい画像から得られる．
デジタル化された画像データにはさまざまな形式
が あ り ， 拡 張 子 に よ っ て 分 類 さ れる．.JPG, .PNG, .TIFF，.BMP などがよく使われる．
他にソフトウェアごとの独自フォーマットがあるが，データ処理用の画像は非圧縮の TIFF 形式が事実上，標準である．
■

前処理命サスペンスものの TV や映画で，ぼやけていた容疑・スケール合わせ：20µm のスケールバーの上に手者の顔が画像処理によってくっきり鮮やかに…なん

動で Line を引き，Analyze→SetScale，を選ぶとて場面があるが，画像処理は万能ではない．勿論，Distance in pixels: 45 と表示→たとえば Known138

distance: 20, Unit of Length：µm とする．

けならマクロが多い ImageJ で十分だろう．詳細は・2 値化する：Process→Binary→Make Binary，

成書[5]を，CG やイメージ図の作成に関しては(☞ 56,

白地に黒粒子になっていることを確認する．でなけ

57, 59)を参照されたい．

れば全選択して Edit→Invert で逆転させる.

■

鉄則

目的に応じて要求は様々だが，原則として・ゴミがない（ゴミかどうかの判断は画像処理者には無理．実験者にしか判断できない）
・コントラストがよい・ノイズが少ない
・標的が光学的に大きく映し出されている・解像度が高い・濃淡のレベルが深い・粒子解析：Analyse→AnalyseParticles→カウントなどがある．まずはよい画像をとり，楽に画像処理をするというサイクルに慣れよう．

条件を入力（↓入力例）→OK

参考文献[1] ImageJ のサイト：http://imagej.nih.gov/ij/[2]

ImageJ

日

本

語

情

報

http://seesaawiki.jp/w/imagej/[3] 画像処理フィルタについて：個人の Blog だが
判りやすい http://imagingsolution.net＊[4] GIMP は現在 Ver. 2.8．http://www.gimp.org，
初 心 者 向 け

でカウントが開始される．

GIMP

ガ イ ド は こ ち ら

http://synclogue-navi.com/category/gimp[5]小林徹也，青木一洋／編「バイオ画像解析 手
とり足とりガイド」, 実験医学別冊，(2014)

図の例では 27 粒子あり，各粒子の面積が表示される．
Excel に書き出すことができる．

ImageJ 以外にも，有名どころで Adobe Photoshop
やフリーソフトの GIMP[4]などが使えるが，学術向

野村 M. 慎一郎（東北大学）

139

59. 動画編集
BIOMOD では Youtube Video に 25 点の配点があり，動画の作成が必須である．一概に正しい作成方法はないが，過去のチームの動画を例に，ソフトウェアを使った編集方法を紹介する．

■

大まかな流れ作成する動画についての方針が固まり，脚本や配役が決まれば(☞ 9)，いよいよ動画の作成である．動画
編集の大まかな流れとしては，素材データの収集，素材の編集およびエフェクトがけ，タイムラインの作成である．ある程度動画が出来上がったら，他のメンバーに見せ，フィードバックを元に修正を繰り返す．いずれの作業においても適切なソフトウェア
が異なる．基本的に，異なる作業には異なるソフト
ウェアを使う．
必要なデータとしては，映像，音声，BGM，字幕などがある．映像については，CG(☞ 57)や実写の撮
影 に よ り 作 成 す る ． 2011 年 の 東 工 大 チ ー ム はPowerPoint のアニメーションと実写を組み合わせた映像で Youtube 賞 2 位になった．2012 年の東北大チームは実写と CG を組み合わせた映像で Youtube
賞 1 位になった．作成した映像に After Effects[1]などのソフトウェアで，細かいエフェクトをかける場
合もあるが，詳細は省略する．
音声や BGM は，録音したりフリーの素材を使ったりする．音声の編集ソフトについては省略する．
2014 年のアリゾナ州立大チームは自分たちで作った音楽を使い，Youtube 賞 2 位になっている．上記の例に限らず，どのような動画が評価されてきたかを参考にしてほしい(☞ 5)．
■

動画の編集

具体的な動画編集として，収集した素材をさらに加工し，切り貼りして，正しい位置や順番に並べる作業を行う．そのような作業を支援するソフトウェア
は複数あり，人によって好みが分かれる．商用ソフ
トウェアであれば Premiere Pro[2]，フリーであれば

図１ Premiere Pro，Windows ムービーWindows ムービーメーカー[3]や AviUtl[4]などがあメーカー，AviUtl の実行画面

る．それぞれの実行画面を図 1 にまとめる．

140

いずれのソフトウェアでも，タイムラインの編集の情報を網羅はできない．基本的には Youtube の設が中心的な作業になる．タイムラインとはどの時間定[5]を参考にし，ソフトウェアからエンコードを行にどの映像，音声，エフェクト，字幕が使われるかう．リンク先に書かれている通り，注意する点は，を指示したものである．AviUtl を使った 2012 年東解像度，アスペクト比，フレームレート，ビットレ

北大チームの 10 秒程度のタイムラインを例として

ート，コンテナ，コーデックである．完成した動画

図 2 に示す．

を再生し，映像が乱れないか，音が大きすぎたり小さすぎたりするシーンがないかチェックする．エン

右に行くほど時間が進んでいることを表し，縦方

コードには時間がかかるので注意する．

向にはその時間にどの素材が使われているかを表す
レイヤーが並んでいる．青色は映像であり，文字に動画が完成したら，いよいよ Youtube にアップロ

よる字幕も含まれる．赤色は音声または BGM であードする．アップロードした動画には Youtube のアり，緑色はシーン変更時のエフェクトである．

ノテーション機能により，リンクを埋め込むことができる．チームの web ページ(☞ 8)へのリンクをは

このように動画の演出などは複数の情報を指定して作成されており，編集者の腕が問われる部分でもると効果的である．

ある．プレビュー画面を見ながら少しずつ進めてほ

参考文献

しい．

[1] http://www.adobe.com/jp/products/aftereffects.html[2] http://www.adobe.com/jp/products/premiere.html[3] http://windows.microsoft.com/ja-jp/windows-live/
movie-maker[4] http://spring-fragrance.mints.ne.jp/aviutl/[5] 高度なエンコード設定
https://support.google.com/youtube/answer/1722171■

動画の出力とアップロード

タイムラインが完成したら，エンコードを行い，動画として出力する．エンコードも奥が深く，すべて

図 2 Aviutl のタイムライン

141

川又生吹（東北大学）

60．数値計算ライブラリ
Scilab（サイラボと読む）というソフトウェアをご存じであろうか？無償で提供される数値計算，可視化，信号処理，データ解析のための高水準言語であり，初心者にも理解しやすいプログラミング言語である．
BIOMOD においても，実験データの解析や数値シミュレーションで強力なツールとなる．
C 言語を使いこなせば様々な解析ができるが…

や Gnuplot（☞ 54）でファイルを読み込み，グラフ

授業の宿題や卒論などで，数値計算やデータ解析をを描画するのが手軽な方法であるが，もっと楽な方行うとき，C 言語を使えば目的を達成するプログラ

法はないのであろうか？

ムは書ける．C 言語の最大の魅力はその実行速度で■あり，メモリの管理やポインタを駆使することで大そこで紹介したいソフトウェアが Scilab である．

規模な数値計算も高速に処理することができる．C

Scilab は数値計算，可視化，信号処理，データ解言語は万能と言えるが，目的の計算を行うための最析のためのプログラミング言語の一つであり，次適な選択肢とはならないこともある．例えば，次ののような特徴を持つ．

ような事例は典型的である．

１）無償

事例１：行列の固有値を計算したい

２）数値計算，解析のライブラリが豊富■

n 行 n 列の行列の固有値を計算するアルゴリズム

Scilab を使おう！

３）2D，3D グラフの作成も簡単

を自分で線形代数の本を読み，コーディングする必１）に関しては，BIOMOD においては特に重要であ要がある．当然，デバッグにもそれなりの時間を費

ろう．Scilab のウェブサイト[1]から，ダウンドード

やすことになるであろう．

し，パソコンにインストールすることで利用できる．

あるいは，C 言語用の行列計算ライブラリを探し，
インストールし，自分のソースコードからライブラ

Linux，Mac，Windows 版が提供されている．また，
日本語で書かれた書籍も充実している点が嬉しい．

リの関数を呼べるようにする必要がある．当然，そのライブラリの信頼性も見極めねばならない（適当にネットで見つけたものを使うというのは色々な意
味で危険…）．
BIOMOD で典型的な事例■

BIOMOD では DNA 反応の数値シミュレーションを２）に関しては，プログラマは「数値計算ライブラ

行って，設計理論や実験データの検証を行う場面もリをどうするか？」という問題から解放され，Scilab

多い．

をインストールするだけで線形代数，数値積分，デ事例２：DNA 濃度の時間変化をシミュレーションしータ解析，信号解析などの数値計算関数（ソルバー）

たいを使えるようになる．つまり，読者は「関数の使い

この問題にはプログラマが解決すべき 2 つの課題方」さえ分かれば良い．例えば，事例１では，行列が含まれる．「常微分方程式の初期値問題の数値解

A を定義したのちに，spec(A)とすることで行列 A の法」と「結果の可視化」である．数値解法に関して固有値が計算される．事例２では，数値積分関数 ode

は，数値積分ライブラリを探すことになり，事例１

を使えばよい．３）に関しては，Gnuplot（☞ 54）と同様の状況になる．また，可視化については，シと同様に Scilab のグラフ描画関数も高機能であり，ミュレーション結果をファイルに書き出し，Excel

美しい 2D，3D グラフが作れる．

142

するが，ベクトルの定義と使い方が分かれば難しくない．

また，Scilab はプログラミング言語であるため，デDNA0 = [10 ; 20 ; 0];ータのインポート，数値計算，グラフ作成といった

t = 0 : 0.1 : 20;

一連のタスクをシームレスに行えることも魅力であ

kf = 0.1; kr = 0.01;

り，C 言語に比べると文法は理解しやすく，データ// 微分方程式の定義

型やメモリ割り当てをプログラマが意識する必要はfunction xdot = diffEqs(t, x);//初期濃度//開始時刻：刻み幅：終了時刻 [sec]//結合定数，解離定数ない（筆者の研究室の学生も数日で基本的な使い方

xdot(1) = -kf * x(1) * x(2) + kr * x(3);をマスターしていた）．

xdot(2) = -kf * x(1) * x(2) + kr * x(3);■xdot(3) = kf * x(1) * x(2) - kr * x(3);

デモ：DNA ハイブリダイゼーションのシミュレーション

endfunction

事例２のプログラミングの具体例を示そう．次図の// 微分方程式を解く

ような 1 本鎖 DNA（図中の X）とその相補的な DNA

DNA = ode ( "stiff", DNA0, 0, t,（図中の Y）のハイブリダイゼーション反応を考え// グラフ作成

る．時間とともに，2 本鎖 DNA（図中の Z）の濃度

plot ( t, DNA(1,:), t, DNA(2,:), t, DNA(3,:) );diffEqs );が増加する様子をシミュレーションしたいとする．

各 DNA の濃度の時間変化は反応速度論（☞ 39）に基づいて，次式の微分方程式で表される．

グラフの軸は適切にスケーリングされ，各 DNA の
濃度変化のグラフは色分けされている．
次図は Scilab を起動したときの画面である．画面左

参考文献

側コンソールに次のプログラムを 1 行ずつ入力する．

[1] Scilab ウェブサイト：http://www.scilab.org

ただし，各 DNA の初期濃度を X(0) = 10nM, Y(0) =[2] 大野修一, Scilab 入門—フリーソフトで始める

20nM, Z(0) = 0nM とする．プログラム中の“//”は数値シミュレーション, CQ 出版, 2009.

コメントである．また，基本的な文法の説明は省略

中茎 隆（九州工業大学）

143

コラム 統計処理ソフト R
実験データに対して，何らかの統計処理を施すことは少なくない．基本的な統計量の計算であれば，Excel で十分であるが，本格的なデータ解析を行いたい読者にオススメするのは，統計処理ソフト
R であり，R 言語とも呼ばれる．統計解析に関する豊富な計算ライブラリを有し，商用統計解析ソフトと比べても遜色ない．しかも，無償でダウンロードできるのも嬉しい．また，大規模なデータを解析する際には，PC クラスタシステム上で並列化もできるため，世界中の大学や研究所でも広く利用されている．
The R Project の公式 HP：
http://www.r-project.org/index.html

中茎 隆（九州工業大学）

144

145

61. DNA 分子設計のためのソフトウェア
DNA 分子を使ってシステムを設計する場合，その物理・化学的な性質を理解し活用する必要がある．精密・あるいは大規模なシステムを設計する際には，ソフトウェアによる設計支援が有効である．どの場面でどのソ
フトウェアが利用できるか，大まかな戦略を紹介する．

■

ソフトウェアによる設計支援する必要がある．ソフトウェアとしては，DNA の全

DNA 分子の幾何学的，熱力学的，反応速度論的な性

原子をモデル化できる Namot，二重らせん構造の 3質に基づいて，様々なシステムが開発されている．

次元モデル化に特化した Nanoengineer-1，クロスオ

システムの大規模化に伴い，経験則に基づいた設計

ー バ ー を 元 に DNA オ リ ガ ミ 構 造 を 設 計 す る

手法では，予期せぬ見落としをしてしまう危険性がcaDNAno がある(図 1)．システムの規模や特徴に応大きくなっている．また時間の制約がある中では，じて使い分ける必要があることに注意する(☞ 66)．

そもそもの専門的な物性を理解し，精密なシステム■を設計するのは困難である．

DNA の構造体が溶液中でどのような挙動を示すか

動力学的性質

そのような問題を回避するには，ソフトウェアに予測することで，構造の安定性や，変形のしやすさよる設計支援が有効である．DNA 分子システムの設を評価することができる．全原子モデルであれば計の際に，どの場面でどのソフトウェアが利用でき

NAMD などの既存の分子動力学ソフトウェアが有るか，幾何学，動力学，熱力学，反応速度論などの効である．caDNAno で作成した構造のファイルを利異なる観点で分類し，大まかな戦略を紹介する．

用すると，CanDo による安定性の解析や oxDNA に■よる粗視化分子動力学シミュレーションを行うこと

幾何学的性質DNA 二重らせんの幾何学的な性質(☞ 17)を使い，2ができる(☞ 65)．いずれの場合でも，溶液中で DNA

次元，3 次元の構造が作成されている．設計の際に構造がどのようにブラウン運動をしているか予測すは，らせんの位相やピッチ，原子間距離などを考慮ることが可能である(図 2)．

図 1 構造設計のソフトウェア(左から Namot，Nanoengineer-1，caDNAno)

図 2 動力学シミュレーション(左から NAMD，CanDo，oxDNA の実行結果)

146

■

■

熱力学的性質

反応速度論的性質

DNA の 3 次元的・立体的な構造ではなく，どの配列

DNA コンピューティングの分野では，一つ一つのがどの配列にハイブリダイゼーションするかというDNA 分子に着目するのではなく，溶液中の分子の濃二次構造の予測を行うことは，DNA 分子システムを度がどのように時間発展するかを予測することが重設計する上で重要である．さらに配列の情報から熱要である．具体的には化学反応式から常微分方程式

力学的な自由エネルギーや Tm を予測すること(☞

を立て，数値計算を行う．方程式そのものはプログ

41)も可能であり，期待通りの二次構造を作るか，予

ラミングをするか，単純化した記法により表現する．

期しない二次構造を作らないかという指標になる．

鎖置換反応(☞ 42)を使ったシステムの設計に関しそのような指標は，目的の二次構になる配列を設計ては，DSD と呼ばれるソフトウェア(☞ 67)が有効でするという逆問題に応用することができる[1]．

ある(図 4)．酵素反応を使う Toolbox 反応系に関して

ソフトウェアとしては NUPACK，DINAmelt を使

は，DACCAD が有効である(☞ 33)．いずれの場合

う(☞ 62)．いずれも二次構造や自由エネルギーの予でも，扱える DNA の構造には制約があるため，一測が可能である．単純な配列設計や複数 DNA によ

般のシミュレーションを行うためには Scilab などのる二次構造予測に関しては NUPACK が得意であり，汎用の数値解析ライブラリを使う必要がある[2,3]．

Tm や熱容量の評価に関しては DINAmelt が得意で参考文献ある(図 3)．

[1] M. Andronescu, AP. Fejes, F. Hutter, HH. Hoos and A.
Condon: "A new algorithm for RNA secondary structure
design", J Mol Biol. 336, 607--624, 2004.
[2] Lulu Qian, Erik Winfree: "A simple DNA gate motif
for synthesizing large-scale circuits", Journal of theRoyal Society Interface, 8, 1281--1297, 2011
[3] Kevin Montagne, Raphael Plasson, Yasuyuki Sakai,
Teruo Fujii, Yannick Rondelez: "Programming an invitro DNA oscillator using a molecular networking
strategy", Molecular System Biology, 7, 466, 2011

また DNA コンピューティングやタイルアセンブ
リで使用する複数の DNA 配列の設計に関しては，期待しない組み合わせでハイブリダイゼーションしないことを担保するために，専用のソフトウェアを使うことが重要である．DNA Design などが挙げられる(☞ 63)．

図 4 DSD による反応速度論
シミュレーション

図 3 熱力学性質の予測(上からNUPACK，DINAmelt)

川又 生吹（東北大学）

147

62．DNA 2 次構造予測
DNA の 2 次構造予測とは，DNA の塩基配列から安定な 2 次構造を予測すること，またはその技術である．
本稿では，2 次構造予測の代表的なプログラムである，NUPACK と DINAMelt について紹介する．いずれも
web 上で動作するので，是非，一度は触ってみてほしい．

■

NUPACK の機能と使い方

NUPACK は，Caltech の Robert Dirks 博士によって開発されたプログラムである．DNA（RNA）の塩
基配列を入力すると，溶液中で取りうる 2 次構造，
すなわち，自由エネルギー的に安定な 2 次構造を出力してくれる．以下は，NUPACK に入力できる情報と，ユーザに出力してくれる情報のリストである．
【入力情報】
RNA か DNA か？



反応温度



DNA 鎖の数

2 次構造を形成する DNA 鎖数の制限



各 DNA の塩基配列と濃度Na+, Mg2+ の濃度
NUPACK は，他にも望みの構造を形成するような【出力情報】

塩基配列を設計する機能もあり，こちらも web 上か

安定な 2 次構造とその溶液中の濃度ら利用することが可能である（☞ 64）．



融解プロファイル



各塩基が塩基対を形成する確率■

DINAMelt の機能と使い方

特筆すべき事項としては，web 上で使用可能なア

DINAMelt は，レンセラー工科大学の Nicholas R.

プリケーションということである．インターフェー

Markham 博士によって開発された Web 上で使用可

スが直感的で，かつデモプログラムもあるので，一能なプログラムであり，NUPACK と類似の機能を持

度 操 作 し て み る こ と を お 勧 め す る

つ．DINAMelt の開発陣には，RNA2 次構造予測の（http://www.nupack.org/）．

創始者である Michael Zuker 博士がいるので，こち以下の図は，例として適当な DNA の塩基配列，

らが 2 次構造予測プログラムの本家という見方もで「 GGTATGCGATGAGCACACCCGCGGGTTTC

きるだろう．実際，NUPACK と DINAMelt は，基GCGCGT」を入力した場合の結果のスクリーンシ

本的に同じ構造予測アルゴリズムを用いているが，ョットである．これを見ると，上記の塩基配列をそのアルゴリズムは，1981 年に Zuker 博士が開発し持つ DNA は，溶液中でヘアピンループやインタ

たものの拡張版になっている．

ーナルループを複数形成する構造が最安定であり，更に，2 次構造予測に必要な自由エネルギーパラ

そのときの最小自由エネルギー（☞ 42）は，-12.27

メータに関しても，両プログラムとも SantaLucia

kcal/mol ということが分かる．

博士が算出したものを使っているため，細かい相違

148

を除けば，2 次構造予測の結果は同じになるはずで

BLAST を使うと，例えば，サルが持っているあある．

る遺伝子に類似した遺伝子を，ヒトが持っている

NUPACK と比較して，DINAMelt にしかできなかどうかを簡単に調べることができる．

いこととしては，詳細な熱力学的解析が可能という点である．次の図は，2 種の DNA を反応させた際，通常，遺伝子のデータベースは巨大なため，まとそれぞれの反応種の，温度に対する濃度変化をプロ

もに類似配列を検索したのでは時間がかかり過ぎットしたものである．

てしまう．そこで，BLAST では，まず簡単で時間のかからない方法で類似度をチェックしてみて，そこで望みの薄い配列をあらかじめ候補から弾いてしまう．このような工夫を重ねることによって，計算時間の大幅な削減に成功している．生体分子の挙動や性質を予測するようなソフトウェ
アでは，予測の正確性もさることながら，予測に要する時間も非常に重要なファクターとなる．
BLAST や本稿で紹介した NUPACK，DINAMelt
は，その両者を満たしたソフトウェアであるため，また，安定な 2 次構造とその際の自由エネルギー

多くのユーザに活用されている．

だけでなく，エンタルピー，エントロピー，融解温
度，熱容量も算出してくれる．

ところで，DNA の 2 次構造予測にかかる計算時

一方，NUPACK にできるが DINAMelt にでき間は，塩基配列の長さの 3 乗に比例することが知ないことは，「3 本以上の DNA からなる 2 次構造られている．そのため，例えば，塩基配列の長さの予測」，「DNA の塩基配列設計」である．従って，が 10 倍になると，計算時間は 1,000 倍近くにな

どちらのプログラムを使うかは，用途に応じて自る．NUPACK や DINAMelt を使用する際には，ずと決まってくるであろう．

この点に注意されたい．

コラム BLAST

参考文献

DNA はもともと生命の設計図である．そのため，[1] NUPACK. http://www.nupack.org/

DNA の遺伝子としての性質を調査したいという[2] DINAMelt http://mfold.rna.albany.edu/

動機から，2 つの塩基配列がどれくらい似通って[3] Markham, N. R. & Zuker, M. (2005)

いるかを調べたい場合がある．

DINAMelt web server for nucleic acid melting
prediction. Nucleic Acids Res., 33, W577-W581.

BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）は，[4] SantaLucia, Jr., J. (1998) A unified view of

バイオインフォマティクスでよく使用されている

polymer, dumbbell, and oligonucleotide DNA

プログラムの一つであり，DNA の塩基配列が与えnearest-neighbor thermodynamics. Proc. Natl.

られたとき，それと類似する塩基配列を巨大なデAcad. Sci. USA, 95, 1460-1465.

ータベースから検索して表示してくれる．
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/

田中文昭（産業技術総合研究所）

149

63. 配列設計
DNA の配列が分かれば，アルゴリズムによってどのような二次構造をとるか予測が可能である．配列設計はその逆問題である．二次構造や配列に関する制約を与え，その条件を満たす配列を探してくる．単純な二次構造を作るだけであればランダムな配列でも問題ないが，条件が複数になると極めて難しい問題となる．配列設計の指針とソフトウェアの使い方を紹介する．

■

二次構造予測と配列設計■

NUPACK の設計機能

DNA 配列のどの部分とどの部分がハイブリダイゼ

二次構造予測のオンラインソフトウェアであるーションすると最も安定な構造になるかを予測する

NUPACK[2,3] に は ， 配 列 設 計 の 機 能 が あ る ．

のが二次構造予測(☞ 43)である． 効率良く予測する

NUPACK のサイトにアクセスし，タブの Design をアルゴリズムが知られており，いくつかのソフトウ選択する．デモを使い，その使い方を説明する．
まずは上部パラメータを設定する．例えば核酸のェアが公開されている(☞ 62)．
DNA のタイル構造(☞ 20)や鎖置換反応(☞ 42)で種類は DNA，温度は 26℃，設計数は 2 とする．次駆動するシステムを設計する際には，その逆問題をに Target Structure の枠に，設計したい二次構造を解く必要がある．すなわち，目的の二次構造を与え，ドット・ブラケット・プラス記法で記述する．記法

その構造になる塩基配列を求める問題である．

は図 1 のように，ドットが水素結合していない塩基を，対応する左括弧と右括弧は水素結合を行う塩基

単純な解決策として，未決定の部分にランダムな対を，プラスは DNA の切れ目を表す．

配列を選ぶ手法がある．一度配列が決まると，そのその後，右下の Design を押すと，しばらくの間配相補鎖は自動的に決定する．その配列で二次構造予列の設計が行われ，図 2 のように設定した設計数だ

測を行えば，目的の構造になるはずである．
一見簡単な問題だと思われるが，ランダムに配列

け塩基配列のセットが出力される．図 2 は棒人間のを作ったのでは，結合してほしくない部分同士が結二次構造になる配列を設計したものである．上に位合してしまい，準安定な副産物ができてしまう可能置しているセットほど良い配列である．

性がある．そのような副産物ができてしまっては，構造形成や状態変化に支障がでる．
問題を回避する手法の一つとして，すでに直交性が担保されている配列の利用が提案されている[1]．
23 塩基の DNA が 37 種類与えられており，互いに予期しない干渉をしないことが報告されている．
■

配列設計ソフト

しかし塩基数の長さや種類は設計ごとに変わるため，その都度条件に応じた配列が必要になる．そこで有効なのが配列設計ソフトである．さまざまなグループで開発が進められているが，配列設計問題は対象とする問題ごとに細かい条件が異なるため，デファ
クトスタンダートとなっているソフトウェアはない．
いくつかのソフトウェアを紹介する．

図 1 ドット・ブラケット・プラス記法

150

フェースが付属しており，文字列によって作りたい
二次構造を入力する．
また東北大学でも[5,6]を参考にした配列設計ソ
フト Sequence Design を開発している．こちらはDNA コンピューティングのための配列設計ソフト
であり，BIOMOD2014 東北大チームで使用された．
図 3 下部のようなインターフェースを持ち，アルファベットの列によって必要な DNA を記述する．利

図 2 配列設計結果

用したい場合は[8]に連絡をする．

設計された配列の横にある To Analysis を押すと，その配列を使った二次構造解析を行うことができる．
期待通りの二次構造になるか確認することができる．
もし予期せぬ構造ができている場合は，条件や構造を変えて，配列設計を再度行う．
Target structure の枠には様々な制約条件を記述することができる．詳細は NUPACK の Help に書いてあるので省略するが，例えば一部にすでに決定している配列を使ったり，特定の配列を避けるような設定もできたりする．
■

タイルの設計を行う DNA Design

DNA タイルの設計には DNA Design toolbox[4]が活図 3 CircDesigNA と Sequence Design

用できる．こちらは MATLAB で書かれたツールである．各配列の塩基をアルファベットの列で書き，相補鎖による結合関係を数字の列で表す．設計した

参考文献

い塩基は ATGC 以外のアルファベット，例えば N に[1] Tetsuro Kitajima, Masahiro Takinoue, Ko-ichiroh
Shohda, Akira Suyama: "Design of Code Words for DNA
Computers and Nanostructures with Consideration ofHybridization Kinetics", LNCS, 4848, 119--129, 2008[2] http://www.nupack.org/[3] Joseph N. Zadeh, Conrad D. Steenberg, Justin S.
Bois, Brian R. Wolfe, Marshall B. Pierce, Asif R. Khan,
Robert M. Dirks, Niles A. Pierce: "NUPACK: Analysis
and design of nucleic acid systems", Journal ofComputational Chemistry, 32, 170--173, 2011[4] http://centrosome.caltech.edu/DNAdesign/[5] Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Masahito
Yamamoto and Azuma Ohuchi: "Design of nucleic acidsequences for DNA computing based on athermodynamic approach", Nucleic Acids Research, 33,
903--911, 2005
[6] Soo-Yong Shin, In-Hee Lee, Dongmin Kim,
Byoung-Tak Zhang: "Multiobjective Evolutionary
Optimization of DNA Sequences for Reliable DNA
Computing", IEEE Transactions on Evolutionary
Computation, 9, 143--158, 2005
[7] http://sourceforge.net/projects/circdesigna/[8] kawamata@molbot.mech.tohoku.ac.jp

よって表す．プログラミングの知識が必要になるが，使い方に慣れれば，さまざまな組み合わせの配列を設計することが可能である．
■

組み合わせ最適化を行うソフトウェア

予期しない構造を避けて設計を行うには，配列の相似性や二次構造の自由エネルギー(☞ 41)を考慮した配列設計プログラムが必要になる[5,6]．様々なト
レードオフがある条件から，最適な組み合わせを持
つ配列を探すのである．
オンラインで公開されているソフトウェアは限られているが，一つの例が CircDesigNA である[7]．
エネルギーの計算に基づいた配列設計を行っている．
こちらのソフトウェアは図 3 上部のようなインター151

川又生吹（東北大学）

64．DNA オリガミの設計
DNA ナノ構造の特徴の一つに，コンピューター上で 3 次元の構造を予測できる事にある．
これは，蛋白質が 1 次構造から 3 次構造の予測が難しい事と比較すると，分子設計の利点となる．設計ソフト
としては複数あるが，ここでは BIOMOD の提唱者の一人である Shawn Douglas 等が構築した caDNAno を取り上げる．

■

caDNAno についてが 10.4 bp/turn であり，設計値とずれていることに2 次元，3 次元の構造を GUI ベースで設計できるソフ

注意を要する．このため，少し twist した構造となトである．無料のソフトであり，現在は ver2.2.0 (2015ってしまうので，48 塩基毎に 1 塩基を抜く必要があ

年 3 月現在)．

る(Woo & Rothemund NatChem 2011)．
クリックした順番に番号付きの円柱が作成される．

■

caDNAno のインストール

隣接した円柱は連続した番号である必要はないが，HP にアクセスし，必要なフィルをダウンロードする．

最初は連続した番号にした方が作業が楽である．まhttp://cadnano.org/

た，左下にマウス位置の座標(円柱番号と塩基番号)

詳細は HP に記載されているが，が表示されている．

Mac では，Maya2012 をインストールした後にインストールする．
windows では，Maya2012 に加え，Python2.7.2.をインストールした後にインストールする．
PC はノートパソコンにもタブレットにもインスト
ールでき，設計だけなら問題はない．ただ，Maya
で 3 次元構造を表示させる場合は，メモリや画像ボードに余裕があるデスクトップが良い場合もある．

■

1 個の円柱は 2 段のマス目からなるが，右向きに線を描きたいときは上段を，左向きに線を描きたい

caDNAno の使い方

時は下段を使う．矢印の四角は 5'末端，矢頭が 3'末

caDNAno を立ち上げると，2 分割された window が端を現す．この線は scaffold を現す．"select"やペン立ち上がる．左側が DNA ナノ構造体を上から見たを操作する際は，操作対象を絞ると(例えば，scaffold

図になり，右側が DNA ナノ構造体を平面に展開し，と endpoints のみとか．赤丸部分)，目的の動作がし横から見た図となる．

やすくなる．

まず，左上にあるボタンで"Honeycomb"か"Square"を選ぶ．3 次元の構造を作る場合は通常は"Honeycomb"を選ぶ．Honeycomb では，7 塩基(240度回転)を基本単位とした構造を設計する(Douglas
et al. Nature 2009)．Square では，8 塩基(0.75 回転=270 度回転相当．10.67 bp/turn 相当)を基本単位とした構造を設計する(Rothemund Nature 2006)．
Square を設計する際は，実際の B 型 DNA のピッチ

各円柱に対応した線を書いた後は，円柱同士(線同152

士)をつなげる操作をする．つなげたい場所の近辺でを選択すると，配列が自動で割当てられる．その際，クリックすると，数字とカギ括弧が現れる．数字は(意図的に行う場合以外は)，scaffold の塩基が過不足

行き先の円柱番号であり，カギ括弧をクリックする無く割当てられるようにする．

と，線が連結され，crossover が形成される．また，

配列は左上の"Export"ボタンを押すと，csv 形式で出余った部分は選択した後に delete キーで削除する．

力される．その際，sequence が"?"を含む文字列とな

一方で，scaffold を伸ばしたい場合は，選択した後にっている時は，その staple は scaffold とペアになっ矢印の四角部分か矢頭をドラッグ&ドロップする．

ていないので，(意図的に行っている場合以外は)，また，crossover を動かしたい場合は真ん中上のstaple や scaffold の長さを調節した後に再度"Seq"selectable で”(X)overs”を選択可能にした後で，操作

を行う．

する．

他にも，staple を塗り分ける"Paint"や，1 塩基挿入("Insert")，1 塩基欠失("Skip")ボタン等があるので，適時使用する．

■

構造安定性の確認

MIT のグループが開発した CanDo を用いる．
http://cando-dna-origami.org/
配列を upload すると，しばらくして，計算結果を返してくれる．ただし，制約も多いので，参考程度と割り切っての使用が良いかもしれない．

一筆書きで全部の scaffold をつないだ後は(カギ括弧■以外の場所でつなげたい時はペンツールで無理やり合成オリゴサービスの会社に注文する．4 営業日つなげる)，staple 鎖を配置させる ．やり方は，程度で納品される．1 本 1 本チューブに分かれた"AutoStaple"を押して，自動配置させた後，手動で 1タイプとプレートタイプがある．

配列の注文

本 1 本修正を行う．修正は長さや crossover の位置に関してであり，経験則的な部分が大きい．修正す参考文献

べき staple は太い線で表示される．切断や長さの変[1] caDNAno マニュアル東京大学大学院工学系研

更，あるいは再配置を通じて，全ての staple を現実

究科化学システム工学科

村岡恒輝

的な長さに変更する．

[2] Douglas SM et al., Self-assembly of DNA into
nanoscalethree-dimensional

作

shapes.Nature.

2009;459(7245):414-8.doi: 10.1038/nature08016.
[3] Rothemund PW., Folding DNA to create
nanoscaleshapesandpatterns.

Nature.

2006;440(7082):297-302.
[4] Woo S, Rothemund PW., Programmablemolecular recognition based on the geometry of
続いて，具体的な配列を振り分ける．右下の"Seq"DNA

ボタンを押すと，scaffold が聞かれるので，適切な物

nanostructures.

Nat

Chem.

2011;3(8):620-7. doi: 10.1038/nchem.1070
多田隈尚史（京都大学）

153

65. DNA オリガミのシミュレーション
設計した DNA オリガミが実際にどのような構造になるか，化学実験により検証するにはコストがかかりすぎる．そこで有効になるのが，有限要素法や粗視化分子動力学によるシミュレーションである．期待する構造からのひずみを予測したり，意図的にひずんだ構造を設計したりすることが可能になる．

■

入力ファイルは caDNAno 形式

をアップロードし，出力は画像である．動画や pdb

DNA オリガミのシミュレータとして紹介するのは，ファイル(☞ 66)を出力するオプションもある．シミ

CanDo[1]と oxDNA[2]だ．どちらのソフトウェアも，

ュレーションを行う大まかな手順は，以下の通りだ．

DNA オリガミの設計ツールである caDNAno(☞ 64)

ログイン (初回はユーザー登録が必要)が出力する json 形式のファイルを入力とすることができる．

「Submit a caDNAno file for analysis」をクリックして，入力フォームへ

例題として，caDNAno 上で図 1 のように表示される一層の二次元 DNA オリガミ構造のシミュレーシ

それぞれのパラメータを設定する

ョンを考える．
図 1 の構造がマイカ基板に吸着(☞92)
した場合，表面と裏面のどちらが上になるか，また「caDNAno (.json) file」の項目で入力ファイルを選択する

設計上不安定な部分はないか，それぞれ考えてほしい．

「Submit」をクリック
パラメータは基本的に最初から設定されているデフォルトの値を用いれば良いが，「Lattice type」は正方格子を用いたか六方格子を用いたかを選択する．
動画や pdb ファイルが欲しい場合は，それぞれオプ
ションを設定する．計算には順番待ちが発生し，ファイルをアップロードしてから結果が得られるまでに数時間から数日かかることに注意する．

図 1 caDNAno による DNA オリガミ構造■

シミュレーションを行った結果が図 2 である．溶液中で安定となる構造を出力しており，色によって有限要素法を使う CanDo

CanDo はオンラインソフトウェアであり(図 2)，一

どれだけ熱振動しているか表示される．動画では実つの塩基対を一つの要素とみなす有限要素法による際に熱振動している様子が分かる．例題となっていシミュレーションを行う．入力として json ファイルる構造では，わずかな二重らせんの位相のずれが蓄図 2 CanDo のトップページと出力画像

154

積するため，ややひずんだ構造になる．構造上の特ミュレーションを行う．温度や時間刻みなどの条件

徴から，裏面が上になって吸着しやすいのではない

は「input_relax」と「input」に記述されており，

かと予想される．実際に AFM(☞ 18)で観察したとソフトウェアに付属のサンプルファイルを修正してころ，およそ 6 割の構造が裏面を上にしていた．

利用する．4 行目では出力されたファイルを可視化■

粗視化分子動力学を行う oxDNAするため，別なファイル形式に変換している．マシ

CanDo より詳しい解析を行えるソフトウェアが，粗ンパワーにもよるが現在の標準的なパソコンであれ

視化分子動力学シミュレーションを行う oxDNA でば，例えばナノ秒で起こる現象をシミュレーンするある．使用されるモデルでは一つのヌクレオチド(☞

のに，実際には数時間の計算時間がかかることに注40)を 3 粒子によって表現し，ヌクレオチド単位での意する．

動的な変化を理解することができる．シミュレーシ

シミュレーションを可視化した結果を図 3 に示す．

ョンの対象はオリガミ構造に限られず，鎖置換反応

熱振動によって安定な構造に変形する様子を観察す(☞ 42)などのシミュレーションも可能である[5]．

ることができ，構造内の亀裂や，ねじれる部分が分かる．解析を行うスクリプトを記述すれば，二点間

oxDNA は実行形式で配布されておらず，コンパイ
ルが必要である．またグラフィカルなインターフェの距離などの時間変化を追うことも可能だ．

ースはなく，コンソールからプログラムを実行する■必要があり，導入のハードルは CanDo より高いと言古典的な手法でオリガミを設計しただけでは気づかえる．入力ファイルは独自の形式であるが，json のないような情報を得られるため，事前にシミュレー

ファイルから変換を行うスクリプトが付属されていションを活用することで，より精密な設計を行うこる．出力は刻々と変化する各粒子の座標などであり，とができる．また 3 次元モデルが出力されるため，

VMD[3]や Chimera[4]などで動画として可視化でき動画作成などに活用することも可能だ(☞ 57,59)．まる．以下はシミュレーションを実行するコマンドのた最新の研究では全原子分子動力学シミュレーショ

一例である．

ンも行われているが[6]，計算コストが高すぎるため，

活用方法

BIOMOD で活用するのは現実的ではない．

python oxDNA/UTILS/cadnano_interface.py
input.json sq 200

参考文献(リンクは 2015 年 1 月に確認)[1] http://cando-dna-origami.org/[2] https://dna.physics.ox.ac.uk/index.php/Main_Page[3] http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/[4] http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/[5] N. Srinivas, T. E. Ouldridge, P. Sulc, J. M. Schaeffer,
B. Yurke, A. A. Louis, J. P. K. Doye, E. Winfree: "On thebiophysics and kinetics of toehold-mediated DNA strand
displacement",
Nucleic
Acids
Research,
41,10641--10658, 2013[6] J. Yoo, A. Aksimentiev: "In situ structure anddynamics of DNA origami determined throughmolecular dynamics simulations", Proceedings of the
National Academy of Sciences, 110, 20099--20104, 2013

oxDNA input_relax
oxDNA input

oxDNA/UTILS/traj2vis.py xyz trajectory.dat
prova.top
最初の行では，json ファイルを適切なファイルに変換する．2 行目では緩和を行い，3 行目で目的のシ

図 3 oxDNA の実行結果

155

川又生吹（東北大学）

66. DNA 分子モデル作成
DNA 分子や構造を観察するには，電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が使用される．しかしそれらの装置の解像度を超えて，分子の物性を直接測定することは不可能である．より詳細に分子の振る舞いを理解する上で有効となるのが，3 次元的な分子モデルである．ここでは全原子モデルと二重らせんを使ったモデルそれぞれの作成方法を紹介する．

■

原子と DNA 構造

んとなり，幾何学的な情報が加わる．一つ一つの原DNA 構造を作成する上で，各原子の 3 次元的な配置

子の座標を手作業で配置することは現実的ではなく，やらせんの幾何学的な特徴を理解したい場合がある．

ソフトウェアを使ったモデリングを行う．

しかしながら電子顕微鏡(☞ 85)や原子間力顕微鏡

Namot2[1,2]と呼ばれるソフトウェアは DNA の(☞ 85)による観察では，解像度を超えてそれらの情

全原子を配置し，二重らせん構造や，さらに大きな報を直接観察することは難しく，また欠落した情報構造を作成することができるソフトウェアである．

を復元することは不可能である．

実行ファイルを直接入手することはできないので，そこで有効となるのが分子モデルの作成である．

X Windows System がある環境でソースコードをコ計算機上でモデルを組み立て，その構造を理解する

ンパイルする必要があることに注意する．ソフトウ

ことで，DNA の物性や制約をあらかじめ理解しておェアを実行した画面を図 1 左に示す．単純な一本くことができる．ここでは DNA の全原子モデルと，

鎖・二本鎖 DNA であれば，File→Generate を選び，二重らせん構造の 3 次元モデルを作成するソフトウ

配列を入力すれば全原子モデルが出来上がる．そのェアの紹介を行う．作成した構造は 3D モデルとし際に，「B」型の「Deoxy」を選択しておく．

て動画作成などに利用することも可能である(☞ 57,

作成したモデルは File→Write を選ぶことで，pdbなど，他のソフトウェアで読み込める形式として保59)．
■

全原子モデルを作成する Namot

存 可 能 で あ る ． 具 体 的 に は VMD[3,4] とDNA 分子は水素・炭素・窒素・酸素・リンの原子か

Chimera[5,6]と言うソフトウェアで，構造を読み込

ら成り，ヌクレオチドと呼ばれる単位が連なっていみ，表示することが可能である．
Namot では「add unit」というコマンドで，どこる(☞ 40)．相補鎖が水素結合を作ることで二重らせ

図 1 Namot の実行画面(左)とデモンストレーションの構造(右)156

にどのヌクレオチドを配置するかプログラミングす

車輪構造[11]をモデリングした実行画面を図 4 に示ることが可能である．詳細はオンラインのマニュア

す．Build→DNA→Insert DNA を選択することで，ル[1]などを参考にしてほしい．Namot に付属していDNA と同じ幾何学的構造を持った二重らせんの 3 次

るデモンストレーションのファイルから構造を作成

元モデルを作成することができる．異なる方向を向し，VMD で可視化したものが図 1 右である．二重らいたらせんの作図，末端の切断や接続などを直観的せんがらせんを巻いた構造や．上下左右前後に二重に行える．らせんの位相やピッチのみが重要な設計

らせんが伸びた分岐構造などを作ることができる．

においては有効なソフトウェアである．

最新の研究では DNA オリガミの全原子モデルに関する研究も始められており ，図 2 のように，
caDNAno ファイルから全原子モデルを作ることが可能である(東北大学で作成)．

図 4 Nanoengineer-1 の実行画面
参考文献

図 2 DNA オリガミの全原子モデル
■

分子動力学

作成した全原子モデルを元に，古典物理に基づいた
分子動力学シミュレーションを行うことができる．
シミュレーションソフトウェアとしては，NAMD[7]，Amber[8]，Charmm[9]などが有名である．
NAMD のチュートリアルに pdb ファイルが入力となる DNA の分子動力学シミュレーションがあり，参考になる．温度を上げた状態でシミュレーションを行い，二重らせんの解離過程を観察したのが図 3である．モデルの大きさや計算機のスペックにもよるが，全原子分子動力学は計算コストが大きいことに注意する．
■

らせん構造を作成する Nanoengineer-1

全原子モデルほど詳細な構造が必要ない場合に有効[1] http://namot.sourceforge.net/[2] Eugene S. Carter, Chang-Shung Tung: "NAMOT2 - aredesigned nucleic acid modeling tool: construction of
non-canonical DNA structures", Computer applicationsin the biosciences: CABIOS, 12, 25--30, 1996
[3] http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/[4] William Humphrey, Andrew Dalke, Klaus Schulten:"VMD: Visual Molecular Dynamics", Journal of
Molecular Graphics, 14, 33--38, 1996
[5] http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/[6] [1] Eric F. Pettersen, Thomas D. Goddard, Conrad C.
Huang, Gregory S. Couch, Daniel M. Greenblatt, Elaine
C. Meng, Thomas E. Ferrin: "UCSF Chimera - A
visualization System for Exploratory Research andAnalysis", Journal of Computational Chemistry, 25,
1605--1612, 2004
[7] http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/[8] http://ambermd.org/[9] http://www.charmm.org/[10] 開発が中止されているが，次の URL から Windowsで実行可能なスナップショットが入手可能である．
http://diyhpl.us/~bryan/irc/nanoengineer/snapshots/
[11]
Shogo
Hamada,Satoshi
Murata:"Substrate-Assisted
AssemblyofInterconnected
Single-Duplex DNA Nanostructures", Angewandte
Chemie International Edition, 48, 6820--6823, 2009

なのが Nanoengineer-1 である[10]．T-motif による

図 3 NAMD による分子動力学シミュレーション157

川又生吹（東北大学）

67. DNA 論理ゲートシミュレーション
情報処理を行うシステムを，DNA を使って実装する研究が盛んに行われている．しかしシステムの規模が大きくなるにつれ，システムの設計や解析は難しくなる．事前にシステムの挙動を予測することでそのような問題は解決する．数値解析により DNA 鎖置換反応をシミュレートできるソフトウェアを紹介する．

■

DNA 論理ゲートと化学反応式

ンソフトウェアであり，[4]の URL の右側にある

DNA を入出力とする論理ゲート(☞ 29)や振動子(☞

MAIN をクリックすることで起動する．同じく右側

33)の開発が進んでいる．それらのシステムでは複数のやや下に，チュートリアルやマニュアルへのリンの化学反応が同時に進行しており，定量的にその挙クがあり，詳細や不明点はそちらを参照する．以降

動を予測することは困難である．また既存のゲートは基本的な使い方の説明を行う．

を拡張して大きなシステムを設計する際に，新しく■導入した配列が元のシステムに干渉してしまい，予DSD では独自の記法で DNA を表す[6]．マニュアル

期しない反応が起こってしまう可能性がある．

に書かれた例題を図 1 にまとめた．ドメインには文DNA の記法

そこで化学反応式に基づいた数値シミュレーショ

字または数字を割り当て，その相補鎖には「*」をつンを行い，システムがどのように振る舞うかを事前け，短い足がかり配列には「^」をつける．右向き一に予測する．予測の際には，反応速度論に基づき常本鎖は「< >」
，左向き一本鎖は「{ }」，二本鎖は「[ ]」微分方程式を立て(☞ 39)，数値解析ライブラリ(☞

で囲う．左向き一本鎖による連結には「:」，右向き一60)などを用いて連続的・決定的シミュレーションを

本鎖による連結には「::」を用いる．

行う[1,2]．リポソーム(☞ 89)などにコンパートメン
ト化され，分子数が少ない環境については，離散的・確率的なシミュレーションを行う．
登場する分子種が多くなると，微分方程式に表れる変数の個数も大きくなり，繰り返し人手で立式と解析を繰り返すことは難しい．また反応速度定数な
どのパラメータを決定する手法も必要になる．
DNA 反応の場合，素反応が鎖置換反応(☞ 42)や酵素反応(☞ 45)に限定されるため，そのような立式・解析の過程を自動化してくれる設計支援ソフト
ウェアが存在する．酵素反応を使った振動子などのシステムの設計とシミュレーションには，DACCAD

図 1 DNA の構造と，対応する記法と呼ばれるツールが有効である[3](☞ 33)．グラフを使った直観的な操作が特徴である．
■■

設計・解析支援ソフト DSD

入力ファイルのプログラミング

本項では，酵素を使わず，鎖置換反応だけ進行する

初期状態で各分子がどれだけの濃度があるかをプロ論理ゲートの設計とシミュレーションを行えるオングラムとして左側の Code 内に記述し，ソフトウェ

ラインソフトウェア「DSD」[4,5]の紹介をする．

アへの入力とする．プログラムにはさらに反応速度定数や，シミュレーション時間，グラフに表示する

DSD は Microsoft Research が開発したオンライ分子などを指定できるが，詳細は省略する．ソフト

158

ウェアには様々なサンプルプログラムがあり，

ュ レ ー シ ョ ン の Stochastic に な っ て い る が ，

Examples から Catalytic を選べば，増幅ゲート(☞

Deterministic にすると決定的シミュレーションに変わる．右下ウィンドウの Simulation の Plot1 タブ

31)のプログラムが読み込まれる．
例題として，図 2 の上側のような分子と濃度を初を選択した結果が図 3 の下部であり，横軸が時間，期状態とした AND ゲートのシミュレーションを考

縦軸が濃度を表す．様々なオプションがあり，上部える．対応するプログラムは図の下側に記述してあ右側の Compilation や Option を変更して詳細なシる．最初の 6 行で変数の定義を行い，最後の行で初ミュレーションを行うこともできる．

期状態を表している．初期状態は「( )」の中に「|」

このソフトウェアは，濃度の時間発展を予測することができ，システムの設計や解析に役立つ．

を区切りとして，分子の濃度と種類を記述する．

def

N1 = 100def

N2 = 100def

N = 100

def

Input1() = <1^ 2>

def

Input2() = <3 4^>

def

AND() = {1^*}[2 3]{4^*}( N1*Input1() | N2*Input2() |N*AND() )図 2 初期状態の図とそのプログラミング■

図 3 コンパイルとシミュレーション結果

コンパイルと数値シミュレーション

参考文献

プログラミングが終われば，まずはコンパイルを行[1] Lulu Qian, Erik Winfree: "A simple DNA gate motif
for synthesizing large-scale circuits", Journal of theRoyal Society Interface, 8, 1281--1297, 2011[2] Kevin Montagne, Raphael Plasson, Yasuyuki Sakai,
Teruo Fujii, Yannick Rondelez: "Programming an invitro DNA oscillator using a molecular networking
strategy", Molecular System Biology, 7, 466, 2011[3] Nathanael Aubert, Clement Mosca, Teruo Fujii,
Masami Hagiya, Yannick Rondelez: "Computer-assisted
design for scaling up systems based on DNA reaction
networks", Journal of the Royal Society Interface, 11,20131167, 2014[4] http://research.microsoft.com/en-us/projects/dna/[5] Matthew R. Lakin, Simon Youssef, Filippo Polo,
Stephen Emmott, Andrew Phillips: "Visual DSD: adesign and analysis tool for DNA strand displacement
systems", Bioinformatics, 27, 3211--3213, 2011[6] Andrew Phillips, Luca Cardelli: "A programming
language for composable DNA circuits", Journal of theRoyal Society Interface, 6, S419--S436, 2009

う．上部左側にある Compile と書かれたボタンをクリックする．正しくプログラムが記述できていない
場合はこの段階でエラーが出るので，修正を行う．
コンパイルを行うと，初期状態からどのような構造ができるかを調べ上げ，常微分方程式を立てる．右下ウィンドウの Compilation の Graph タブを選択す
ると，図 3 の上部のように，反応経路をグラフとして表示する．
その後，隣にある Simulate と書かれたボタンをクリックすると，数値シミュレーションの結果が表示される．パラメータを指定しない場合はデフォルトの値が適応される．またデフォルトでは確率的シミ159

川又生吹（東北大学）

Pop-up Pirate 福岡工業大学

160

2014 年

第7章
実験テクニック

161

68. 概論：実験するとはどういうことか現実空間での検証，が実験であり，仮説を証明するための科学の強力な手段のひとつである．実験をせずに勝った BIOMOD Team の例はない．実験を通じて得られたのは事実であるため，「ほんとうのこと」に近づいた感が，他人を安心させ，実験者の満足させ，次の仮説を立てる役に立つ．

■

実験とは何か公開されることが必要である．信頼はすべてを実験

ひとは，なにかを主張して認めてもらいたい生き物

ノートに記録することで保持され，データは，可能であり，そして，安心して他人の主張を認めて，そな限り多くの人が誤解なく理解できる手段，現状でりゃすげえな，と言いたいようだ．主張と納得をつ

は「数字と単位」で表現することが求められる．こなぐ場所に，科学の方法として「実験」がある．

れらが満たされた報告からは，第三者が主張を支持

UFO っているの？という疑問に対して，俺見たよ，するための追実験を行うことができ（検証可能性），って主張するのは自由なのだけれど，「お，おう」と主張を懐疑し否定するための実験も考案することがいう反応以上に納得してもらうには証拠が必要だ．

できる（反証可能性[1]）．主張の支持と懐疑とを事実

その UFO はじつは俺が作った，これが設計図でこれに基づいて繰り返してゆき，確からしさを高めてゆが飛行記録で，これが現物だ，と公開されると，ちくことが科学の方法であり，人類のすてきな発明品

ょっと「おっ」となる．ほかの誰かがその設計図をである．捏造は末代まで祟る．そして数字の間をつもとに作って飛ばした記録が公開されると，だいぶなぐ記述言語は（みんなに伝わるならエスペラント「おおおっ」となる．もう未確認でもなんでもないでも C 言語でも良いが残念ながら現状）「英語」のテ

ただの FO だが，この例は生体分子デザインコンテ

キスト＋静止画＋動画が標準になっている．

ストにもそっくりあてはまる．

そして昨日の自分は他人，実験ノートは必ずつける[2]（大事なことなので 2 回書きました）．

主張，つまり立てられた仮説が正しいということを検証するための強力な手段が「実験」である．実■験は，人為的に，ある一定の条件を設定して，自然仮説は好き勝手に立てられる．月は実は萩の月[2]で法則のもとで対象がどうふるまうか，を調べる行為はないか？しかしよい仮説と悪い仮説がある．事実

であり，あるがままを記録する「観察」と異なる．

に基づく論理的な仮説がよい仮説であり，飛躍は少そして自然は嘘をつかないので，ダメな結果というなければ少ないほどよい．よい実験のためには，仮ものはなく，あるのはダメな実験なのだ．

説を過不足無く証明するにはどうすればよいか，と■よい実験とはなにか

いう結果から逆算して，実験計画をたてる．月と同再現性の高い実験である．

じ大きさの萩の月をつくって 38 万 km 上空に浮かべ■る試験は筋が悪い，大人しく萩の月の密度を測ろう．

悪い実験とはなにか

定性的な実験から定量的な実験へと進める．この水再現性の低い実験である．
■

実験の組み立て方つれづれ

よい実験のための 6 要素+1

は辛い／辛くない，という定性的(Qualitative)な表

つまり，俺は UFO をつくって飛ばす実験をした，設現に対して，NaCl 濃度が 1.01M／1.00nM，という計通りに飛んだ，といった主張は，第三者に再現さ表現は定量的(Quantitative)と呼ばれる．定量的な実れることで強化され，安心されやすくなる．再現性

験とは，ある性質を示す条件を量的に規定して確かを高めるためには，信頼できるデータに基づき，仮めたものであり，再現性がよい．定性的な評価が確定と手法と結果と考察とがそろって明確に記述され立している現象に対して，定量的な評価を行うとい162

う順に進めると効率よく，より深く現象を理解するない(+/-)の 2 状態で，23=8 サンプルとなる．マトリことができる．月を 10m 掘っても 1km 掘ってもき

クスは下記のようになる．

っと温泉は出てこないだろう．
定量について，この世の現象の絶対値を求めることは大概困難だが，他と比べてどうか，という相対評価は大概容易である．正確な光速度の測定は大変

G 以外すべてコントロール実験である．H は俗にだが，大気中での音速やウサイン・ボルト 100m 走

スーパーコントロールなどと呼ばれるが侮るなかれ，との比較は簡単だ．この，他と比較してなにかいう培地など環境のチェックになる．現実にはサンプルための実験を対照実験（コントロール実験）とよぶ．

量も予算も時間も限られるので，論文など過去の知

まず，おおざっぱ（濃度を対数スケールで，など）見を参考に重要度の高い項目から検証することになに条件を振って，現象の傾向を定性的につかむ．実る．過去の知見より，各要素単独から生命が発生し験を行っていて一番わくわくするところだ（個人のた例は？ない(A, B, C, H)．そこで，低価格のコント

感想です）．現象を掴んだなら，次は定量的な評価をロールから A, C, F, G, H を試す．結果，G にだけ菌行う．濃度域，試行回数 3 回以上で平均値，標準偏のコロニーが確認された．すわ生命の再起動か！相差を求め再現性を高める(☞ 69)．原因を考え，仮説

棒の N 博士は勝手に盛り上がってあすにでも記者会を立て（あそこのパーツがまずいのでは？），検証実見とか言い出す．F 博士はそれをどうにか落ち着か験を立案・実行し，結果から修正した仮説をたて，せ B を試してみる．するとやんぬるかな，コロニー

検証実験を立あ…そして〆切はやってくる．たかだが確認されたのだ．市販の試薬に菌が混入していた，か 80 年の人生のたった半年の BIOMOD は短期決戦というオチである（この話はフィクションだがフィになる．少ない回数の実験で，できるだけ多くの事クションでない部分もある）．調べたい要素の組み合

実を明らかにするよう設計することも重要である．

わせは有限なので，効率よく原因を追い込もう．

そのためにはやはり仮説が重要であり，仮説をたて■るためにどの事実を採用するか？が重要であり，事実験には，多かれ少なかれ危険が伴う（☞ 70）．DNA

実を選別し見極める目利きの才が求められる（これオリガミ 1kg を誤って飲み込んで安全かどうかは誰は鍛えられる）．事実の材料は生データに最も近い一も知らないし，5kg のプルトニウムを臨界させると次情報報である論文が最良で，そこに自由にアクセ

どうなるか誰も知らなかった昔がある．考え抜いて，スできる最寄りで安価な機関は現状，大学である．

やらずにすむ実験はやるべきでないのだ．無事に終権利は最大限，積極的に活用しよう（☞ 15）．

え，後片付けをして結果を公表するまでが実験なの■だ．

実験のケーススタディ

最後にいちばん大事なこと

ご安全に．

F 博士は，細胞のパーツから生命が再起動できるのではないか？と仮説を立てた．そこで，いったんば
らばらにした菌を再構築してみるという実験を試み

参考文献

た．実験デザインはどうなるだろう？まず定性的な[1] 科学哲学者カール・ポパーによる科学の定義．

評価を考える．要素として， 1) 菌の中身，2) 市販[2] ラボノートの書き方【改訂版】, 羊土社, (2012).

の無細胞タンパク質合成試薬，3) これらを包むリポなど

ソーム（☞ 89）がある．これらを組み合わせ，寒天[3] 仙台銘菓．夏は凍らせても美味しい培地に播き，一晩恒温培養後，その結果菌のコロニーができるかどうかで評価する．要素を加える/加え野村 M. 慎一郎（東北大学）

163

69．実験の組み立て方
自分達のアイデアや論理を主張するには，仮説を立て，実験によって検証することが重要である．そのためには，どのような計画を立て，実行していく必要性があるのか．本章では，実験計画の立て方から，いかに実行するかについて記載する．

■ なぜ実験計画を立てる？

■ 実験計画を立て，実行するBIOMOD で優勝するには当然，実験を行う必要があ

ここからは実験計画の立て方についてステップごとる．それも，かなりの実験量を短期間で的確に行うに記載する．

ことが求められる。実験・研究を行うためには，試ステップ 1：テーマを決める

薬や消耗品などを購入するためのお金（研究費）や測定・解析するための機械・装置が必要である。研まずは大まかで良いので，自分達が何を行いたい

究費を無駄にすることなく，また限られた範囲内でかはっきりさせることが必要である。過去の的確な装置を使用して実験を進めるためにも最良なBIOMOD のテーマと重なることが無いように注意

実験計画を立てることが大事である．もちろん学生（過去の大会の HP を見ると良い）して決める．

だけで，完璧な実験計画を立てることは，ほぼ不可
ステップ 2：実験方法・スケジュールを決める

能と思われるので，ぜひメンターの先生方にアドバイスを貰いながら実験計画を立てることをお勧めす

どのような実験をどのような工程で行えば目的をる．しかし，メンターの先生方におんぶにだっこ状達成できるかを考える．この時，過去の文献を調べ

態ではダメ！！，先生方に相談する前に出来る限りるなどの予備調査や実験方法のマニュアル本などを自分たちで，アイデアを練り上げてもらいたい．そ

読み工程表を作製する．この時に，どのような試薬

こで，まずは自分達で，計画書を作製すると良いだが必要で，どのような装置で測定・解析するかをリろう．理由はいくつかあるので，箇条書きにする。

ストアップする．リストアップすることで，メンターの先生方と相談するときに，研究費の予算や装置-(1) 自分達がやりたいテーマ・目的を整理できるの使用が可能かどうか迅速に決めることが出来る．

-(2) 問題点・課題がハッキリする-(3) テーマ・目的が途中で曖昧になるのを防げる

この段階で，一度メンターの先生方に確認を取る-(4) 実験しながら改訂していくことができると良い．当然，厳しいコメントが返ってくるかもし-(5) 研究をまとめる基になる

れないが，めげずにアドバイスを消化しながら，自-(6) 後輩達の道標になる

分達のオリジナリティを模索することが大事である．

これ以外にも，実験計画を立てることの意義はあステップ 3：計画が出来たら即遂行

りそうだが，学生側が良い研究計画を立てることがメンターの先生方からのアドバイスを基に，テー出来れば，メンターの先生方（先生方は研究のプロ・マが決定したら，あとはただひたすらに実験に打ち百戦錬磨の猛者たち）も的確なアドバイスをくれる

込むことが重要である．世界中の学生を相手に，優であろうし，自分達が思いもつかない素晴らしいア

勝するにはひたすらストイックに実験に打ち込むこイデアを授けてくれるかもしれない．

とが重要である．

164

■ 対照実験
実験を行うことで，自分達が主張する論理やアイデアを証明することが重要ではあるが，そのためには比較するための対照実験（コントロール実験）が非常に重要である．BIOMOD に限らず，研究の世界ではコントロール実験を正確に行えることが研究者としての資質を評価するうえでも重要な指標である．
それぐらい，コントロール実験は重要なので，
BIOMOD に参加する学生も肝に銘じて，常に実験す
る時にはコントロール実験を行うことが重要である。
では，コントロール実験の取り組み方について，例を挙げながら記載する．コントロール実験には 2種類あり，ネガティブ（陰性）コントロールとポジ
ティブ（陽性）コントロールである．それらの例は68 を参照するとよい．

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

165

70．安全について
化学実験には危険がつきものである．自分自身の身を守るため，また他人に迷惑をかけないために，安全に関する備えをして実験に臨む必要がある．本稿では，実験をするにあたって，①具体的に何が危ないのか，②危険防止のために何をすべきか，③万一事故が起こったらどうするか，の 3 点について説明する．
■ 化学実験と安全害などが起こりうる．ひどい場合では，失明，手や化学実験には危険がつきものであるから，とにかく指の切断，大爆発，死に至る事故などが，実際に起「安全第一」で，自分の身は自分で守るという意識こっている．化学物質の吸引や放射線被爆の場合，を持つよう心がける必要がある[1][2]．安全に関する備

その場では何とも無いようでも，長期間にわたってえを怠って実験を行い，事故などを起こせば，自分快復できない障害が残る場合（生殖器の異常，発がが辛い思いをするだけでなく，他人や，研究室全体，んなど）があり，特に注意を要する．
「アセチレンガ

大学全体にも迷惑を及ぼす．したがって，具体的にスの爆発で建物のフロアが全部吹き飛んだ」「密閉状

何が危ないのかを理解した上で，充分な危険防止策

態のガラス容器が破裂して破片で指を切断した」「水をとり，万一事故が起こった場合にどうすれば良い

酸化ナトリウム溶液が目に入り失明した」など，実かを事前に確認しておくことが必要である．

際のゾッとするような事故の例は書籍 [3]やネット上■ 具体的に何が危ないかに沢山ある．事例を知っていると実感が湧くので，研究室は危険だらけである．標準的な化学実験室内

一度は安全についてのゼミなどを行いながら，これの危険要素を図１にイラストで示した．化学物質，

らの情報に触れておくことをお勧めしたい．

化学反応，窒息性ガス，高圧ボンベ，真空・加圧系，■ 危険防止のために

ガラス器具の破損，放射性物質，X 線，紫外線など

自動車の運転と同じで，常に危険予測しながら実験によって，怪我，火傷，窒息，被爆，中毒，健康被を行うことが肝要となる．万一の事故の際に対応が

図１．化学実験室の危険要素

166

出来ないので，1 人では実験をしないということも大・イヤホン禁止（危険を知らせる声や音が聞こえな事である．特に，実験に慣れないうちや新しい種類い）の実験を行う場合は，必ず経験のある研究者と一緒・飲食禁止・喫煙禁止（化学物質の経口吸収防止）に行うべきである．一方，慣れてくると逆に，気を・深夜・単独実験禁止（助けが呼べない）

抜いたり安全対策を省いてしまったりするので，慣・発熱する実験器具は暴走や空だきで火災の原因にれてきた頃こそ，注意を怠らないよう肝に銘じる必なり得るので，終夜運転などは特に注意要がある．

・薬品をこぼした場合はすぐに拭き取る（放置する

また，個人の状況も考慮すべきである．徹夜明けと，自分や他人が触れてしまう可能性がある）などで疲れがたまっていれば，集中力が低下し，事・消火器，シャワー，救急箱の場所の確認

故を起こす可能性が高くなる．このようなときは，・ガスボンベの取扱い（逆ネジ，転倒防止など）

実験などすべきではないが，やむをえなければ，指■ 事故が起こってしまった場合の対応

導者に相談したうえで，必ず複数人で実験を行うべ

危険防止策を講じていても，完璧はあり得ない．他きである．

人の事故に巻き込まれたり，遭遇することもある．

一方，重大な事故が 1 件おこった場合，その背景

以下に記すような事故の対応をあらかじめ確認し，に軽微な事故が３０件はあり，事故ではないがヒヤ被害を最小限にとどめるようにしたい．

リとするような事例が３００件は起こっているとす・応急処置：一刻を争う応急処置が必要な場合がある，統計学的な検証結果がある．これはハインリッ

る．目や皮膚に，酸，アルカリ，その他の危険な毒ヒの法則（またはヒヤリハットの法則）と呼ばれる．

劇物がついた場合や火傷をした場合，水道や緊急シ

人によっては，おっちょこちょい，物忘れをしやす

ャワーの流水で十分に洗い流す．出血が有る場合は，い，注意散漫な性格の人もいるであろう．日常生活圧迫して止血の処置をする．

で，ヒヤリとすることが多い人は，実験の時には特・助けを呼ぶ：近くにいる人，周囲の研究室，大学に意識的に，危険防止策を講じるべきである．

の警備室，119 番通報に，救助を要請する．

また自分が安全対策をしていても，他人の事故に・報告など：爆発や火災など目に見える大きな被害巻き込まれる恐れもある．したがって，実験室の中があった場合はもちろんだが，放射線被爆や少量のにいるときは，常に，危険への備えを解くべきでは化学物質が目や口に入った場合や，軽い怪我では，ない．例えば，ヘッドホンで音楽を聴きながらデー

その場では何とも無くとも，前述したように，後遺タ整理をしていたら，危険を知らせる声が聞こえな症や慢性中毒につながる可能性もありうる．軽微ない．白衣を着用していなければ，他人が飛散させた事故であっても報告し，医師の診断を念のため受け薬品が直接降りかかってくるかもしれない．

ておく．後日，保険請求などのためにも必要となる．

■ 危険防止のための具体的な対策

参考文献

研究室での危険防止のために一般的に注意するべき[1] 「新版

続

実験を安全に行うために」化学同人事を以下に列記しておく．

編集部編, 1993 年

・手袋，ゴーグル，白衣着用，靴（サンダル不可）[2] 「第４版

・化学物質の情報収集（MSDS 情報の検索）

丸善株式会社，1999 年

・実験に集中：休憩・お喋り・携帯は実験室外で[3] 「実験室の笑える?笑えない!事故実例集」田中 陵

・実験中にその場を離れるときは，実験者や実験内二・松本 英之 著，講談社サイエンティフィク, 2001

容を明示し，連絡が取れるようにしておく

年

化学実験の安全指針」日本化学会編，

・コンタクトレンズ不可（薬品が目に入ると危険）
宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

167

71．プロトコルの読み方実験を行うときには，まずは他の研究者が作成したプロトコル（実験操作手順）を参考にすることが多い．論文などに記述してあるプロトコルを上手に活用するには，その各手順の意味をよく理解した上で，自分の環境や目的に合った“自分用のプロトコル”に作り直して行く必要がある．

■ プロトコルとは（１）理解する

生物化学系の実験では，実験手順のことをプロトコ

まずは，プロトコルに書かれている各操作手順の意

ル(protocol)と呼ぶ．研究は，どんなに新しい研究で味を，可能な限り，理解する努力をすることが重要あっても，過去の研究と何らかの形で関連している．

となる．各操作の意味を理解していなければ，どのしたがって，具体的な実験計画を立てる際には，過くらいの厳密な精度が要求されるのかも分からない

去の論文などの実験手順を少なからず参考にするこ

し，自分の研究室の環境に合わせた具体的な実験操とになる．しかし，それには少しコツも必要である．

作を考えたり，自分の実験目的に合うようにプロト

本項では，論文などのプロトコルをどのようにしてコルをアレンジしていくことも出来ない．また，う活用したらよいのかについて概説する．

まくいかなかった場合に，どこをどう改善すれば良■ プロトコルの使い方

いのかも分からない．

プロトコルは，料理で言えばレシピに相当する．同まずは，聞いたことのない操作や実験手法が書かじレシピがあれば，どこでも誰でも，同じ料理が作れている場合もあるだろうから，それらが何を意味れるだろうか？そうはいかない．なぜかというと，するのか，基本操作を解説するような書籍など[1]を利

料理人の腕や経験（レシピに書かれていない下処理，用して，調査する必要がある．

食材の切り方，手際の良さなど）や調理器具の善し

また，各操作の段階で，どのような反応が，どの悪しが影響するし，同じ名前の食材や調味料であっような機構で起こっているのかを理解しておく必要ても千差万別だからである．

があるだろう．さらには少し難しくなるが，温度・科学論文は厳密なものなのだから，料理のような反応時間・濃度などの条件設定が，何を意図して設

曖昧なことはないのでは，と期待するかもしれない．

定されているのか，分かる範囲で考えておく必要も

しかし，実はそうでもなくて，実験のプロトコルもある．

案外あてにならない．調理器具に相当する器具や装（２）自分用のプロトコルに作り直す

置は，研究室によって微妙に異なる．研究室で蓄積プロトコルは，あくまで，そのプロトコル著者の実された基本操作のノウハウや，実験者自身の技術や

験環境，実験技術レベル，実験目的を想定している経験も異なる．また，プロトコルの筆者が未熟なたはずである．自分の研究室で，実際にどのような具

め，あるいはノウハウを隠すため故意に，記述され体的な実験操作として実行できるのかを考え，自分たプロトコル自体が不完全な可能性がある．したが用のプロトコルに作り変えていく作業がどうしてもって，異なる環境の実験室で，ましてや実験初心者必要である．また実験操作の細部の記述が省略されが，プロトコルに沿って実験をしようとしても，うていたり，曖昧に記述されていたりする場合，それ

まくいかないことが多い．そもそもプロトコルに沿を自分たちのノウハウや経験，調査によって補ってって実験できるように準備をするだけでも，意外に行かなければならない．自分の研究室では難しい手

大変なことである．プロトコルを上手に活用して実順が含まれている場合は，代替の手段を考える必要

験を進めるには，以下の点に留意すべきである．

もある．

168

例えば「窒素雰囲気下で，A と B を混合し，温度けである．

３０℃に保って１分間撹拌した」などと短い記述で一方，実験がうまくいく目処がついたら，各操作あっても検討しなければならない事は沢山ある．窒の意味をよく考えながら，自分の研究環境や研究目

素雰囲気をどのようにして作るか，撹拌は手でする

的に合わせて，プロトコルをアレンジしていくこと

かヴォルテックスミキサーを使うか，温度の制御にが大事である．

は研究室にあるどんな装置が使えるか，等々である．

■ プロトコルはどこに書いてある？

温度や試薬量などに，どのくらいの精度が求められ論文には大きく分けて，詳細な実験結果を記載する

るのかも，実験内容によって異なる．このあたりは，

full paper と ， 重 要 な 研 究 成 果 を 速 報 す る

経験や研究室の流儀，ノウハウ，設備にも左右されcommunication や letter がある．full paper の場合は，るので，先輩や先生に相談しながら決めていく必要

Introduction 項目の後に Experimental あるいは Methodがある．

などの項目を設けてプロトコルが書かれている．

しかし，どんなに緻密に計画しようとしても，実Communication 論文の場合は項目分けされていない

際にやってみないと分からないことも多い．初めてので探しにくいかもしれない．論文の最後の実験を，いきなり完全に成功させることは難しい(Conclusion の後)に記述されている場合や，論文本体

ので，あまり気むずかしく考えるよりも，まずはおに詳細な実験方法を記述せず，出版社のホームペー

おざっぱに出来る範囲で実験をしてみて，そのあとジからダウンロードできる「Supporting Information」

で改善していくのが普通だろう．

に記述している場合もある．

なお，経験の無い実験操作や基本操作をする必要があれば，まずその実験操作自体を理解して，ダミ

参考文献

ーのサンプルを使って練習し，操作に習熟しておい[1] 日本化学会編「実験化学講座（全３１巻）」，丸善

たほうが良いだろう．

出版（３）オリジナルからのアレンジ
最初は，やむを得ない部分を除いて，論文に記載されているオリジナルな方法に出来る限り忠実に，試薬，反応時間，器具，装置，スケールを設定して実験を行うべきである．
「反応が遅そうだから温度を高くしておこう」「試料が沢山欲しいから，実験スケー
ルを大きくしてみよう」「A の溶媒が手元にないから代わりに B の溶媒で」「この操作は面倒で意味がなさそうだから省略してしまおう」「１分撹拌と書いてあるが念のため１０分撹拌しよう」「A，B，Ｃを順番に加えることになっているが，全部一度に混ぜてしまおう」など，いろいろと変更したくなるかもしれない．それで問題ない場合もあるかもしれないが，
そもそも，ただでさえ，プロトコル通りに実験をしてもうまくいかないという場合が多々ある．成功す
る目処が立つ前に，実験操作の一部を変更してしまっては，失敗の原因がますます分かりにくくなるだ

宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

169

72．DNA のオーダーの仕方
一昔前までは，化学合成した DNA は高い試薬に分類されていたが，PCR 法の普及にともなう需要の増大と，何十本も同時に DNA を合成できるマルチアレイ型の DNA 合成機の開発により，今日では非常に安価にカス
タム合成 DNA を入手できるようになった．何社か実例を挙げて，その注文の仕方を説明する．

■

代表的な DNA 受託合成会社

4. つくばオリゴサービス

カスタム配列の DNA の受託合成を行っている会社

http://www.tos-bio.com/index.htm

はいくつかあるが，それぞれ得意分野が少しずつ

アゾベンゼンと CNVK を含んだ DNA の受託合成を違っている．価格は 2015 年 3 月現在．

取り扱っているほぼ唯一の会社．（50 nmole スケー
ルで，チューブ納品 ¥100 / mer）

1. シグマアルドリッチ
5. 北海道システムサイエンス

http://www.genosys.jp/index_n.html
国内（北海道）製造の DNA オリガミに使用でき

http://www.hssnet.co.jp

るプレートオリゴ（最大 45 mer）も注文可．製品は高品質で信頼できるが，値段は少しばかり高い（206. 日本バイオサービス

nmole スケールで，チューブ納品 ¥75 / mer，プレー

http://www.jbios.co.jp

トオリゴ ¥20 / mer）．

この会社は特殊処理（カラム渡しや特殊塩基の使用など）でかなり融通が利く．

2. IDT DNA■

http://ruo.mbl.co.jp/custom/oligo.html
世界最大の DNA 受託合成会社．シンガポール製

DNA 注文に必要な情報

各社共通で DNA を注文する際に必要な情報は，下造品を日本からも注文できる．DNA オリガミ用のプ

記の通り．

レートオリゴ（最大 200 mer）注文可．値段が非常に安く（25 nmole スケールで，チューブ納品 ¥27 /1. 配列名称

mer，プレートオリゴ ¥18 / mer）
，指定できる化学

ステープル鎖の様に同じ長さの DNA が多数ある

修飾の種類も豊富．しかしながら，通関の関係で名と，後から化学的に区別するのは非常に困難である．

古屋にある国内代理店を必ず経由しなければならな

混乱することのないよう，あらかじめわかりやすい

いため，納期が若干かかるのが玉に瑕．

名前をつけておこう．

3. ユーロフィンジェノミクス（旧オペロン）

2. 合成スケール会社によって 10 nmole から 10 µmole まで幅広く

http://eurofinsgenomics.jp/jp/product/oligo-dna/hts指定できるが，BIOMOD のプロジェクト１年分なら-oligo.aspx
国内製造の DNA オリガミ用のプレートオリゴ（最ば，各社で最小の 10 nmole から 25 nmole スケール

大 70 mer）注文可．値段もまずまず（10 nmole ス

で十分だろう．

ケールで，チューブ納品 ¥50 / mer，プレートオリゴ ¥18 / mer）．

3. 鎖長（塩基数）
会社，合成スケールによって，注文できる最大の170

長さが異なるので注意が必要だ．特に DNA オリガ

鎖一式を揃えると十数万円かかるので，最初は念のミ用のステープルの注文の際は，注文書類を一通りため，良く事情がわかる人と一緒に注文しよう．

確認しよう．
■

実際の注文画面

4. 配列
特殊塩基を挿入する際には会社によって表記の仕方が異なるので，よくホームページで調べておくように．同じ場所に A, T, G, C の四種類をランダムに入れる N という指定の仕方などもある．

5. 化学修飾の有無
5’-，3’-末端だけでなく，鎖内の修飾もそれぞれ指定できる．DNA の化学合成は 3’-末端から行っていくため（☞ 44），5’-末端に修飾するための試薬（ホスホロアミダイトモノマー）と 3’-末端に修飾するための試薬（CPG カラム）
は化学構造も値段も異なる．
一般的には，小分けして使いやすい 3’-末端修飾用のシグマアルドリッチ，合成スケール 50 nmole 以上の試薬の方が安い．逆に鎖内修飾用の試薬は非常に高場合．

価だ．使用したい場合は，メンターに必ず相談しよう．

6. 精製法
各社ほぼ共通して，脱塩，カートリッジ精製，
HPLC 精製，ゲル精製から選択できる．これらは，「いろいろな精製法（☞ 78）」掲載の，ゲル濾過，DNA 簡易精製カラム，逆相 HPLC，ポリアクリルア
ミドゲル電気泳動に相当している．後者になるほど純度の高い DNA が得られるが，納期も価格も跳ね上がるので，実験にどれくらいの純度が必要かよく考えて注文しよう．

7. 代理店情報
請求書を介した大学との実際のお金のやり取りは，研究室出入りの業者が仲介するのが一般的である．
これもメンターに適当な業者を指定してもらおう．

IDT DNA でチューブ納品を選択した場合．

参考文献

この他にも大学教員名のアカウント情報なども必要になってくる．安くなったとは言え，ステープル[1] バイオ実験イラストレイテッド③，秀潤社

葛谷明紀（関西大学）

171

73. その他の試薬の入手
試薬の入手方およびそのおおよその価格について紹介する．さらに試薬を入手してからの手続きや使用後の廃棄の仕方も法律等で決められており充分熟知しておく必要がある．ここでは試薬の購入から廃棄までの一
般的な手順について紹介する．

■

試薬・その他消耗品の入手方法

参考までに，各種試薬・消耗品の価格はおおよそ

試薬はカタログを参照して試薬会社から入手する．

以下のとおりである．

購入方法は各大学により異なると考えられるが，表 3. 主な試薬の値段

北海道大学の場合では，代理店を介して購入する．

品目

容量

価格

塩化ナトリウム

500 g¥1,500

塩化カリウム500 g¥4,000塩化マグネシウム

500 g¥3,700リン酸二水素ナトリウム500 g¥4,800リン酸水素二ナトリウム500 g¥3,000酢酸ナトリウム

500 g¥1,700水酸化ナトリウム

500 g¥1,600¥1,470

また，主な試薬会社を表 1 に示した．
表 1.主な試薬会社一覧
会社名

URL

シグマ アルドリッチ
ジャパン
ナカライテスク株式会社
和光純薬工業株式会社

http://www.sigmaaldrich.com/japan.ht
ml
http://www.nacalai.co.jp/
http://www.wako-chem.co.jp/

水酸化カリウム

500 g

東京化成工業株式会社

http://www.tokyokasei.co.jp/

塩化カルシウム

500 g¥2,750インビトロジェンhttp://www.invitrogen.jp/

Tris

500 g

¥13,000

フナコシ株式会社

http://www.funakoshi.co.jp/

EDTA

1g

¥11,000

ロシュ・アプライド・サ
イエンス
コスモ・バイオ

http://www.roche-biochem.jp/

EGTA

1g

¥11,000

MES

500 g

¥27,600

関東化学株式会社

http://www.kanto.co.jp/

PIPES

500 g

¥2,9200

タカラバイオ株式会社

http://www.takara-bio.co.jp/

http://www.cosmobio.co.jp/

TOYOBO

http://www.toyobo.co.jp/seihin/xr/

GE ヘルスケア バイオサイエンス株式会社
QIAGEN

http://www.gelifesciences.co.jp/

キシダ化学

http://www.kishida.co.jp/

MBL 株式会社

http://ruo.mbl.co.jp/?ref=ja_JP

BD Biosciences

http://www.bdbiosciences.com/jp/index.jsp
http://www.nippongene.com/index.html

ニッポンジーン
ユーロフィンジェノミ
クス
北海道システム・サイエ
ンス株式会社

http://www.qiagen.com/jp/

HEPES

100 g

¥6,600

Yeast Extract

500 g¥1,8200*

Tryptone

500 g¥1,3400*

Peptone500 g¥1,6000*

抗体

100 μL

¥3,0000~70,000¥1,0000

寒天

500 g

ゼラチン

500 g

¥2,8000

DNA

10nmol¥50/base**

一例，和光純薬の場合．会社等の違いにより価格は変動する

http://eurofinsgenomics.jp/jp/home.aspx
http://www.hssnet.co.jp/* BD Biosciences の場合**ユーロフィンジェノミクスの場合．化学修飾等により値段は変動

表 4. 主な消耗品の値段
また，マイクロピペット，スライドガラス，チップ

品目

容量

価格

0.01 mL (1000 本入り)などの消耗品は主に代理店配布のカタログまたは
マイクロピペットチップ(バルクの場合)

web サイトにより検索し購入する．
表 2.物品購入時に参照するカタログ
会社名

マイクロチューブ

アズワン
早坂理工株式会社

0.2 mL(1000 本入り)

5 mL (300 本入り)

¥12,000~

1.5 mL (500 本入り)

¥3,000 前後

0.5 mL (1000 本入り)

¥5,000 前後

0.2 mL

¥5,000 前後

シグマ光機

カバーガラス

駿河精機

キムワイプ

26 x 76 mm,
1 箱 100 枚入り
18 x 18 mm~ 40 x 50
mm, 1 箱 1000 枚入り
200 枚入/箱ｘ72 箱

キムタオル

50 枚/1 束ｘ24 束

スライドガラス
モノリス

ラテックスグローブ¥2,000~4000

1 mL (1000 本入り)

サイズ L, M, S
100 双入り¥2,000 前後¥3,000~46,000¥13,000¥10,000¥3,000 前後(材質による)※一例，アズワンのカタログの場合．会社等の違いにより価格は変動する

172

■

試薬やその他消耗品の登録

有機系廃液

試薬またはその他消耗品に関しては，各大学のガイドラインに従い適切に管理する必要がある．こ
こでは北海道大学の例を紹介する．北海道大学では ID を所持するもののみが使用できるオンライ
ンの試薬登録管理システムを用いている (通称

種類

注意事項

特殊引火物含有有機溶剤

消防法危険物第 4 類特殊引火物を含有するもので，他の有機溶剤で希釈して濃度 10%以下となっているものが対象となる．

ハロゲン系有機溶
剤

PCB は収集しないので貯留容器に入れない．

可燃性有機溶剤

PCB 及び爆発性のニトロ化合物，過酸化物
は収集しないので貯留容器に入れない．

ホルマリン

感染性のものを除く．

CRIS)．CRIS に登録した薬品情報は ID を所持す

廃油るものであれば，誰でも検索することができる．

PCB 含有のものは収集しないので，貯留容器に入れない．

写真用現像液そのまま貯留する．

試薬を購入後，添付の安全データシート(SDS※MSDS から名称変更)を基にして，薬品名，重さ，

引用文献

容量，個数，毒劇法等法令分類，保管場所などの情[1] 安全の手引,北海道大学安全衛生委員会,pp83-

報を CRIS 上に登録する．登録した試薬はラベル

85 (~平成 26 年)を貼り，所定の位置に保管する※．また，試薬の可燃性の有機溶媒など消防法指定数量が管理されている試薬に関しても CRIS で管理される．試薬を使い切った場合には薬品の出庫登録を行う．
※薬品の管理場所に関しては，毒劇物指定のものは，施錠できる薬品棚に入れ管理し，爆発物に関しては，防爆仕様の薬品庫に入れ管理する．

■ 実験廃棄物の安全な管理と処理(北大の場合)1[一般的注意]実験室から出る廃液は，重金属や有機溶剤などの有害物質を含むため法律で規制されている．実験
廃液は組成が複雑多岐にわたり，危険な物質を含
むことが多いので取り扱いには十分な注意が必要である．廃液を出す人は，廃液の性質，内容について最もよくわかっているので，廃液をセンターに出す前に適切な処置を行い，センターに対し処理に必要な指示をする責任がある．
無機系廃液
種類

注意事項

水銀化合物溶液

金属水銀は収集しないので，貯留容器に入れない．

一般重金属化合物溶液

カドミウム，鉛，クロム，銅，亜鉛，
鉄，マンガン，セレン，その他の重金属が対象となる．

写真用定着液銀を回収するので，現像液やその他の廃液を混ぜない．

シアン化合物溶液
ヒ素化合物溶液

必ずアルカリ性にして貯留する．
醸性のものとアルカリ性のものとで処理方法が黒なるので，必ず pH を表示札に記入する．
酸性のものは，中和して貯留する．

フッ素化合物溶液

佐々木廉，角五 彰（北海道大学）

173

74. ピペット操作
ピペットの先端にプラスチック製の(チップ)を取り付け，機械式のピストン(手動と電動のものがある)で液体を出し入れする．1 回の操作で出し入れする体積はダイヤルによって変えることができる．ピペットの代表的なものとしてはギルソン社の「ピペットマン」などがある．

■
ピペットにはいろいろなメーカーのものがあるが，チップの種類と構造

チ ッ プ は 白 (0.5 ~ 10 µL) ， 黄 (2 ~ 200 µL) ， 青(100 ~1000 µL)の 3 種類がよくに使われる(図 1

ここではギルソン社のピペットマンで記述する．
先端にプラスチック製の使い捨てチップを付け，右)．大型のピペットマンには白色で大きいチップ

ピストンで液体を出し入れするピペットマンは，が使われる．チップはケースに並べて入れ，オー

実験室の主要な計量器である．ピペットマンの吸トクレーブ(乾燥・滅菌)してから使用する．チップ

い取り量は 0.5 µL から 10 mL までいろいろなもの装着の際はピペットマンの挿入部をチップ上部のがあるが，2~20 µL，20~200 µL，100~1000 µLに確実に押し込んで挿入する．細い所に液を注入の 3 種類のピペットマンが実験室でよく使用されするために，チップの先端が平ら，あるいは毛細る(図 1 左)．吸い取り量は調節リングを回し，ダ管になっているものもある．

イヤル式の目盛りを動かすことで設定可能である．

■

複数本のチップを同時に装着できるピペットマン

吸い取り量が固定式のものは精度が高いものの汎もあり，一度に複数の液体を量り取りたいときに用性がないため，ダイヤル可変式のものが一般的便利である．ピペットマンの中のピストンは気密に用いられている．まず，ピペットマンの調節リ性を保つために内部で O-リングによりシリンダ

ングを回して吸い取り量を設定する．(図 2)この際ーに接している．5 mL 以上の大型のピペットマンにピペットマンが破損する恐れがあるため，吸いでは液体を急に吸った際に液体が飛び上がる事を取り量の設定範囲を超えてダイヤルを回さないよ

防ぐために器具の先端に専用の綿栓を装着してあうにする．

ピペットマンの使用法

る．

次にピペットマンにチップを装着し，プッシュボ
タンを 1st ストップの位置まで押し，チップの先端が必要以上に液につかない程度に液につける．

174

この時，自然にチップ内に液が上がるような気密性の悪い器具はそのままでは使用できない．液を吸い取るときはプッシュボタンをゆっくりと戻す．
チップ内に空気を吸い込んでいないこと，チップの外側に液がついていないことを確認し，プッシュボタンを押してゆっくりと液を排出する．この際にピペットマンを持つ腕はなるべく動かさず，容器側を移動させるようにする．チップの先端の残液はプッシュボタンを 2nd ストップの位置まで押し込んで排出する．微量の液を排出する際はすべての液が出にくいため，チップの先端で容器の内側を細かくたたくようにして残液を容器の壁に付着させる．容器の壁に付着した液体を底に落とすときは卓上遠心機を用いて遠心する．別の液体を吸い取る際は，エジェクターボタンを押しチッ
プを外し，新しいチップに取り替える(図 3)．

■

ピペットマンの不調

ピペットマンの不調には気密漏れと液量のずれがある．前者の場合はピペットマンを分解し，シリンダーにグリースを塗るか，O-リングを交換する．
後者の場合はピペットマンで水を吸い取り，天秤で測量する．ピペットマンと天秤の表示の間にずれがある場合は修理に出す．
鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

175

75. 各種溶液・バッファー作製
溶液作製は基本的な実験操作が複数合わさった作業である．用いる試薬によって扱い方が異なるため，本項では試薬のはかりとり方や特殊な試薬の場合の注意点，溶媒の加え方などを解説する．最後に代表的なバッファー(緩衝液)について説明する．

■ 溶液作製時の基本操作(2) 測定の精度：バイオ実験で使う計量器では，1. 天秤と計量器

最大容量の 0.25％程度の誤差は避けられない(1) 天秤：粉末試薬の重さを量る(秤量する)際は電と考える．計量器の誤差量は液量にかかわら

子天秤(最低でも千分の一までの目盛りが出る

ずほぼ同程度のため，メスアップする量が少もの)を用いる．秤量にあたっては，天秤の最ないほど誤差率が高まることになる．そのた大・最小秤量などを考慮し，用いる天秤を決め 10mL の溶液を 100 mL のメスシリンダー

める．

で測定しない．また，時間がかかる上に人為(2) 計量器：液体試薬を測り取る際はメスシリン

的ミスによるバラツキも増えるため 100 mL

ダーなどの計量器を用いる．ビーカーや三角の溶液を測りとるのに 10 mL のメスシリンダ

フラスコの目盛りは正確でなく，10%程度の誤ーで 10 回測るようなことは避ける．

差がある事もある．計量の際は温度に注意する(20℃付近で行う)．
2. 粉末試薬の秤量
(1) 薬さじを使う時：試薬ボトルの口を天秤皿の近くに寄せ，粉末試薬を薬さじですくって天秤皿上の薬包紙にのせる．微調整は薬さじ上を指で叩くようして少量ずつのせるか，微量薬さじを使う．
4. 器具に残った溶液の処理(2) 薬さじを使わない時：サラサラしている粉末
試薬を秤量する場合は，薬さじを使わずに試(1) 共洗い：蒸留水などの洗浄により濡れている

薬をボトルから直接，薬包紙の上にのせても容器を用いる際は，溶液の濃度が変わらない

よい．微調整はボトルを回しながら試薬をゆようにするためにこれから使用する溶液を少っくりと少しずつのせる．

量用いて容器を洗浄する(図 2 左)．
(2) 洗い込み：器具内の溶液を別の計量器などに3. 液体試薬の測定

移しメスアップを行う際は，器具内に溶液が(1) 機器の使い分け：液体試薬を測り取る際は目安として 1 µL~10 mL まではピペットマンで，残らないようにするため溶液を移した後に器

0.1~25 mL まではピペットで，数 mL～2 L

具を少量の蒸留水で洗浄し，この溶液を計量

はメスシリンダーを用いる．メスシリンダー器に移す．この洗浄操作は 2~3 回行う．洗いを用いる際の微調整(メスアップ)はパスツー

こみは溶液を調製する際は必ず行う(図 2 右)．

ルピペット，ピペット，ピペットマン，洗浄ビンなどを使って行う(図 1)．

176

(2)発熱する試薬
塩化マグネシウムや低級アルコールなどの発熱の激しい試薬は，撹拌しながら大量の溶媒に少しずつ入れる．メスアップは温度が室温に戻ってから行う．
(3)吸湿性試薬
水酸化ナトリウムなどの吸湿性試薬は，試薬ビンをデシケーターから出したら短時間に秤量を終え，速やかに試薬ビンをデシケーターに戻す．
試薬の重さを素早く読みとり，溶媒を加えメス■アップする．

溶液の調製

1. 実験の精度と有効数字(4)試薬ビン内で溶かす

分子生物学実験では作製する試薬の濃度は「有フェノールのような危険性のある試薬，薬さじ

効数字 3 桁」が一般的である．計量は秤量に比べですくえないほど微量しか入っていない試薬はて誤差が大きく 0.3％程度の誤差は避けられない．

溶液が安定に保存できるのであれば，試薬ビン

2. 標準的な溶液作製法

内で溶かす．少量の溶媒を何回かに分けて加え，(1)粉末試薬：粉末試薬を量り取り，ビーカーなど

試薬の溶解と洗い込みを行い，メスアップする．

に入れ，蒸留水で溶かす．溶けにくい場合はス■ターラーチップを用いて攪拌する．粉末が溶けバッファーは pH の変化を抑えるために用いられたらメスシリンダーに移し，洗いこみを 2~3 回

る．タンパク質や核酸などはそれぞれ固有の安定行う．最後にメスアップを行う．

な pH，あるいは反応に適した pH がある．生体分

バッファー

子を扱う場合は例外なく 10mM~200mM の範囲(2)液体試薬
液体試薬から容量濃度(％〔v/v〕)の溶液を作る

でバッファーが用いられる．代表的なバッファー

際は，メスシリンダーで試薬を測り，これをメは以下の通りである(図 3)．

スアップ用のメスシリンダーに入れる．調製す
る溶液量が十分に多い場合はメスアップするシリンダーに試薬を直接注いでもよい．重量濃度
で溶液をつくる際は試薬を天秤で量り，これをメスアップ用シリンダーに移し，メスアップする．
3. 特殊なプロトコール(1)粘度の高い試薬
グリセロールやポリエチレングリコールなどの粘性の高い液体試薬は，洗いこみが困難なため
メスシリンダーに直接入れる．調製する溶液の参考文献：イラストでみる超基本バイオ実験ノー

総量に対し，液体試料の量がわずかな場合は，

ト羊土社 (2005)

誤差を減らすために比重から重量を計算し，天秤を使って重さを量る．
鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

177

76．アニーリング
DNA ナノ構造を作製する際に一般的に用いられる手法が，「アニーリング」と呼ばれる除冷法である．その概要について解説する．

■

アニーリングとはDNA ナノ構造を作製する際に，一般的に用いられる手法が「アニーリング」である．アニーリングという言葉自体は，一般的には金属を加熱冷却するプロ
73.75

セスについて指す．
（これにより，内部のひずみを取(a)

り除いたり，展延性を向上させるなどの効果がある．）

72.62

(b)

構造 DNA ナノテクノロジーの場合は，材料となる

32.93

DNA が入った水溶液を一旦あたため，除冷すること

41.23

によって，ギブス自由エネルギー最小となる望みの構造を作製するためのプロセスのことをいう．熱湯

T-motif の形成・融解曲線の例 [1]． 260nm の吸光度を用いたり，サーマルサイクラーを用いて行われるの変化を読み取ることで，溶液中の一本鎖・二本鎖の状場合が多い．
■

態を測定できる．（二本鎖を形成すると吸光度は下がDNA タイルの場合

る．
）この例の場合，モチーフ（タイル）の形成は 74˚C，

アニーリングの速度，時間などはそれぞれ作製するµ
モチーフ同士が接続される構造形成は
33˚C 付近で行わ構造によって異なるので，ここでは例として DNA

heating rate at 0.3°C/min (85°C
れていることがわかる．

20°C

85°C); UV

タイルの場合について述べる．
DNA タイルの場合，一旦 95˚C 付近まで溶液を加温度）付近の至適温度帯での形成時間をなるべく長熱してすべての DNA を一本鎖状態にした後，室温，くとることが大切である．熱湯を用いたアニーリン

もしくは 4˚C まで 1-2 日間かけて冷却することでア

グの場合，発泡スチロールに沸騰したてのお湯をな

ニーリングはおこなわれる．DNA タイルの項(☞ 20)

みなみと注ぎ，そこにチューブに入れた DNA 溶液

で述べたように，DNA タイルは，タイル自体の形成

をフロートをもちいて浮かせる．発泡スチロールでと，sticky end を介したタイル同士の接続という，蓋をした後，ガムテープ等を用いて密閉し放置する．

二段階のプロセスを経て構造が形成される．アニー

サーマルサイクラーを用いる場合は，温度下降速度

リング時の温度変化に従い，それぞれの構造形成がを自由にプログラムできるので，構造形成が行われ異なる温度帯で段階を経て行われることで，ワンポる温度帯の下降を遅くする．また，その他の温度帯

ットアニーリング（すべての材料をひとつの容器にについては素早く下げるなど工夫をすることで，全混ぜて，一度の除冷プロセスで一気に構造形成する体のアニーリング時間の短縮も可能になる．

こと）が可能になっている．

参考文献

具体的には，まず高温域でタイル構造の形成が行[1]

Hamada,S.,&

Murata,S.

(2009).

われる (a)．そののち，低温域でタイル同士が自己集

Substrate-Assisted Assembly of Interconnected

合する(b)．高品質（もしくは大きな）結晶を得るた

Single-Duplex

めには，その両段階，とくに後者のタイル同士の自Chem.

己集合の段階を極力ゆっくり行うことで， Tf（形成

doi:10.1002/anie.200902662

178

Intl.

DNA

Nanostructures.

Ed.,

48(37),

Angew.

6820–6823.

浜田省吾（コーネル大学）

179

77．DNA 濃度/純度測定
DNA は UV 光を吸収し，その吸収スペクトルは 260 nm 付近で極大値をとる．吸光度を測定することで溶液中の DNA 濃度を求めることができる．また，いくつかの波長で吸光度を測定すれば，DNA と異なる吸収ス
ペクトルを持つ物質が混入しているかどうかがわかり，純度を評価することができる．

■

ならば 33 μg/mℓ，二本鎖 DNA ならば 50 μg/mℓ とDNA による UV 吸収

不純物のない DNA 溶液に少しずつ波長の異なる紫いう固定された換算値がよく用いられる．しかし，外（ultraviolet: UV）光を当てて，それぞれの光がオリゴヌクレオチドと呼ぶ方がよさそうな短い吸収された割合である「吸光度（absorbance: Abs）」

DNA どうしを等量ずつ混ぜてハイブリダイゼーシを測定してその値をプロットすると，下図のようにョンさせるような実験では，塩基組成も考慮して濃波長 230 nm 付近で極小，260 nm 付近で極大となる度を求める方が良いだろう．

吸収スペクトルが得られる．これは DNA の塩基がDNA の濃度測定

この波長の光を吸収するためである．厳密には 4 種■

類の塩基それぞれについて吸収が最大になる波長は

吸光度は「光学密度（optical density: OD）」とも呼わずかに異なり，塩基組成の異なる DNA を比較す

ばれる．各物質はそれぞれ固有の「モル吸光係数

ると吸収スペクトルの極大波長の位置は少しズレる．

（molar extinction coefficient）」を持ち，物質の濃吸光度の値から DNA の濃度を求める際，測定装置

度と吸光度の関係は以下の式で表されるランベル

によっては塩基組成まで考慮して濃度を計算するモ

ト・ベールの法則（Lambert-Beer law）にしたがう．

ードが用意されているものもある．

Abs ≡ log(I0/I ) = dc

ここで，I0 は入射光の強度，Iは透過光の強度，はモル吸光係数 [ℓ/(mol∙ cm)]，c は濃度 [mol/ℓ]，d は
光路長 [cm]である．

DNA の濃度測定には高濃度の溶液を使用する必要がある．従来は，光路長 1 cm のセルを使用するタイプの分光光度計が主流であったが，菌体を培養して大量のゲノム DNA などを回収する生物学実験とは異なり，DNA ナノテクノロジー分野の実験では化学合成した DNA を用いることが多い．
そのため，より微量な溶液で測定できるマイクロセルを使用するタイプや，セルを使わずに数 μℓ のサンプル溶液を

DNA 溶液の吸収スペクトル測定例．260 nm 付近で機器に直接のせるだけで測定ができ，測定後もキム

吸光度が極大値をとり，230 nm 付近や 320 nm 以上

ワイプで拭うだけというタイプが普及してきているの波長領域では吸光度が低い方が純度が高い．

（☞ 82）．
生物学実験では数キロ塩基といった長い DNA を■扱うことが多く，塩基組成が平均化されるのが通常

DNA 濃度測定の注意点

生体分子実験に用いられるバッファーには，230 nmであるため，吸光度の値が 1.0 のときに一本鎖 DNA

180

DNA 濃度測定の必要性と限界付近で高い吸光度を示すものがある．DNA をバッフ■

ァーに溶かしたときは，濃度を測定する際のブラン

DNA の自動合成法が確立されて以降，100 塩基長程

ク溶液にも必ず同じバッファーを使用しよう．また，度までの DNA 合成の価格は大きく下がり，研究者

正確に吸光度が測定できるのは，測定装置によって自身で行うよりも外注する方が一般的になっている．

も値は異なるが，たとえば 0.1～1.0 の間といったよ設計した塩基配列を web 上で入力すれば数日のうちうに比較的狭い範囲である．自分が使用する装置にに DNA が届き，価格も数千円～数万円ですむ（☞

適切な値となるように，濃度をあらかじめ大まかに72）．DNA 合成会社から送られてくるデータシート

調整しておく必要がある．

やラベルには DNA 量が記載されているが，分光光先ほど述べた吸光度と DNA の換算値では，二本度計を使用して自分で測定するのが望ましい．

鎖 DNA の値（33 μg/mℓ）は一本鎖 DNA の値（50DNA ナノ構造体の作成であれば，各配列の存在量μg/mℓ）を 2 倍したものよりも小さくなっている．

のバラつきはそれほど問題にならないが，DNA 論理

これは，ランダムコイル様の一本鎖 DNA と，塩基ゲートなどでは相補配列どうしが複合体を形成するが二重らせん構造内で整然と並んだ二本鎖 DNA で，ことで，多段階の反応が勝手に進行してしまわない

UV 光に対する吸収特性が異なるためである．同量のようにデザインされているため（☞ 29），各配列を分子でも状態の変化にともなってモル吸光係数が減

正確な量比で混合するために，濃度を厳密に調整す少する現象は「淡色効果（hypochromicity）」と呼ばる必要がある．実際に測定してみると数割程度ズレれる．淡色効果による吸光度の変化を観測することた値であることもよくある．その原因を特定するこで，二本鎖 DNA の融解温度を求めることができるとは難しいが，自分の発注している会社が塩基組成（☞ 82）．

も考慮したモル吸光係数を使用しているかどうかや，発送までの各時点でどのように濃度を測定している■

DNA の純度測定のかなどを確認してみると良いだろう．

タンパクの吸収スペクトルは DNA と異なり，280

それでも，濃度測定した値をもとに DNA の量をnm 付近で極大となる．また，フェノールなどの有機

寸分の狂いもなく量り取り，正確な量比で混合して溶媒やペプチドは 230 nm 付近の光をよく吸収する．

反応を行うことは難しい．そもそも反応溶液を調整

合成会社に合成・精製してもらった DNA の測定でする際に使用するマイクロピペッターの秤量には誤は先の図のような吸収スペクトルが得られるが，生差があるし，同じ人が同じ手順で行った測定でも数体試料から DNA を抽出したときなどは，タンパク値にはバラつきが出る．自分が使用している器具やや抽出操作に使用した有機溶媒が残存していると，機器で正確に測定できる範囲や条件を把握した上で，それらの吸収スペクトルを重ね合わせたものになる．

繰り返し実験を行って再現性を確認し，その範囲内

そこで DNA の純度を評価するために，波長 260 nm

で動作や効果を実証する結果が得られるように実験の吸光度値 Abs 260 のほかに 230 nm や 280 nm の吸計画を立てることも大切である．

光度値も測定してその比を求めると良い．目安としては Abs 260/Abs 280 の値が 1.8～2.0，Abs 260/Abs 230

参考文献の値が 2.0 以上であれば純度が高いと言える．また，[1] M. Green, J. Sambrook, “Molecular Cloning: A

320 nm もしくは 350 nm における吸光度値がほぼLaboratory Manual, 4th Edition,” Cold Spring

ゼロであるかどうかも，正しく測定できているか，

Harbor Laboratory Press.

夾雑物がないかの目安として確認することをお薦めする．

小宮 健（東京工業大学）

181

78．いろいろな精製法
机上の反応式とは異なり，実際の実験で使った反応液には，未反応の出発物や副産物，また過剰の緩衝剤や塩など，様々な物質が溶けている．そこで，なんらかの反応を行った後には，これらの夾雑物を取り除き，目的物だけを純度良く回収する「精製」が欠かせない．DNA 精製によく使われる手法を紹介しよう．

DNA を精製する手法は，大きく 1. DNA の化学的性けてしまうシリカゲルベースの担体では無く，酸に質（親疎水性）を利用する，2. DNA の分子サイズをも塩基耐性のあるポリマーベースの担体を使用して利用する，の二種類に分類される．

いることだ．これにより，DNA 化学合成（☞ 45）■の最終段階にあたる濃アンモニア水による脱保護・

逆相クロマトグラフィー

DNA の化学的性質を利用して分離する手法の代表

切り出しを行った溶液をそのままカラムに流すこと

選手は，逆相カラムを利用した高速液体クロマトグができ，末端の DMTr 基の疎水性を利用して，目的

ラフィー（HPLC）だ．オクタデシル基（C18）で修物のみをトラップする．洗浄操作ののちに，今度は飾したシリカゲル（ODS）を担体としたカラムを使

酸性の溶液を通すと，DNA 末端の DMTr 基が外れ，用することが多い． C18 との相互作用の大小でサン完全に脱保護された DNA だけが回収できるようにプルが分離されるために，疎水性の強い分子ほど，なる．

カラムに保持されて，溶出時間が長くなる．親水的なものほど強く吸着するシリカゲル（順相）と反対の性質なので「逆相」というわけだ．DNA とそれ以外の分子を分けるためには最強の手法と言えるが，反面，DNA の一塩基の長さの違いなどを見分けるのは苦手だ．ゲル電気泳動と組み合わせて使用しよう．

DNA 簡易精製カラム（グレンリサーチ社ポリパック）．上のように，シリンジにとりつけて使用する．

■

ゲル電気泳動法

DNA を分子サイズで分ける手法の代表が，ゲル電気泳動法である．使うゲルの違いで，アガロースゲル
電気泳動とポリアクリルアミドゲル電気泳動の 2 種
HPLC システムの例．キーボードと LCD のがある．それぞれゲルネットワークの編み目の大き左側に見えるのが，逆相 HPLC カラム．

さが違うので，100 塩基以上の長鎖の DNA や DNA
オリガミはアガロース，短鎖の一本鎖 DNA はポリ
アクリルアミドで分けると良い．詳しくは次項にて逆相カラムを利用した DNA 専用の簡易精製カラ（☞ 79）．

ムも市販されている．これらの特長は，塩基性で溶

182

■

ゲル濾過

■

限外濾過

DNA 溶液を脱塩する目的では，ゲル濾過カラムが便

ナノメートルサイズの微細な穴の開いたメンブレン

利だ．この方法は別名サイズ排除クロマトグラ

フィルターを用いて行う濾過が，限外濾過だ．フィフィーとも呼ばれ，ゲル担体が充填されたカラムにルターは，分画分子量（これ以上の分子量の物質を目的の溶液を通すと，イオンや小分子などはゲルの通さない）が 3000 から，10 万まで様々なものが市

編み目にトラップされながらゆっくり流れてくるの販されている．有名どころは，アミコンウルトラシ

に対し，DNA などの大きな分子は編み目にトラップ

リーズ（ミリポア社#UFC500308 など）当然，自然されずにそのまま流れてくる，という原理を利用し落下では溶液はフィルターを通過しないので，遠心ている．

力を利用して，強制的に溶液を通す「スピンカラム」

ゲル担体の代表選手は Sephadex G-25（GE ヘルとして利用することが多い．

スケア社#17−0032 など）で，分子量 2500 以下の夾雑物をトラップしてくれる（すなわち，10 塩基より短い DNA は使えない）．写真のような，自然落下型の Nap-5/10 カラムや遠心チューブ型の Microspinなど（いずれも GE ヘルスケア社），さまざまなプレ
パックカラムが販売されている．

アミコンウルトラ■
Nap-5 カラム（上）と Nap-10 カラム（下）フェノール抽出，エタノール沈殿，密度勾配遠心[1]
酵素反応を行った後に，DNA 溶液から酵素などのタンパク質を取り除きたいときには，古くから使われているフェノール抽出法も有効だ．その後の脱塩は，やはり歴史のあるエタノール沈殿でもかまわないが，回収率に難点があるため，上述の脱塩法のいずれかを使うと良いだろう．スクロースなどで溶液に密度勾配をつくり，分子の比重で分離する密度勾配遠心も DNA やナノ構造体の分離に有用だ．

参考文献[1] バイオ実験イラストレイテッド①，秀潤社
Microspin G-25 カラム．右のようにセットして遠心すると，遠心力で液がカラムを通過する．

183

コラム DNA オリガミの精製
非常に大きな分子量を持つ DNA オリガミ構造体であるが，アニーリングでの形成率がいまひとつの場合は目的物のみを単離したり，過剰のス
テープル鎖を取り除きたくなることもあるだろう．その場合に最も汎用的な手法は，アガロース
ゲル電気泳動である．1×TAE/Mg2+緩衝液を泳動用の緩衝液として使うため，泳動層全体の温度コントロール（放っておくとかなり発熱する）が大変だが，うまく組めた DNA オリガミは染色すると非常にきれいなバンドになる．バンドをカミソ
リなどでゲルごと切り出して，Freeze 'N Squeeze
DNA ゲル抽出カラム（Bio-Rad 社#732-6165）などを使えば，DNA オリガミをきれいに回収できる．

DNA ペンチの 1.5%アガロースゲル電気泳動*
ステープル鎖を除くだけならば，限外濾過が簡便で良い．分画分子量 10 万のアミコンウルトラ 0.5（ミリポア社#UFC510096）を使用して遠心し，
1×TAE/Mg2+緩衝液 100 µL を加えて遠心する操作を 3 回ほど繰り返せば，ステープル鎖はきれいに取り除ける．Microspin S-400 HR を用いたゲル濾過も同様の効果が期待できるが，回収率が低いのが難点である．
その他，ストレプトアビジンコートの磁気ビーズを使った目的分子のつり上げや，密度勾配遠心なども利用できる．
*T. Yamazaki, Y. Aiba, K. Yasuda, Y. Sakai, Y.
Yamanaka, A. Kuzuya, Y. Ohya, M. Komiya,

Chem. Commun., 2012, 48, 11361–11363．

葛谷明紀（関西大学）

184

185

79．電気泳動法
電気泳動は，荷電した分子や粒子が電場の中を移動する現象である．その現象を利用した解析手法が，電気泳動法であり，特に分子生物学や生化学では DNA やタンパク質を分離する手法として必要不可欠なものである．
ここでは，について説明しよう．

■ 電気泳動の大きさで，ポリアクリルアミドゲルは低分子量，ロシアの物理学者フェルディナンド・フリードリ

アガロースゲルは高分子量用と考えて良い．たとえ

ヒ・ロイスが水中の粘土粒子で発見したのに始まる.

ば，DNAで1～700 bpの大きさにはポリアクリルア

電気泳動とは，溶液中の荷電物質が電場のもとで移ミドゲルを使用し，約500 bp以上の大きさにはアガ動する現象を言い，荷電物質とはペプチド・タンパ

ロースゲルを使用する．また，タンパク質では，数

ク質・核酸（ＤＮＡ・ＲＮＡ）など，水溶液中で正百Da～数十kDa程度ならアクリルアミドゲルで十分（＋）又は負（－）の荷電を持つ物質のことである．

だが，タンパク質の複合体などで，数百kDaを超え水溶液中では試料が拡散してしまうため，支持体とるならアガロースゲルを使用すると良い．

して膜やゲルを用い，膜やゲル中を荷電物質が移動

DNAを例にしながら，アガロースゲルの方法を紹していく．膜やゲル中の物質は，直流電場下で，形・介する．分離したいDNAのサイズに合わせて，ゲル荷電状態・分子量等に応じて自分の電荷と反対の電のアガロース濃度を調整する．目安を下に示す．

極へ向かって移動する．その際の移動速度が物質に・0.6% 1-20kb (BPB: 約1.5kb)

よって異なるために各々が分離される．また，支持・0.75% 0.8-10kb (BPB: 約1kb)

体にはアガロースゲルやポリアクリルアミドゲルが・1% 0.5-7kb (BPB: 約0.5kb)用いられるが，これらのゲルは網目状の立体構造を

・1.5% 0.2-3kb (BPB: 約0.3kb)もつので，物質に対しふるいの役割をはたす．小さ

以上から例えば，プラスミドDNAならおよそ0.75%

な物質は速く，大きな物質は遅く移動し，分子量にか1%で電気泳動を行えばよい．さらに泳動中は試料応じた分離が可能であり，適切な分子量マーカーをと混合するローディングバッファに含まれるBPB

用いることで，電気泳動によって分子量の決定も可（ブロモフェノールブルー）が流れるバンドを目安能である．ふるいをかけずに荷電状態や形状に応じにしながら電気泳動を行えばよい．

た分離方法もあり，いろいろと組み合わせてること■ ポリアクリルアミドゲル電気泳動（PAGE）[2]で試料中の各成分を分離することが出来る．
電気泳動は，この様な分離原理を利用して分子量ポリアクリルアミドゲルはモノマーのアクリルアミ

決定をはじめ等電点や純度決定，各成分の定量・精ドとN,N’-メチレンビスアクリルアミド（Bis）の重製等に利用され，タンパク質・DNA・RNAの分離・合体で，ゲル作製（重合）時に一緒に加える過硫酸分析法である．

アンモニム（APS）は重合開始剤、N,N,N',N'-テト
ラメチルエチレンジアミン（TEMED）は重合促進■ アガロースゲル電気泳動[1]剤である。モノマーのアクリルアミドは神経毒なの一般的な電気泳動に，タンパク質や核酸を分離する

で取り扱いには十分注意する必要がある．アガロー

ために使用するポリアクリルアミドゲル電気泳動とスゲル同様に分離したい試料の分子量に合わせて，

アガロースゲル電気泳動がある．ポリアクリルアミ

重合度を調整する．

ドゲルとアガロースゲルの使い分けは網目の孔（穴）186

DNAやRNAのPAGEでは，核酸分子に尿素などの変性剤を加えることで，直線状の1本鎖としてから泳動を行うことで、長さに応じて精密に分離することが出来る．変性剤を加えなければ，DNAやRNAがNativeに取る構造を保持した状態で泳動することが出来るので，DNAやRNAでデザインした構造体を形成しているか確認することが可能である．
タンパク質では，陰イオン系界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を加えて変性させ泳動する．この方法がSDS-PAGEで，核酸の場合と同様に分子量による分離が行える．さらに、正確に分子量で分離するために，タンパク質試料に還元剤である2-メルカプトエタノールを加えて煮沸し、S-S結合（ジスルフィド結合）を切断してから電気泳動を行う．また，核酸の場合と同様に，未変性のまま泳動するNative-PAGEがあり，タンパク質の等電点、分子量，高次構造や複合体形成の影響で泳動が変化す
る．目的のタンパク質のバンドがどこに出るか予測するのは難しく，塩基性のタンパク質は陰極側に泳動してしまうので注意が必要である．さらには，タンパク質の等電点を利用して，分離する等電点電気泳動を1次元目に，SDS-PAGEを2次元目に利用することで，血清中などの多種のタンパク質から目的の試料を探し出す，二次元電気泳動などもある．
■ まとめ
以上，電気泳動法を紹介したが，実際に実験を行う
際には，参考文献として記載した書籍などを利用して行うことをお勧めする．

参考文献[1] 中山広樹，西方敬人，バイオ実験イラストレイテッド②遺伝子解析の基礎，秀潤社[2] 大藤道衛，電気泳動なるほど Q＆A，羊土社

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

187

80. 電気泳動の評価
電気泳動により分子をゲル中で分離しただけでは，結果を観察することはできない．インターカレータで染色した DNA や蛍光修飾した DNA を観察することで，ゲル中の位置を特定し，構造の確認や，反応効率・速度などの情報を得ることができる．ゲルの染色・観察・定量方法について簡単に解説する．

■

色する．染色時間や方法には様々な流儀があると思染色剤の調製電気泳動(☞ 79)を行ったゲル中のどの位置に DNA

われるが，東北大学では 20 分程度振とうしている．

分子が存在するか調べる方法として，一般的に染色

アガロースゲル電気泳動では，ゲルの作製時に染色が行われる[1,2]．DNA の染色には，DNA 特異的に剤を混ぜておく「先染め」という手法があり，その結合し，結合した場合にのみ蛍光が強くなる分子を場合は追加の染色操作は不要である．

用いる．蛍光を示すのは塩基の間に挟まる(インター

染色したゲルは UV トランスイルミネータや専用

カレートする)ためである．

の装置で観察する．例えば，図 1 の強度を変更でき

DNA の染色には臭化エチジウム(EtBr)が頻繁にる UV トランスイルミネータや BIO-RAD 社の用いられてきたが，現在では様々な商品が発売されChemiDoc などがある．ゲルを壊さないように注意ているため，目的に応じた染色剤を用いる．染色す

して，装置内に染色後のゲルを置く．

る目的は様々な観点から分類できる．例えば，励起・どちらの装置でもカメラにより蛍光を撮影し，蛍光波長が挙げられる．Gel Green と Gel Red と呼DNA の位置を特定する．UV トランスイルミネータ

ばれる染色剤は，名前の通り蛍光波長が異なる．

では装置の下から UV を照射し，染色剤を励起して，別な観点として，二本鎖だけを染色するか，一本その蛍光を撮影する．ChemiDoc では UV の他に青鎖も染色するかの違いがある．SYBR Green I と呼色と緑色の LED がついており，励起光・蛍光の波長

ばれる染色剤は二本鎖の検出に用いられるが，SYBRに合わせて設定を変更できる．

Gold は一本鎖，二本鎖の両方に使うことができる．

観察の際には露光時間が重要なパラメータとなる．

東北大学では，特に条件がない場合，SYBR GOLD

露光時間を上げることで感度良くデータを得られるで染色を行っている．

が，その分バックグラウンドが大きくなる．また感度を上げすぎると，撮影した蛍光がサチってしまい，

これらの染色剤は購入した時点では 10000×の高定量性が失われてしまうので注意する．

濃度になっている．まずは小さいタッパーなどに，
以下のような組成で希釈する．
1×SYBR GOLD
10000× SYBR GOLD：10μL
超純水(mQ)：100mL

臭化エチジウムを始めとする染色剤は，発癌性のある危険物と考えられており，手袋をするなど扱いには十分に気を付ける．
■

図 1 トランスイルミネータと ChemiDoc

染色および観察(東北大学で使用している装置)

完成した染色液に，泳動後のゲルを浸し DNA を染

188

■

蛍光を直接観察上部の BIOMOD2014 仙台チームの電気泳動結果[3]

染色剤による DNA の標識方法について解説したが，で，一番左と一番右のレーンを比べると，

実験によっては特定の分子の位置だけを調べたい場

TransducerA の位置のバンドが OutputA という位合がある．その場合は染色を行わず，その特定の分置に移動している．下の表に書かれている通り，異子をあらかじめ蛍光標識(修飾)しておく手法を用いなるレーンは異なる反応時間に対応するので，蛍光る．UV で励起される蛍光を選ぶと，染色を行わずに標識した DNA が時間の経過により構造変化したこ

UV トランスイルミネータで，その分子の存在位置をとが分かる．

特定することができる．この手法では，蛍光を観察

バンドの蛍光強度から定量的な情報を得ることがした後にさらに染色を行い二回目の観察を行うことできる．具体的には反応前と反応後のバンドの輝度で，通常の電気泳動よりも多くの情報が得られる利を比較し，何%反応したか評価可能である．ただし点がある．

染色剤を使った場合，バンドの蛍光量は主にヌクレ■

オチドの量に比例することに注意する．

実験上の注意点

UV トランスイルミネータでゲルを観察する際には，蛍光標識した場合は，輝度がそのまま分子の濃度

ゲルの向きに注意する．複数の UV 管が入っているに比例すると考えて良い．先ほどの TransducerA とと，UV 管によって励起光の強さにムラができる．

OutputA の総和に対する OutputA の比を求め，反UV 管をまたぐと，定量的な評価を行うことができな

応割合をグラフ化したものが図 2 下部である．B,C

い場合がある．

についても同様である．時間の変化に伴い，OutputC，A，B の順に濃度が増加していることが分かる

電気泳動の目的が精製(☞ 78)であれば，目的の産物を切り出して，精製のプロセスに進む．観察を終このように電気泳動の結果から，構造物の確認だ

えたゲルはラップに包み，所属機関の定める方法でけでなく，反応速度や効率を定量することができる．

処分する．ゲルをのせてあったトランスイルミネー
タなどの装置は，次回以降の観察でノイズが写らないように，アルコールとキムワイプできれいに拭く．
染色液は 3 回程度使用すると染色能力が低下するので，その都度新しいものを準備する．廃液となった染色液はそのまま流しに排水してはいけない．こちらも所属機関の定める方法で処分する．例えばだが，一定期間タンクに蓄積し，最終的にエチブロデ
ストロイヤーという商品で分解・処分する方法がある．
■

ゲルの観察結果の定量化

ゲルを観察して得られた画像には，DNA が存在する

図 2 ゲル画像と定量化[3]位置を示すバンドが見られる．そのバンドの情報か
ら実験結果の評価を行う．単純な評価方法の一つは，
参考文献

バンド位置の変化を見ることである．泳動度は分子[1] 平尾一郎, 胡桃坂仁志: “拡散実験の原理とプロトコール”, 羊土社[2] 中山広樹, 西方敬人: “バイオ実験イラストレイテッド②遺伝子解析の基礎”, 秀潤社[3] http://teamsendai2014.github.io/index.htmlの大きさや電荷によって変わるので，ある位置にあったバンドが，別な条件で異なる位置に移動している場合は，構造に変化があったと言える．例えば図 2

川又生吹（東北大学）

189

81．蛍光分光光度計
物質が光を受け，受けた光より長い波長（低いエネルギー）の光を放出する現象のことを蛍光という．蛍光分
光光度計は，遺伝子発現，生体分子間の蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）などに最適な装置である．ここでは，蛍光の原理と FRET について説明する．

■ 発光とは？[1]物質には，エネルギーを吸収するとそのエネルギーを光で放出（発光）する，これをルミネッセンスと言う． ルミネッセンスは様々な種類があり， 蛍光
は，光（紫外・可視光）のエネルギーを吸収し発光

図 2．FRET

するフォトルミネッセンスの一種である．光は E＝■ 励起スペクトルと蛍光スペクトルの測定

hν（E:エネルギー、h:プランク定数、ν：振動数）で励起スペクトルは検出する蛍光波長を固定し，励起表される．光が物質にあたるとき，光の持つエネル
ギーが物質に吸収される．エネルギーの吸収により，光の波長を走査して蛍光強度を測定する． 最も強い蛍光強度を与える波長が，最適励起波長である． 励

安定なエネルギー状態（基底状態）にあった物質は，

起スペクトルは，試料の吸収スペクトルと一致し，一時的に高いエネルギー状態（励起状態）になる．

吸収極大波長で最も強い蛍光を生じる．

この時，物質は安定な基底状態に戻ろうとしてエネルギーを放出する．差分のエネルギーを熱ではなく，蛍光スペクトルは，励起光の波長を固定して，蛍光強度を測定する． 励起波長の違いによって，蛍光光として放出する現象を発光という（図 1）．

スペクトルの形状が変化することがないため，固定する励起波長は，最も強い蛍光を生じる最適励起波■ 蛍光とりん光長を使用する． 蛍光スペクトルのピークは吸収スペ

光刺激による発光には，蛍光とりん光がある． 蛍光
では，吸収したエネルギーの一部は熱として放出し，残りのエネルギーを光として放出する．りん光の場

クトルのピークよりも長波長側にあらわれる．
■ FRET
蛍光共鳴エネルギー移動（Fluorescence resonance合も同様に熱を放出する．この際，項間交差が起こ

energy transfer：FRET）とは，近接した 2 個の色り，すぐに基底状態に戻れず，ゆっくりと発光し続素分子の間で励起エネルギーが，直接移動する現象

ける現象がりん光である．蛍光はナノ秒オーダー，である．このため，一方の分子（供与体）で吸収さりん光はマイクロ-ミリ秒オーダーで発光する．

れた光のエネルギーによって他方の分子（受容体）にエネルギーが移動し，受容体が蛍光分子の場合は受容体から蛍光が放射される．FRET の観察手段の 1
つとして，供与体の吸収スペクトルに相当する光で供与体を励起し，受容体から放射される蛍光強度の増加を検出する方法がある．

参考文献[1] 日本分光 HP より

図 1．発光のメカニズム森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

190

191

82. UV 分光光度計
DNA が二重らせんを形成する過程を分子のスケールで直接観察することは難しい．DNA が二重らせんを形成したかどうかは，紫外線の吸収を測定することによって間接的に観察する．UV 分光光度計を使った融解曲線の測定と，融解温度の求め方，実験上の注意点などについて解説する．

■

260nm の紫外線を吸収する DNAに示す組成でサンプルを調製し，測定を行う．

DNA が水素結合により二重らせんを形成する過程

25μM DNA サンプル

(ハイブリダイゼーション☞ 41)は，DNA ナノテク

DNA1 (100μM)：5μL

ノロジー(☞ 17)の根幹をなすものであり，その性質

DNA2 (100μM)：5μL

を理解することは新しい構造やシステムを作る上で10×バッファー：2μL

必要不可欠である．しかしながら DNA はナノスケ

超純水(mQ)：8μL

ールの分子であり，光学顕微鏡によって直接ハイブ

DNA1 と DNA2 はハイブリダイゼーションさせる互

リダイゼーションを観察することはできない．

いに相補な DNA である．キャピラリーセルの場合はそこで紫外光の吸収を測定し，間接的に DNA の10μL もあれば十分であるが，30 塩基程度の短い存在を調べる方法を用いる．DNA の濃度や純度の測DNA だと 25μM と高濃度の DNA が必要である．

定に用いられる手法と基本は同じである(☞ 77)．

低い濃度で測定する場合は，別なセルを使用する．

DNA は 260nm の波長の光を吸収するが，一本鎖と使い捨てでないセルは，超純水で良く洗浄し，側面

二本鎖でその程度に変化がある(淡色効果)．温度を変および内部をエアダスターで乾かす．濃度が変化し化させた時の吸光度の変化を測定することで，融解ないように，余分な水滴を残さないように注意する．

温度(Tm)を求めることができる．安定に二重らせん■を形成する温度や，一本鎖に解離する温度の指標に

DNA の入ったサンプルを測定する前に，ブランクとする．

して 1×バッファーだけを測定する．試料にキャピ■

ラリーの先端を漬けると，毛細管現象によりセルの

セルとサンプルの準備

ブランクの測定

石英など紫外線を透過するセル(キュベット)の中にサンプルを入れて吸光度を測定する．加熱と冷却を行えるセルであることに注意する．マイクロセル，8連マイクロセルや，キャピラリーセルなどの様々な種類があり，用途に合わせて選ぶ．
セルの選択においては，光路長，サンプル濃度と量のバランスが重要である．光路長は通常 10mm であるが，キャピラリーセルでは 0.5mm である．光路

図 1 キャピラリーセルと UV 分光装置

長が長いと必要なサンプル量が多くなる代わりに，(東北大学で使用している装置)

SN 比が良い．逆に光路長が短いと，SN 比が悪い代
わりに，少量のサンプルで測定が可能である．例え

内部が液体で満たされる．専用のアダプターに入れ，ば，小さい濃度で測定する場合は長い光路長，大き測定装置にセットし吸光度を測定する．キャピラリ

い濃度で測定する場合は短い光路長のセルを選ぶ．

ーセルと分光光度計の装置の一例を図 1 に示す．光

東北大学では使い捨てのキャピラリーセルで，次路が汚れると正しく測定できないので，光路上のガラスや石英に触れないように注意する．

192

装置の種類によっては光源強度の変化を補正する■

融解温度と融解曲線の正規化ためにダブルビーム方式を採用している．長時間に得られた融解曲線から融解温度を求める．単純な方わたって測定し，データを比較する場合は，リファ法としては，吸光度の最も大きい値と小さい値の平レンス側にバッファーを入れたセルをセットする．

均値を算出し，その値になる温度を Tm とする．

■

サンプルの測定

より正確な方法として，データを 0 と 1 の間で正ブランクの測定が終わると，いよいよサンプルの測規化し，さらに温度が低い領域と温度が高い領域が定を行う．同様にサンプルを入れたセルを装置にセ直線になるように補正を行う[1]．図のように温度 Tットする．温度を上げた状態から徐々に温度を下げを変数として，データを A(T)，近似した直線を U(T)る．例えば 90℃から始めて 20℃まで，1 分あたりと L(T)とすると，補正式は以下のようになる．

𝐴(𝑇) − 𝐿(𝑇)
𝑈(𝑇) − 𝐿(𝑇)

0.7℃下げるプロファイルで実験する．Tm が予想できている場合は開始と終了の温度を変えても良い．
例として ATTGGATACAAA とその相補鎖の Tm

補正を行ったグラフが図 2 の下側である．一本鎖とを求める．測定が終了すると，図 2 上部のような横二本鎖が半々である 0.5 となる温度を読み取り，Tm

軸が温度，縦軸が 260nm の吸光度である融解曲線がと す る ． 図 の 場 合 は お よ そ 50.5 ℃ で あ る ．

得られる．結合時と解離時で融解温度が異なるサン

Nearest-Neighbor モデルに基づいて求まる理論値

プルについては，逆に温度が低い状態から温度を上

53.6℃に近い(☞ 41)．

げ，融解曲線を 2 回測定することもある．厳密な定■義に従えば，融解温度は二本鎖が解離するときの温一本鎖と二本鎖の区別には，260nm の紫外光の吸収度なので，後者の曲線から求めた融解温度が正しい

が淡色効果により変化することを用いてきた．別な

Tm となる．一方前者から求めた値は形成温度 Tf と方法として，SYBR Green と呼ばれる二本鎖にイン呼ぶ．

ターカレートして蛍光を示す染色剤(☞ 81)を用いる

紫外分光以外の方法手法がある．蛍光の観察により一本鎖と二本鎖の区別ができ，やはり融解曲線を得ることができる．
いずれの方法でもあらゆる二重らせんの解離を測定してしまい，特定の位置にある特定の DNA の解離を定量することは不可能である．そこで用いられるのが，FRET である(☞51)．特定の DNA に蛍光分子を修飾し，構造が形成した状態で空間的に近い位置にある DNA に消光分子を修飾する．例えば DNA
オリガミ(☞18,19)において，場所によってどれくら
い解離しやすいかを定量することができる[2]．
参考文献[1] 小宮健, 瀧ノ上正浩, 田中文昭, 浜田省吾, 村田智:“DNA ノエンジニアリング”, 近代科学社[2] Xixi Wei, Jeanette Nangreave, Shuoxing Jiang, Hao
Yan, Yan Liu: "Mapping the Thermal Behavior of DNA
Origami Nanostructures", Journal of the American
Chemical Society, 135, 6165--6176, 2013

Tm

図 2 融解曲線 (正規化前と後)

川又生吹（東北大学）

193

83. 光学顕微鏡
肉眼で見える最小の大きさは髪の毛の太さ(およそ 0.1 mm)程度である．これ以下のものを見るために開発されたものが顕微鏡である．光学顕微鏡は可視光線を利用した顕微鏡であり，レンズにより物体を数十倍から1500 倍に拡大し，およそ 0.2 µm くらいの大きさまでの物体を観察することができる．現在では位相差顕微鏡
や蛍光顕微鏡，全反射顕微鏡などが多くの技術が開発されている．

■ 光学顕微鏡の構成(n : 標本と対物レンズの間の媒質の屈折率，顕微鏡は凸レンズを二枚組み合わせて標本を拡大

θ : 標本のある一点から対物レンズに入射する

し，観察する装置である．標本に近い凸レンズを

光の，光軸に対する最大角度)

対物レンズとよび，これは標本を 1~100 倍くらい

4. 分解能まで拡大して実像を作る．もう一方のレンズを接分解能は「ごくわずかに離れた２つの点を２つ眼レンズとよび，対物レンズによってつくられたとして見分けうる最小間隔」として定義される．

実像をさらに 8~15 倍まで拡大して虚像を作る．

この値が小さいほど光学顕微鏡は高分解能というそしてこの虚像が網膜に映る．光学顕微鏡はこのことになる．分解能が不十分だと標本がぼやけてほかに標本を照明するための光学系とそれらを支しまい正しい観察が出来なくなってしまう．分解え能力を発揮させるための機械系から構成される．

能∆𝑅 は以下の式で表わすことができる．

■∆𝑅 = 0.61λ⁄NA (λ:光の波長 NA: 開口数)

光学系の特徴と性能

分解能は光の波長と対物レンズの開口数によって1. 倍率決定される．

顕微鏡では対物レンズで拡大された像をさらに

5. 焦点深度

接眼レンズで拡大するため，顕微鏡の総合倍率 M

顕微鏡で標本を観察した場合に上下方向に一定は以下の式で表わさすことができる．

の範囲だけピントがあう．この範囲のことを焦点

M = 𝑀𝑜 × 𝑀𝑒

深度と呼ぶ．一般的に開口数や総合倍率が高いほ(𝑀𝑜 ：対物レンズの倍率 𝑀𝑒 ：接眼レンズの倍率)

ど焦点深度は浅くなる．

2. 実視野6. 像の明るさ

接眼レンズで観察できる視野(実視野)が，標本

標本の明るさは光源の明るさだけでなく総合倍面上でどれくらいの大きさにあたるかを実視野

率，開口数にも影響をうける．顕微鏡では開口数と呼び，以下の式で表わすことができる．

は大きいほど，総合倍率は低いほど像が明るくな

実視野 = 視野数⁄対物レンズの倍率

る．

3. 開口数

開口数は通常 NA とも呼ばれ，対物レンズが光■

光学顕微鏡の種類を集められる範囲を指す．開口数はレンズによっ

1. 形式による分類て 0.1～1.6 程度の値をとる．レンズが同じ倍率で(1) 正立顕微鏡：標本の上方から観察する顕微鏡．

あれば，開口数が大きいほど明るさや分解能の点

プレパラート標本を観察する場合に用いられるこで優れている．開口数は以下の式で表すことがで

とが多い．

きる．

(2) 倒立顕微鏡：標本の下方から観察する顕微鏡．
開口数(NA) = n × sin 𝜃

シャーレに入った培養標本などを観察する場合に194

用いられることが多い．

ない高感度(高S/N)な蛍光観察を行うことができ

2. 照明方法による分類

る．

(1) 透過照明法：標本を透過してきた照明光を観察する顕微鏡

参考文献(2) 反射照明法：照明光が試料にあたって反射し顕微鏡の使い方ノート洋土社 2011てきた光を観察する

オリンパス 顕微鏡を学ぶ
http://bioimaging.jp/learn/cat006/■

いろいろな観察法

1. 明視野観察もっとも一般的な観察方法で目的に応じた染色を施された標本を観察するものである．病理検査
や血液検査など広く用いられる．
2. 位相差観察
観察対象の明暗をコントラストで観察できるよ
うにした方法で対象を生きたまま観察することができる．位相差顕微鏡は位相差の小さな物体の検出に優れており，およそλ/100～λ/2 程度の小さな位相差のある微細構造の観察に適していると言われている．
3. 微分干渉観察
偏光を利用してわずかに離れた光をつくり，２
つの光を干渉させて無色透明の物体を立体的に見えるようにした観察方法．
4. 蛍光観察
特殊な染色を施した標本に光を当てると標本から蛍光が発せられる．これを観察するのが蛍光顕微鏡であり，ある特定の部位のみを抽出して観察することができる．
5. 暗視野観察
特殊なコンデンサーを使用し対物レンズには直接照明光を入れずに標本からの散乱光のみが観察できるようにした顕微鏡である．実際には顕微鏡の分解能よりも小さいものまで確認ができるため微生物の研究などに用いられている．
6. 全反射蛍光顕微鏡
蛍光顕微鏡をさらに発展させた観察手法であり，カバーガラス表面から数100 ㎚程度の局所励起が可能となるため，バックグラウンドのきわめて少195

鈴木隆平，角五 彰（北海道大学）

84．原子間力顕微鏡
20 世紀の終わりに DNA ナノテクノロジーという研究分野が注目を浴びるきっかけとなった立役者として，原子間力顕微鏡（AFM）を忘れるわけにはいかないだろう．DX タイルの二次元シート，そして DNA オリガミ
スマイリーの AFM 像は，それだけ世界に衝撃を与えたのだ．

■

走査型プローブ顕微鏡（SPM）

である．

DNA ナノテクノロジーで欠かせない AFM は，広くカンチレバーは一般的に，半導体加工技術で作成

走査型プローブ顕微鏡（SPM）の一つに分類される．

された数ミリメートル各の小さなチップである．本

SPM とは，測定対象と様々な相互作用する微細な探体から突き出た長さ 100 µm 程度のレバーの先に，

針（プローブ）を，走査（スキャン）しながら物質

先端の直径が 10 nm よりも細い､ピラミッド型もしの微細構造を測定する顕微鏡である．SPM には，探くは円錐型の非常に微細な針が形成されている．こ針と測定対象との間の電気的な相互作用を利用するの針の先端部と測定対象の表面との相互作用によっ

走査型トンネル顕微鏡（STM），光学的な相互作用をて生じるカンチレバーの微細なたわみを検出するこ

利用する近接場光顕微鏡（NSOM）などがあり，AFMとで，装置は探針と試料表面との距離をはかるのだ．

はその名の通り，測定対象との原子間力を利用して，カンチレバーを取り付けるカンチレバーホルダー

試料の表面形状を測定する顕微鏡だ．原子間力とは，の下に通常配置されているのがスキャナーで，測定

静電相互作用やファンデルワールス相互作用など，

したいサンプルはスキャナーの頭部に取り付けられ原子や分子の間で働く相互作用をひっくるめた表現

ることが多い．測定の際には，このスキャナーが前である．

後左右，さらに上下に小刻みに振動することで，カAFM は多くのメーカーから市販されており， 特ンチレバーがサンプル表面を「走査（スキャン）」すに Bruker 社の Multimode 8 や Dimension，アサイ

る．スキャナーには x 軸，y 軸（前後左右）と z 軸

ラム社の Cypher，RIBM 社の NanoExplorer などは，

（上下）の動きを生み出すための圧電素子（ピエゾ）

DNA ナノ構造体の観察実績が豊富だ．

がとりつけられており，コントローラーからの電気信号により，厳密に動きが制御されている．ナノメ
ートルの精度で動作するようにできているため，ス
キャナーは非常にデリケートな部品である．大事に取り扱おう．
スキャナーとは逆に，通常カンチレバーホルダーの上部に配置されているのが，光てこ式変異検出装置である．この部品は，レーザー光源とミラー，さらに４分割フォトダイオードからなっている．
「光てこ」という名前は，カンチレバーの微細なたわみを■

Bruker 社製 Multimode 8/Nanoscope V

レーザー光を使って拡大して検知するしくみに由来

測定原理

する．手の指でキツネやハトの影絵をつくるところ

機種にもよるが，AFM の主要な構成要素は，を想像してもらいたい．光源から手までの距離より

1. カンチレバー（探針，プローブ）， 2. スキャナー，

も，手から壁までの距離を大きくすれば，影絵を自3. 光てこ式変異検出装置，4. コントローラー

由に拡大できるだろう．同じように，カンチレバー

196

にレーザー光を当てて，反射してくる光があたる位990065）．まず小さく切ったマイカを，ホットメル

置を遠くで観察すれば，カンチレバーのたわみが非トグルーや耐水性の両面テープ，あるいはマニキュ

常に小さかったとしても，反射光の変位はかなり大アなどでサンプルホルダーに接着する．マイカの表

きくなる．４分割フォトダイオードはこの変位を検面にセロハンテープを貼り付け，これをゆっくりひ出するために使われる．当初は反射光がフォトダイ

きはがすと，マイカの最上層のみを引きはがすこと

オードの中央にあたるように，すなわちフォトダイができる．これが「劈開」という操作で，新しく現オ ー ド を ４ 分 割 し た 上 下 （ vertical ） と 左 右れた面は，AFM で見ても非常に均一，かつ清浄だ．

（horizontal）で光の検出強度の差がなるべく小さく絶対に触らないように注意．

なるように，ミラーなどを使って反射位置を調整し

2. DNA ナノ構造体の吸着ておく（この作業を laser alignment という）．試料

DNA オリガミをはじめとする DNA ナノ構造体は表面と探針が近づいてカンチレバーがたわむと，フ一般的に，リン酸ジエステル結合の負電荷を中和でォトダイオードにあたる反射光の位置が中央からずきる Mg2+を含んだ溶液で形成される．実は，DNAれる．結果として，フォトダイオードの上下もしく

ナノ構造体のマイカへの吸着は，単にこの溶液をマは左右の検出強度の差が大きくなり，その程度から，イカに滴下するだけで良い．マイカの表面はやはり電気信号を受けたコントローラーがカンチレバーの負電荷を帯びており，溶液に含まれる Mg2+は DNA

たわみを見積もれるのだ．

ナノ構造体の負電荷とマイカ表面の負電荷を同時にコントローラーは，この光てこ式変異検出装置か中和するとともに，両者を橋かけしてくれる．そのらの信号を元に，探針と試料表面の距離をなるべく吸着力は，AFM の探針で叩いてもちょっとやそっと一定距離に保つよう，スキャナーの z 軸ピエゾに信では剥がれないほど強い．
乾燥状態では変型しやすい DNA ナノ構造体の号を送って試料の高さを調節する．このときの高さ

AFM 測定は，液中で行うことが望ましい．ここで使情報が，まさに AFM 像そのものになるのだ．

う溶液にも Mg2+が必須であることに注意．通常は，

DNA などの柔らかい生体材料をイメージングする場合には，さらにカンチレバーも細かく振動させ構造体を作ったときの緩衝液をそのまま使う．

て試料表面をトントン叩いていく，タッピングモー

3. カンチレバーのセットとレーザーあわせド（ダイナミックモードともいう）で測定すること

ピンセットなどで慎重にカンチレバーをホルダーが多い（これに対して，カンチレバーを動かさずににセットし，装置にとりつける．フォトダイオード

測定する系をコンタクトモードという）．

の信号を見ながら，レーザーの位置を合わせる．機■種によっては，このあとカンチレバーの共振周波数

測定手順

それでは実際に DNA ナノ構造体を AFM で観察するあわせなどをする．

手順を説明しよう．ただし，製造メーカーによって

4. サンプルのセットとアプローチ

パラメーターの名称がバラバラであるなど，機種にサンプルホルダーをスキャナーにとりつけ，スキ

よって AFM の細かい操作法は異なるため，本稿でャナーの高さを調整して，試料表面近傍までカンチ

はおおまかな測定の流れだけを説明する．

レバーを近づける（アプローチ）．

1. マイカ（雲母）の劈開

5. 測定したい位置に微調整してスキャン開始！

通常，DNA ナノ構造体は，層状構造をしていて，非常に平らな表面を提供できるマイカ（雲母）に吸参考文献

着させて測定する．マイカは例えば，ニラコ社[1] 「ナノテクのための物理入門」ナノテクノロジー（https://nilaco.jp/）から購入できる（天然マイカ ＃入門シリーズ III，日本表面科学会編，共立出版

葛谷明紀（関西大学）

197

85．電子顕微鏡
DNA ナノ構造は通常の光学顕微鏡の分解能以下のサイズである場合が多いので，微細な構造を観察する際には電子顕微鏡が用いられる場合が多い．

■

電子顕微鏡についてしながら観察する．その際，導電性でない試料は帯光学顕微鏡では主に可視光をあて，像を得ているが，

電(charge up)が問題となる場合があるので，金等の電子顕微鏡(電顕)では，電子線を試料にあてる．像の薄膜を蒸着してから観察する場合も多い．

分解能は基本的には用いる電磁波の波長によるので，非常に短い波長を持つ電子線を用いる電顕では，分■解能が高くなる．例えば，TEM において加速電圧がTEM の場合は，グリッドと呼ばれる多数の孔が開い300KV の時の電子線の波長は 0.00197nm であり，た金属板の上に試料を載せる．具体的には，グリッ

観察方法

光学顕微鏡で用られる可視光(400～800nm)と比べドの孔にプラスチックの薄膜を張り，炭素で補強(カると非常に短いことが分かる．また，光学顕微鏡でーボン蒸着)した物の上に試料を載せる．加工済みグはガラスでできたレンズを用いるが，ガラスは電子

リッドは市販されているので，基本的には，サンプ

線を通さないので，電顕では，磁場(コイル)を使ってルを載せるだけで良い．

電子線を操作する．このため，安定した電子線を作

SEM の場合は導電性の板の上に試料を貼り付けて観るための高性能電源や，顕微鏡内を真空に保つ機構

察する．貼り付ける際は，カーボン両面テープ，銅が必要となり，光学顕微鏡と比較すると大きな筐体

薄膜粘着テープ等を用いる．

となる(特に TEM．SEM は卓上型も開発されている)．
最初の電顕は 1931 年にドイツのエルンスト・ルスカ■ ネガティブ染色等によって開発された．日本では 1940 年に大阪大学

生物は主に，水素(H)，炭素(C)，窒素(N)，酸素(O)の菅田榮治によって最初に作られた．

等の軽い元素でできているので，電子が散乱されにくく，透過しやすい．このため，コントラストがつ■

透過型電子顕微鏡(TEM)

透過型電子顕微鏡かないので，元素が大きく電子が散乱しやすい重金属で染色して，コントラストをつける．

(Transmission Electron

Microscope; TEM)は電子線を観察対象に照射し，透ネガティブ染色では，その名の通り，試料そのもの過してきた電子を，蛍光板やフィルム，CCD(CMOS)

ではなく，試料の周辺を染め，コントラストをつけカメラで撮影する．できるだけ薄い試料の方が，観る．具体的には，グリッドに載っている試料に重金察したい部分のみを観察できるので，細胞等は切片

属溶液を加え，しばらく待った後に余分な染色液をに切って，観察する．

吸い取ると，重金属が，試料と支持膜との間や，凹凸した試料の凹部に残留する．これらの重金属は電■子を散乱し，この部分が影のように見える．一方，走査型電子顕微鏡(SEM)

走査型電子顕微鏡 (Scanning Electron Microscope;

生物試料は電子が透過するので，影の縁取りの中にSEM)も TEM 同様に電子線を観察対象に照射するが，試料が明るく浮き上がって見え，ネガフィルムのよ

透過電子線ではなく，反射してきた電子や二次電子

うに逆のコントラストに試料が染色されて見える．

を観察する．観察の際は，電子線を全面に照射する固定や包埋などの前処理が不要で，簡単に観察できのではなく，試料の一部分を少しずつ走査(スキャン)るので，DNA ナノ構造の観察では良く用いられる．

198

■ クライオ電子顕微鏡

コラム 生きた生物を電子顕微鏡で観察する

試料を凍らせて観察する手法であり，TEM と低温

電顕は真空下で観察するので，水分等が蒸発し，(-160～-270 度)のまま試料を観察する設備を備えて生きた生物を観察できないとされてきた．しかし，いる．

近年，界面活性剤をナノスーツとする事で，動い

通常の TEM 観察では，試料を染色するため，構造がている昆虫の観察が可能となった．

壊れてしまったりするが(例えば，上述のネガティブ

生物の表面を観察する SEM は高真空(10^-5～染色では，試料を乾燥させて観察する際に構造が壊10^-7 Pa)が必要である．近年は真空度を下げる事れやすい)，クライオ電顕では，瞬間的に試料を凍らで(10-10^-2 Pa)，特殊な生物は観察が可能となっせるので，試料へのダメージが少ない．実際の作業てきたが，分解能も悪く，なかなか実用に耐えなでは，試料をグリッドに載せた後，余分な溶液を吸かった．また，クマムシのように特殊な乾燥状態

い取った後，液体エタン(-180℃）等で急速凍結する．

になる事で，様々な極限環境に耐えられる生物も急速に凍結させる事で，凍結過程での氷の結晶成長

いるが，動いている様子を観察する事はできなかによる，試料へのダメージを抑える．凍結した試料った．浜松医大の針山孝彦教授のグループは界面は液体窒素(-180 度)や液体ヘリウム(-270 度)を用いて活性剤(tween 20)を昆虫(蚊の幼虫やハムシ)にま凍った状態を保ったまま，電顕の試料室に移し観察

ぶし，プラズマ処理を施す事で，60 分以上，生きする．

たままの状態で観察する事に成功した．また，観クライオ電顕では，試料の損傷を避ける為に，弱い察後に取り出して飼育すると，成虫になった事か

電子線を照射する一方，多数の画像を取得し，平均ら，ダメージも少ない事がわかった．これは，～像を得ることで SN の良い画像を得る．その際は，2100nm の厚さの薄膜が表面を覆うことで，ガスや次元画像から 3 次元画像を再構成するが，複数の方

水分の蒸発が防がれているからと考えられる．

法がある．

現在の所，ナノスーツは昆虫(気門と呼ばれる器

ここでは，DNA ナノ構造で用いられる単粒子解析の官で呼吸をしており，しばらく呼吸をしなくても方法を取り上げる．他に螺旋対称性を利用した方法，

生きていられる)にしか適用が成功していないが，2 次元結晶を利用した方法等がある．

将来は，動物にも適用できるようになるかもしれ単粒子解析では，歴史的にはリボソーム等の構造解

ない．

析に用いられてきた方法で，分子が全て同じ形をしている仮定し，非常に多数の分子の平均像から再構

原著論文では，生命の起源についても議論されており，興味があれば，どうぞ !

成する方法である．その際，氷の中に凍結されている分子が様々な方向を向いており，2 次元の画像の中

Takakua Y et al., A thin polymer membrane,に，様々な方向から射影された分子構造が写っていnano-suit,

る事を仮定している．別のアプローチに分子を似た

continuum between air and high vacuum.

ような形をしたもの同士で分類し，平均像を得る，

PNAS.

単粒子解析の方法もある．

10.1073/pnas.1221341110.

enhancingsurvival

across2013;7;110(19):7631-5.

the
doi:

参考文献
[1] 医 学 ・ 生 物 学 電 子 顕 微 鏡 観 察 法 , 丸 善(1982/01) ; 日 本 電 子 顕 微 鏡 学 会 関 東 支 部 編
ISBN-13: 978-4621026465

多田隈尚史（京都大学）

199

86．微粒子測定
本稿では，①微粒子の粒径分布をブラウン運動の原理で測定する「動的光散乱法」，および②粒子がもつ電荷を電気泳動の原理で測定するゼータ電位測定法について，概説する．

■ 微粒子測定の概要

径 d，溶媒の粘度ηに依存する．アインシュタイン・

微粒子とは文字通り，目に見えない小さな粒子のこストークスの理論によると，直径 2r の球状粒子の場とであるが，界面活性剤が形成するミセルや，糸ま合，ブラウン運動の速さを示す拡散係数 D はり状の高分子，ナノロッド，DNA オリガミ，細胞，ウイルスなども微粒子と見なすことができる．それ

𝑘𝑇

𝐷=

(1)

3𝜋𝜂(2𝑟)らは分析，機能素材，ドラッグデリバリーなど多くとなる．ただし，k はボルツマン定数である．したの場面で登場する．微粒子を合成したり，何かの用がって，ブラウン運動の様子を観察して拡散係数 D

途に用いたりする場合，それが意図した通りの微粒を計測できれば，(1)式から粒子の直径２r を求める子であるかを確かめる必要がある．

ことが出来る．この式は，球状粒子にしか当てはま

微粒子を特徴付ける要素としては，形状，粒径，らないはずだが，不定形の粒子であってもこの式で粒径分布，表面電位，比表面積，化学組成，結晶構

解析し，ｒを求めることが出来る．このように求め造などが考えられるが，本稿では，溶媒に分散した

たｒは流体力学的半径と呼ばれる．

微粒子を対象として，その粒径分布を測定する動的動的光散乱では，ブラウン運動の解析をするとは光散乱法および，粒子がもつ電荷を測定するゼータ

言え，粒子１つ１つの運動を観察するのではない．

電位測定法について概説する．微粒子の情報を得る

粒子にレーザー光を照射すると，その光は粒子に散方法には他にも，X 線小角散乱，静的光散乱，各種乱される．散乱光強度 I(t)は，ブラウン運動によって顕微鏡による観察などがあるが，これらは他章や文

時間 t の関数として揺らぐため，その揺らぎの様子

献を参照されたい．

を測定し，全ての粒子の統計情報を一度に得る．小さな粒子ほど，ブラウン運動が早いため，散乱光強度の揺らぎも早くなる．この I(t)を以下の式■ 動的光散乱法
何が分かるか：動的光散乱法では，溶媒に分散した数 nm~数 10μm の微粒子の粒径分布が計測できる．

<𝐼(𝑡)•𝐼(𝑡+𝜏)>𝐺2 (𝜏) =(2)<𝐼(𝑡)>2

散乱法の特徴は統計的な情報が短時間で簡便に得らによって自己相関関数 G2(τ)に変換する．< >は平均れ，反応過程や生きた細胞などをその場観察でき，を表す． G2(τ)は，時間τ経過後の粒子の位置が，nm スケールの分解能をもつ点である．対照的に，顕元の位置から統計的にどれだけ近いか（相関がある

微鏡では，個々の粒子は観察できるものの統計的なか）を示し，時間τが経過すると G2(τ)の値は小さ情報を得るには手間がかかる．光学顕微鏡では分解

くなりゼロに近づく．単分散の球状粒子の場合，能が足りず，電子顕微鏡では液中観察が出来ず，原G2(τ)=exp(-γτ)となり，片対数グラフ上で直線と子間力顕微鏡では基板に付着したものしか観察できなる．直線の傾きγと拡散係数 D の間には

ない．

4𝜋𝑛0

𝛾=[

測定原理：動的光散乱法では，粒子のブラウン運動𝜆02𝑠𝑖𝑛𝜃] 𝐷

(3)を解析して，粒子の大きさに関する情報を得る．粒の関係がある．但し，λ0 はレーザー光の波長， n0子のブラウン運動の速さは，絶対温度 T，粒子の直は溶媒の屈折率，θは散乱角である．したがって，

200

この式を用いてγから D を求め，最終的に(1)式によ力の釣り合いによって，粒子が一定速度 V [m s-1]でり，粒子径 2r を求めることが出来る．

移動する現象である．このとき，電場 E あたりの移粒子径に分布がある場合は， G2(τ)は，様々な粒

動速度 V として電気泳動移動度 u[m2 s-1 V-1] =V /E

径に対応する G2(τ)が足し合わされた形状になるが，と定義されるが，この u とζの間には，

u=(ε0εr /η)ζキュムラント法やヒストグラム法などによって適切(5)に解析を行えば，粒径分布としてデータを得ることの関係がある．ただし，ε0 は真空の誘電率，εr はが出来る．

溶媒の比誘電率，ηは溶媒の粘性率である．この(5)測定法：溶媒に数 wt％以下の濃度で微粒子を分散さ式を Smoluchowski 式と呼ぶ．他にもこの式に補正せたコロイド溶液数ｍＬをサンプルとする．濃度がを加えた Henry 式や Huckel 式も知られている．こ濃すぎると多重散乱とよばれる現象が起こるので，れらの式を用いれば，電気泳動移動度 u の測定結果希薄にした方が良いが，薄すぎるとシグナル強度がから，ζ電位を求めることが出来る．
電気泳動を利用したゼータ電位測定には，電気泳弱くなりすぎる．
このサンプルをガラスセルに入れて装置に設置す動を顕微鏡で直接観察する方法と，レーザードップ

る．適切な散乱光強度になるようにピンホール径，

ラー電気泳動法がある．後者の装置では，移動する

光フィルタ，散乱角（通常は 90°）などを設定し，粒子がレーザー光を散乱する際に，移動速度に応じまたサンプルに合わせてフォトンパルスの間隔，測たドップラー効果によって散乱光の波長が僅かに変定時間，測定繰り返し回数，温度などの測定パラメ化を利用することを利用する．詳しい説明は，文献ータを設定する．(1)式や(3)式を用いて解析するので，を参照願いたい．

測定温度での溶媒の粘性率ηと屈折率 n0 の値をあら

測定法：レーザードップラー電気泳動はほとんど自かじめ調べて，解析用パラメータとして与えておく

動化されているので，サンプルセルに試料を導入し，必要がある．市販の装置であれば，パラメータを設

パラメータを指定して，測定するだけである．通常，

定し測定開始ボタンを押せば，測定と解析を自動的

あまり濃厚な試料は測定出来ないが，最近では濃厚に行い，粒径分布のヒストグラムなどが出力される．

系に対応した装置も登場している．水系だけでなく有機溶媒系でも測定可能である．

■ ゼータ電位測定法
何が分かるか：溶媒中の微粒子はほとんどの場合，少なからず帯電している．その周りは反対電荷のイオンが取り巻き，電気二重層と呼ばれるイオン雲を形成している．帯電状態は pH などによっても変化し，微粒子の分散性や機能などに大きな影響を与えるため，その定量的評価は重要である．しかし微粒子の表面電位は直接測定できないので，代わりの指標としてゼータ電位ζが測定される．ゼータ電位は，表面電位とほぼ同等の意味と考えて差し支えないが，厳密にはコロイド科学等の参考書を参照願いたい．
測定原理：ゼータ電位測定は帯電粒子の電気泳動現
象を利用して行われる．電気泳動とは，帯電粒子を
電場 E [V m-1]の中におくことで，静電的な力と摩擦

宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

201

87. フローサイトメータ／セルソータ
細胞の定量のために開発された計数技術である．細胞の示す光学的性質（前方散乱，側方散乱，各色蛍光強度）を個々の細胞すべてに対して測定し，分布を描くことで細胞群の性質を評価する（フローサイトメータ）．さらにそのデータに基づいて細胞を生きたまま選別を行う（セルソータ）装置である．

■ はじめに個々の細胞の情報をできるだけ多数求め，その情

Shawn D. のモルシップが，フローサイトメータを報をもとに生かしたまま選別できる機械が，フロー用いて細胞選択性を示していた[1]ことは記憶に新しサイトメータ/セルソータである[2]．104-105 にものいだろう．BIOMOD は生体分子デザインコンテスト

細胞を短時間（数分〜1 時間）で測定できる．

である．作成したものが生体分子である以上，その■ 装置概要対象は生きた培養細胞や人工細胞モデル（リポソー前図に測定原理を示す．細胞は，分散させると直径

ム(☞ 52, 89)になることが多いだろう．デザインし十数 µm のコロイド粒子とみなすことができる．コた分子が完成したなら，愛でるだけでなくターゲッ

ロイド粒子を低密度で流す流路を横切ってレーザー

トに作用させたくなるのが人情である．デザインしを照射すると，大きさ・密度によって特徴的な散乱た生体分子は~数百 nm スケールで，その評価は電気パターンが発生する．これを用いて細胞の大きさ・

泳動や AFM，電子顕微鏡で行われる．一方，作用さ密度の分布を求める．その情報に基づき，個々の粒せる対象のサイズが数〜数十 µm である細胞やリポ子から得られる各種蛍光の強度を求め，プロットすソームの場合，光学／蛍光顕微鏡によって観察されるのがフローサイトメータである．サイズ分布を細る．顕微鏡像は個々の細胞を詳細に定性的に表現す

孔部の電気伝導度で求めるモデルもある[3]．セルソ

るが，しかし多数の集団としての性質を定量的に評

ータは，フローサイトメータからの情報にしたがっ

価したい場合がある．多数のサンプルを撮影して画て細胞を分収する．

像処理（☞58）を行い平均値や分布の確からしさを■ 実例

求めねばならず，特に細胞間の個体差が大きい場合

次に測定例を示す．

苦労する．顕微鏡像は 200 細胞も撮影・解析したら半日がかりでもうクタクタである（個人の感想）．

a)の横軸・前方散乱(FS)は細胞の大きさの目安とな
り，縦軸・側方散乱(SS)は細胞の密度分布（内部構
造の複雑さ）の目安となる．この分布の中で，ほどよい大きさでほどよい密度のところに活きた細胞がいる（死んだり破裂した細胞はこの範囲から外れる），ということが判っているので，その範囲内に入る粒子について，各種蛍光強度を粒子ごとにカウントする． b)の横軸が蛍光強度，縦軸が頻度である．横軸

202

が log であることに注意しよう（線形にも出来る）．

トメトリー自由自在, 学研メディカル秀潤社(2004).

蛍光の励起〜検出ラインを複数持っている機体では，[3] ベ ッ ク マ ン の サ イ ト が 詳 し い ．

ある蛍光シグナルの強度範囲を指定して，別の蛍光http://www.bc-cytometry.com/FCM/fcmprinciple.ht

シグナルでさらに絞り込むことも可能である．例えmlば，核が正常でミトコンドリアが正常で特定の部位に GFP が発現している細胞のみをスクリーニング
し，次の培養にまわす，という品質管理ができる．
また，細胞サイズリポソーム(☞ 52, 89)もフローサ

コラム イメージングサイトメータ

イトメータによる評価が可能である．

計数は正義だが，見ることもまた正義．フローサ■ 注意点

イトメータは，通常の顕微鏡では追い切れない多フローサイトメータは強力な武器だが，無染色の細胞のみ，や，複数の染色によって評価を行う場合は，「単色で染めた場合のみ」のコントロールサンプル

数の細胞の性質を高速かつ定量的に分析できる点が長所である一方で，顕微鏡に比べ空間分解能がない欠点がある（対象と相互作用する蛍光色素を(☞69)をしっかりとっておくことが必須である．先の複数用いることである程度の細胞内空間情報の評

例では，ネガティブコントロールサンプルが蛍光強価は可能）．要はホンマに見たんかい！というツッ度 101 の点線より左にすべて位置，つまり自家蛍光

コミの余地を残している．そこで，顕微鏡観察と（細胞が自前で持っている蛍光）であるという前提

フローサイトメータの長所をドッキングさせた装があり，点線より右側だけがポジティブな蛍光を示

置がイメージングサイトメータである．顕微鏡像

す細胞の分布ということになる．検出感度を変更すを自動で蛍光分子の強度と同時に，空間的な局在ることで分布は右にも左にも寄せることが出来る．

／非局在や形状など多数の情報を取得することが感度の調整にも，コントロールサンプルは重要であできる（High Contents Analysis とも呼ばれる）．

る．細胞側の条件，細胞数と生存数は毎回カウント

要はプログラマブルロボット顕微鏡．ウェルプレ

して揃えることが必須である．

ートに対応し，細胞を剥がさないので活かしたま■ おわりにま経時変化を追うことも出来，レーザー共焦点に高価な装置だが細胞系の研究分野では基本的な評価よる輪切り撮影も可能で，タイミングを指定して法となっており，大学で共通機器として利用するこ

試薬の添加ができるオプションまで装備したものとは可能だろう．遺伝子組み換えをしない限りは培もある．もちろん非常に高価であるが，廉価版も養細胞の取り扱いもさほど難しくなく，マニュアル

多数出現している．

も完備されている．細胞を利用した研究に思想を引っ張られることはないが，定量的な評価を可能にする強力な装置は近い分野に数多くある．せっかくの工作物を評価するための選択肢は多くて困ることはないだろう．

参考文献[1] Douglas, S. M.,et al., Science 335, 831–834(2012).
[2] 中内啓光 監修, 細胞工学別冊 新版フローサイ

野村 M. 慎一郎（東北大学）

203

88．表面プラズモン共鳴測定
分子デザインでは，一度の試行で大量の分子が得られる．その分子が設計通りに機能するかどうか，つまり相互作用の評価が重要である．表面プラズモン共鳴(SPR)は，分子の吸着にもとづく光物理的特性の変化を用いて多数の分子間の相互作用を簡便に定量的に測定する方法である．測れる物理量は測っておくのが吉だ．

■

なぜ表面プラズモン測定？

を流れてゆく．対象への基質の吸着が生じると，

DNA スパイダーをご存じだろうか． DNA オリガ

センサチップ裏側に入射した偏光光がミを足場とし，その上を DNA の三本足で歩く分
子ロボ初期の傑作だが，勘で設計していきなり出来たものではもちろんなく，足と足場の相互作用を，DNA 長さや配列を変えて評価した論文[1]があり，その結果得られた美味しい範囲を利用して歩かせたのが DNA スパイダー[2]なのである．その DNA 同士の相互作用測定に利用されたのが本項で概説する「表面プラズモン共鳴測定」，通称
SPR（Surface Plasmon Resonance）である．特定の物質が，対象に対する吸着・脱離の量，その時間変化，結合定数と解離定数を求めることができる．
■

表面プラズモンとはプラズモンとは個体プラズマのことで，表面プラ
ズモンとは金属の表面に局在する電子波モードの一種である．主に金を蒸着したガラス面から入射した光が全反射する際，表面プラズモンが生じ，薄膜近傍の表面状態との共鳴によって反射光の特定の角度成分に極小部分が生じる．このいわば「光の谷」の角度の変化を測定するのが SPR である．
この角度が，表面への物質吸着量の大小に応じて鋭敏かつリアルタイムに変化する，というのがこ

プリズムを介して全反射し，検出される．表面プの測定方法の肝である [3]．

ラズモン共鳴によって反射光の一部には光吸収の■極大部が生じており，基質の吸着によって表面の測定装置の例

実機として有名なものが GE ヘルスケア社の

質量変化が屈折率の変化をもたらすことで共鳴シ

BIACORE シリーズである．これを例に測定装置

グナルが上昇する．また，基質が脱離することでの概要を示す．金蒸着されたセンサチップ（消耗シグナルは減少する．基質を「足」分子に，吸着品）表面に，吸着対象（図中オレンジ円弧）をあ

対象を「足場」分子と読み替えると，DNA スパイ

らかじめ固定しておく．基質（図中黄色三角）は，ダーの相互作用測定に利用できることがわかって

マイクロ流体デバイスであるセンサチップの表面

もらえるだろう．

204

■

特徴

高分子系，薬学系の研究室で稼働していることが・蛍光や放射性同位体などの標識が不要多い．DNA 分子デザインの分野では低濃度かつ貴・結合量が求められる重なサンプルを用いることも多い．その分子認識

・結合速度・解離速度が求められる．

の評価を行う上で SPR はファーストチョイスに・多数の分子を一度に解析できるなりうる．測定を頼めそうな手近な装置を探して・マイクロ流路を使用しており，測定にかかる時

みよう．

間が小さく，またサンプル消費量が少なくすむ．
■

得られるデータ例※同様に，吸着量の測定ができる測定法として

下記のような時間経過グラフとして得られる．縦QCM(Quartz Crystal Microbalance)水晶発振子

軸は（表面の）質量変化量とも表現される．このがある．水晶振動子の電極表面に物質が付着するグラフを解析することで，傾きから結合量，結合とその質量に応じて共振周波数が変動する原理を速度，解離速度を求めることが出来る．センサチ

用いている．

ップは洗浄により繰り返し使えるので，データ数を増やし信頼性を上げることも容易である．

参考文献[1] Pei, R. et al., J Am Chem Soc 128, 12693–■

注意点

12699 (2006).

得られる値は基準値に対する相対値（Relative[2] Lund, K. et al., Nature 465, 206–210 (2010).

Unit: RU）になるので，（SPR に限らないが）コ[3] 永田和宏，半田宏 編, 生体物質相互作用のリ

ントロール測定用のサンプルを必ず用意する．操アルタイム解析実験法: BIACORE を中心に, シ

作としては，非使用時に緩衝液を枯らさない．乾ュプリンガーフェアラーク東京，(1998).

燥して流路に塩や分子が吸着すると洗浄が大変でノイズ源になる．
■

その他

約 500 万円から（2016 年 2 月現在）と高価な設備であるが，共用設備として，また生物系，化学・野村 M. 慎一郎（東北大学）

205

89．リポソーム作製法
リポソームは，細胞膜を構成しているリン脂質分子が水溶液中に分散し，自発的に細胞膜と同様に柔軟性の高い二分子膜が形成されたものである．大きさは，10 nm～100 μm まで自在に作製することが可能で，リポソームの内部やリポソーム膜表面に様々な機能分子（DNA，RNA，タンパク質）を付加できる．

■ リポソーム
細胞膜の主成分であるリン脂質は，親水基と疎水基をもつ両親媒性分子で，溶液中で自己組織化し，脂質二重膜（リポソーム）を形成する(図 1)．リポソー
ムは，小さいもので 10 nm 程度から，大きいもので

図 2．静置水和法による GUV 作製

100 μm 程度まで作製することが出来る．また，10nm~1 μm の 大 き さ の リ ポ ソ ー ム を small
unilamellar vesicles (SUV), large unilamellar
vesicles (LUV)と呼び，1 μm 以上の大きさのリポソームを giant unilamellar vesicles (GUV)と呼ぶ．
SUV･LUV は，光散乱や蛍光分光などの手法により

図 3．界面通過法による GUV 作製

小胞サイズや物質保持効率の測定が行なわれ，ドラの後，エクストルーダー(Avanti Polar Lipids)を用い，

ッグデリバリーや化粧品などの医薬・産業分野で使作製したいサイズに応じたフィルターを使用し，エ用されてきた．一方，GUV は，サイズ・構造・組成

クストルージョンを行うと均一なサイズの SUV・から実際の細胞膜のモデルとして利用され，またそ

LUV を得ることが出来る．また，作製出来たリポソの大きさから一個体の膜の変形ダイナミクスを直接ームのサイズ評価は光散乱法で調べることが出来る．

顕微鏡観察することが可能となり，近年，リポソー
ム内部への生化学反応系の封入やリポソーム膜表面■ GUV の作製方法

への機能分子の装填を行うことで人工細胞や分子ロ

リン脂質を単純に混合しても，直径が 10 μm 程度以

ボットを作製する研究へ応用されている．

上の GUV を得ることは困難である．GUV を効率よく取得する方法として，静置水和法 [1]が広く用いら■ SUV・LUV の作製方法

れている(図 2)．この方法は，ガラス基板上に脂質二均一なサイズの SUV・LUV を得る方法にエクスト

重膜をフィルム上に薄く積層させる．その後，水溶ルージョン法がある．薄膜の状態のリン脂質を作製

液を加えて，自発的に，あるいは交流電場[2]をかけしたのち，水溶液を加えて，超音波処理を行う．そながら，水和・膨潤させて得る．非常に扱いやすい
方法ではあるが，得られた GUV は，多重膜であったり，生理条件下の水溶液で水和を行うと作製効率は著しく落ち，さらには，GUV 内部への目的の物質の封入効率も低いという難点も存在する．
近年，リン脂質を溶かした油相に水溶液を分散させ，界面がリン脂質に覆われた油中水滴を得たのち，

図 1．リポソームの模式図

これを遠心力で水相に落とし込むことで，GUV を得

206

図 4．Pulsed Jetting 法による GUV の作製
る界面透過法[3]が開発された(図 3)．これによって，生理条件下の水溶液でも GUV を作製することが可能であり，GUV 内部への溶液封入効率も飛躍的に上

図 5. DSSF 法による GUV 作製

昇し，内部でのタンパク質合成[4]などが実現されて

参考文献

いる．

[1] J. P. Reeves, R. M. Dowben, “Formation and■ マイクロ流体デバイスによる GUV 作製

properties of thin-walled phospholipid vesicles.” J. Cell.

ここでは，2 つの方法を紹介する．一つ目が Pulsed

Physiol. 1969, 73, 49-60

Jetting 法[5,6]である(図 4)。この方法は，あらかじ[2]め 2 つの油中水滴をコンタクトさせることで，脂質

M.

I.

Angelova,

D.

S.

Dimitrov,“LiposomeElectroformation”Faraday Discuss. 1986, 81, 303 – 311.

二重膜の平面膜を形成する．ガラスキャピラリーな[3] S. Pautot, B. J. Frisken, D. A. Weitz, “Production of

どのノズルを近づけ，噴流を吹きあてると，シャボ

Unilamellar Vesicles Using an Inverted Emulsion.” Proc.

ン玉を形成する要領で，GUV を作製することが出来

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100(19), 10718-10721.

る．噴流の条件を制御することでサイズを制御でき[4] H. Saito, Y. Kato, M. Le Berre, A. Yamada, T. Inoue,

ること，ノズルに装填しておいた内封液をリポソー

K. Yoshikawa, D. Baigl, “Time-Resolved Tracking of a

ム内に効率よく封入できることが利点である。

Minimum Gene Expression System Reconstituted in

もう一つは，著者らが開発した遠心式マイクロ流

Giant Liposomes.” ChemBioChem 2009, 10, 1640-1643.

体 デ バ イ ス を 用 い た droplet-shooting and[5] K. Funakoshi, H. Suzuki, S. Takeuchi, “Formation ofsize-filtration (DSSF) 法[7]である(図 5)。卓上遠心

giant lipid vesicle-like compartments from a planar

機と組み合わせ，高重力下において，液体が封入さlipid membrane by a pulsed jet flow.” J. Am. Chem. Soc.

れた微細ガラス管から微小液滴が射出される

2007, 129, 12608-12609.

(droplet-shooting)。射出された水滴は 2 つの大きさ[6] J. C. Stachowiak, D. L. Richmond, T. H. Li, A. P. Liu,の水滴を形成するが，小さい水滴のみ脂質単層膜のS. H. Parekh, D. A. Fletcher, “Unilamellar vesicle

界面を通過しやすい効果(size-filtration)を利用してformation and encapsulation by microfluidic jetting.”

GUV を作製する。この手法の利点は， 1 μL の装填

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105(12), 4697-4702.

液（ガラス管内に装填）から，直径 10-20 μm の GUV[7] M. Morita, H. Onoe, M. Yanagisawa, H. Ito, M.

を 200~1000 個程度作製できる点である。この作製

Ichikawa,

法は，微細加工技術を必要とせず，さらには，実験K.

Fujiwara,

H.

Saito,M.

Takinoue.

“Droplet-Shooting and Size-Filtration (DSSF) Method

サンプル量が極めて微量で行えるため，貴重な実験

for Synthesis of Cell-Sized Liposomes with Controlled

試料を無駄にすることなく使える．

Lipid

Compositions” ChemBioChem,2015,

16(14),

2029-2035.

森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）野村 M. 慎一郎（東北大学）

207

90．マイクロ／ナノビーズ技術
マイクロ／ナノビーズは，微小スケールでのシステムを構築する際に欠かせないツールの一つである．表面が分子修飾されたビーズ，磁性ビーズや蛍光を発するビーズなど，様々なビーズが存在する．これらのビーズをうまく利用することで，システム構築の幅が広がる．

■

マイクロ／ナノビーズとはごとタンパク質を単離することができる．このほか

マイクロ／ナノビーズは，その名の通り直径が数マにも，磁性ビーズは外部からの磁場に応答して動い

イクロ／ナノメートルの微小粒子である．近年では，たり，数珠状（パールチェーン状）に整列したりと，化学技術の発展により様々な機能を持つ微小ビーズ

非常に扱いやすい．

が開発され，バイオ，医療，工学などの分野を問わず広く利用されている．ここでは，様々な種類のビーズ，粒子がどのように BIOMOD で利用できるかを紹介する．
■

分子修飾ビーズ

ポリスチレンを基本としたビーズの表面には，カル■ボキシル基，アミノ基などの官能基が化学修飾され蛍光ビーズ

蛍光色素を取り込むことで励起光により蛍光を発すているものが多い．このような官能基をもつビーズ

る蛍光ビーズも様々な場面で用いられる．蛍光色素には，共有結合を介して望みの分子をその表面に修はビーズ内にあるため，フリーな状態の蛍光色素を飾することが可能である．例えば，末端にアミノ基よりも分解・退色が少ないという利点がある．実際が修飾された DNA と，表面にカルボキシル基が修飾に 2014 年の BIOMOD で，明るく，安定した蛍光のされたビーズを組み合わせることで，DNA 末端とビために，DNA に蛍光ビーズを修飾して観察を行ったーズ表面はアミド結合する．結果として，ビーズにチームもある．

DNA を生やすことが可能となる．

■

その他のビーズ，粒子

ゲル粒子は，我々が最も簡単に作製できる粒子の一つである．ゲルとは，高分子の三次元的なネットワ
ーク構造に水分を含む素材である．実験室内で作製できることから，様々なものをゲル粒子に封入することができる．例えば，あらかじめ細胞を混ぜてお■いた高分子溶液を用いてゲル粒子を作製することで，磁性ビーズ

細胞入りゲル粒子を得ることができる．

磁性ビーズは，特に溶液中におけるタンパク質などの分子を単離する際に使用される．例として，ビオ

金や，白金などの金属ナノ粒子も，様々な場面でチン標識されたタンパク質の単離を考える．方法は，役立つツールとなる．金は 700～800nm の波長の光

まず，アビジンが表面に修飾された磁性ビーズをタを当てると熱を発するため，金ナノ粒子に光を当て

ンパク質溶液に入れる．アビジン－ビオチン結合は，ることで局所的な熱源として利用することができる．

非常に強固であることが知られているので，ビオチ

また，白金は過酸化水素水を分解し，酸素を発生さン標識されたタンパク質は，磁性ビーズ表面に特異せることが知られている．白金ナノ粒子を適切な位的に結合する．その後，磁石等を用いて磁性ビーズ

置に配置してやれば，酸素の泡を放出しながら推進

208

する超小型エンジンになる．

コラム

Biomolecular Rocket

2012 年に東工大チームがデザインした Biomolecular Rocket は，本章で紹介した，ナノ／マイクロビーズをフルに活用している．Biomolecular Rocket は，白金粒子をエンジンとした過酸化水素水中で推進する超小型ロケットである．さらに，推進中のロケットに UV ライトを当てることで，ロケットの推進方向を変えることができる．Biomolecular Rocket は二種類のマイクロビーズから構成されており，ボディにはポリスチレンビーズ（10μm），エンジンとして白金粒子（1μm）が使用された．ボディとエンジンは，DNA のハイブリダ
イゼーションによって結合されている．その結合に使われる二本鎖 DNA は二種類あり，そのうちの一つが，アゾベンゼンを利用した光反応性 DNA である．
この光反応性 DNA は UV が当たると DNA の二重鎖が解離するため，一部のエンジンが切り離され，推進方向が変わるという仕組みである．東工大チー
ムは，このアイデアで総合第 3 位を含む 5 つの賞を受賞した．

コラム マイクロゲルビーズ作製法
本章でも紹介した通り，ゲル粒子は，ポリスチレンビーズ，金属粒子などと比べて比較的容易に作製できる粒子である．そこで本コラムでは，わずか数分でマイクロゲル粒子の大量生成を実現する作製デバイスを紹介する．必要な材料は，アルギン酸ナトリウム水溶液，マイクロチューブ，ガラス管など，主に市販されているものばかりである．アルギン酸ナトリウム水溶液は，カルシウムイオンと反応してアルギン酸
カルシウムゲルを形成する水溶液である．まず，アルギン酸ナトリウム水溶液をガラス管に挿入し，そのガラス管を，塩化カルシウム水溶液が入ったマイクロチューブにセットする．このマイクロチューブを卓上遠心分離機にかけると，遠心力によりガラス管先端でマイクロメートルサイズの液滴が形成される．その後，液滴はガラス管を離れ，塩化カルシウム水溶液内でゲル化する．数分の遠心で，このプロセスを何度も繰り返すことで，結果として大量のゲル粒子が得られる．さらに，このデバイスを用いて，磁性粒子や細胞を封入したマイクロゲル粒子を作製できることも報告されている．
参考文献[1] K. Maeda, H. Onoe, M. Takinoue, S. Takeuchi:“Controlled synthesis of 3D multi-compartmental
particles

withcentrifuge-based

microdroplet

formation from a multi-barrelled capillary”, Advanced
Materials, 24, 1340--1346, 2012

早川雅之，森田雅宗，瀧ノ上正浩（東京工業大学）

209

91．いろいろな分析手法(MS, NMR, CD)
ここでは核磁気共鳴スペクトル，質量分析および，CD スペクトルについて解説する．これらの手法は，新しい化合物を合成した際の合成確認や不純物の確認，また DNA やタンパク質などを変性させたりした場合の高次構造の変化などを確かめるために，一般的に用いられている手法である．
■ 質量分析 (MS，mass spectrometry)

達させて，分離・検出を行うことが出来る.

基本原理

質量分析は，分子をイオン化し，それら得られる情報 質量分析データであるマススペクトを質量mと電荷zの比（質量電荷比m/z）に応じて分ルは，横軸が質量電荷比 (m/z)，縦軸がイオンの相対離・検出することで，分子量や分子構造を推定する存在量で表示される．ある分子Mを測定すると，イ手法である．質量分析装置（図1）は，①試料をイオオン化の方法にもよるが，ポジティブイオンM+，ネ

ン化し, 生成したイオンを質量分離装置に加速導入

ガティブイオンM の他，プロトン付加イオン(M+H)+

するイオン源，②イオンを質量電荷比に基づいて分や，元の分子が開裂して生じたフラグメントイオン

離する質量分離装置，③分離されたイオンを検出す等のピークが現れる．また，同位体イオンピークがるイオン検出部からなる．イオン化と分離の方法は各ピーク周辺に現れる．これらの情報を総合的に考複数あり，目的物質によって使い分ける．

慮することで，試料の分子量や分子構造を推定する−

イオン化した分子を電場や磁場の中で運動させる

ことが出来る．詳細は，専門書籍[1]-[3]を参照願いたい．

と，そのイオンの電気量に比例した力(向心力)を受け■ NMR(Nuclear Magnetic Resonance，核磁気共鳴)て運動方向が曲がる（図2 左）．一方，運動方向が曲基本原理 核スピンIを持つ1Hや13Cなどの原子は，Iげられたイオンには，イオンの重さに比例する遠心に比例する磁気モーメントμをもつ．このような原力が働く（図2 右）．これらを利用すると，質量電荷子を外部磁場H0の中におくと，原子核のエネルギー比に応じて，検出部上の異なる位置に各イオンを到準位が分裂し（ゼーマン分裂），各エネルギー準位（ゼーマン準位）の差に相当するエネルギーの電磁波（ラジオ波）を吸収する共鳴吸収が起こる．磁場は原子
核周囲の電子によって遮蔽されるので，分子を構成する各原子核のおかれた環境（周りにどのような原子が結合しているかなど）によって，共鳴磁場の差が生じる．NMR測定ではこの現象を利用して化合物の構造同定などを行う．
上記の原理で生じる共鳴磁場の差は僅かであるので，ppm（parts per million;100万分の１）の単位で化

図 1．質量分析装置の概要

学シフトδとして表す．テトラメチルシラン(TMS)などの標準物質と，対象とする原子核Xの共鳴磁場をそれぞれHTMSおよびHXとしたとき，化学シフトはδ
= (HX - HTMS) / HTMS × 106と計算される．δが大きい
方が，遮蔽効果が弱いことを意味する．
NMR装置は，ラジオ波を発生する高周波発信器，
強い磁場を発生する超電導磁石，共鳴吸収を検出す

図 2．イオンに働く力とイオンの動き

210

る検出器から構成される．ゼーマン分裂は磁場の強固体試料の測定，2次元NMRなどがあるが，それらにさに比例するため，超電導磁石の磁場強度が強いほ

ついては，より専門的な書籍[2][3]を参照して頂きたい．

ど装置の性能が高くなる．超電導磁石を安定的に稼■ CD スペクトル働させるためには冷媒の液体ヘリウムなどを常時供基本原理

給する必要があり維持費がかかる．また，キャッシ

動する波である．我々の目は光波の波長や振幅を光ュカードなどを不用意に持ち込むと，強力な磁場にの色や強さとして認識できる．一方，光には，振動よって情報が失われるので注意が必要である．

面内でどのような方向に振動しているのかによる区

光は，その進行方向と直交する面内で振NMR スペクトルでは，化学シフトδ

別ができる．直線を描くように振動するのが直線偏と吸収強度の関係図が得られ，現れたピークの化学

光，円を描くように振動するのが円偏光や楕円偏光

シフト，スピンスピンカップリング，積分強度などである．円偏光や楕円偏光は，回転の方向によってから有機分子の構造を推定することが出来る．

右円偏光と左円偏光に分けられる．

何が分かるかエタノールの H-NMR測定例を図3に示す．-OH基
1

我々の目は偏光状態の違いを見分けることは出来のH原子核は-CH3や-CH2-に比べて弱く遮蔽されていない．しかし，キラル炭素を持つ有機分子や，らせるので，δが大きい位置にピークが現れている．こん構造を持つ DNA 二重鎖などの光学活性物質は，右のように，化学シフトの値から，官能基の種類など

円偏光と左円偏光で異なる吸光係数を持っている．

が分かる．一方，-CH3や-CH2-のピークはいくつかにCD スペクトル（円二色性スペクトル）とは，右円偏分裂した微細構造を持っている．これは，近傍の原

光と左円偏光の吸光度差を測定する手段である．

子核との間に起こるスピン-スピンカップリング現

何が分かるか象によるものである．この分裂は，一定の規則に従偏光の吸光度差を測定することで，キラル分子の D/Lって起こるので，隣の炭素原子にいくつのプロトン比や，生体高分子が形成する高次構造に関する情報が結合しているか，などが分かる．また，ピークのを得る．DNA やタンパク質が変性すると高次構造が積分強度はプロトンの数に比例している．これらの変化して CD スペクトルに大きな変化が現れること情報から，構造を推定する．

があるため，このような変化を検出するためにも有CD スペクトルでは，右円偏光と左円

NMRスペクトルを解釈するための詳細な情報は，用である．

有機化学の教科書や各種参考書 [2]に詳しく記述され参考文献ているので参考にすると良い．またChemDrawなどの[1] 志田保夫ら著「これならわかるマススペクトロメ

ソフトを使えば，ある分子構造から推定される理論

トリー」化学同人，2001 年

的なNMRスペクトルを簡単に得ることもできる．

[2] M.Hesse ら著，野村正勝

めのスペクトル解析法」化学同人，2000 年

上記以外にも，NMRの緩和時間測定によるダイナ
ミクス評価や， Si， Pなどさまざまな核種の測定，
29

監訳，「有機化学のた

31[3] R. M. Silverstein ら著，荒木峻ら訳「有機化合物のスペクトルによる同定法―MS,IR,NMR の併用」
東京化学同人，2006 年

図 3．エタノールの 1H-NMR 測定例
宮元展義，中山美紀（福岡工業大学）

211

BIOMOD2013 国内大会 2013 年

212

第8章
実験してみよう（実践編）

213

92．DNA タイルの作製と AFM 観察
DNA タイルの実際の作製方法と AFM 観察について，そのおおまかな流れについて手順を追って紹介する．

■ DNA の分注と保存■ DNA タイルの作製

まずは，DNA を適切なかたちで保管しなければな

材料となるそれぞれの DNA を，最終濃度が 1uM

らない．オリゴハウスに発注して合成された DNA（もしくは論文のプロトコルに従った値）となる

は，一般的には糊状に乾燥した状態でチューブにようにまぜる．このときに使うバッファ溶液とし入って配達される．ラベルに書いてある分量ては，DNA ナノ構造の分野では，「 TAE バッフ

（nmol）にあわせて，超純水（ヌクレアーゼフリ

ァにマグネシウムイオンが最終濃度で 12.5mM 加ーのものが望ましい）か TE バッファを適量入れわったもの」（TAE-マグネシウムバッファと呼ばることで溶解する．
（筆者の場合は，各チューブのれる）が多く用いられる．５倍濃縮（5x），10 倍

濃度が 100uM もしくは 500uM になるように調製

濃縮(10x)といったバッファをストックとして作している．n nmol がチューブに入っているのであっておくことによって，最終濃度が１倍(1x)になれば， 10n ul の水をいれれば 100uM に調製できるように調整できる．例えば，T-motif [1]のようる．）かるく遠心をかけて壁面についた破片をチュに，2 種類の DNA からなるタイルを作る場合であーブの底面に落とした後，チューブの壁を伝わせれば，DNA の最終濃度が 1uM，かつバッファのるようにして水を入れ，蓋をした後，ヴォルテッ

最終濃度が 1x とするためには，下記のようにまぜ

クスで最低数分程度，チューブをまんべんなくま

ればよい：

わしつつ振動させて DNA を溶かす．可能であれば，できるだけ未溶解の DNA を減らすため，数・10x TAE/Mg12.5mM Buffer

5ul

時間から一昼夜連続で振盪させつづけるとなおい・Nuclease free water

44ul

っそう良い．DNA を溶解させた後，実際の溶液濃・100uM DNA (1)0.5ul

度を測定し（☞ 77,82），それにあわせて補正をす

・100uM DNA (2)0.5ul

ることで，より正確な実験が可能となる．

total

50ul

溶解した DNA は 0.5/0.6ml チューブに分注する．
すぐに使わないものについては-20 度の冷凍庫でこの溶液を，サーマルサイクラー，もしくは発保管する．これにより，長期間（１年程度以上）

泡スチロールに入れた熱湯をつかってアニーリンの保存が可能である．すぐに使うもの，また使用グすることで構造を作製する（☞ 76）．

中のものについては 4 度の冷蔵庫に保存すると良■ AFM 観察い．保存状態にもよるが，１ヶ月〜数ヶ月程度でAFM の仕組みや各モードなどの詳細については

あれば継続的に利用可能である．ちなみに，繰り☞ 84 をご覧頂きたい．一般に DNA ナノ構造の観返しの冷凍・解凍は DNA にダメージを与えるの

察には液中のタッピング，およびそれと同等のモで望ましくない．一旦解凍したものは，なるべくードが用いられる．
（タッピングモードは米ビーコ

冷蔵庫に保存し使い切るようにする．

社登録商標．ほぼ同じ仕組みであっても，商標の関係で各社名称が異なる．
）ここではその手順をおおまかに紹介する．
DNA ナノ構造が形成された溶液を AFM で観察214

するには，構造を（二次元平面の）基板上に吸着共振する値でこれを振動させつつ，マイカ表面にさせる必要がある．これによく用いられるのがマ

近づけていく．
（このあたりのプロセスはソフトウ

イカ（雲母）である．マイカはその構造から，へェアで半自動化されていることが多い．）カンチレ

き開面が原子レベルの平坦性を有していることがバーがマイカ表面に近づくと，振動の振幅などが知られている．また，その表面が負に帯電してい変化するため，ソフトウェアがこれを検知し自動ることから，下図に示すように，マグネシウムイ

的に観察モードに入る．DNA は柔らかいサンプル

オンなどの多価イオンを介すことで，DNA を静電なので，カンチレバーで引っ掛けて構造を壊さな的に吸着させることができる．
（原子レベルでのこいよう，探針をなるべくマイカ表面の近くにもっまかい吸着のメカニズムについては，じつはまだていき，小さな振幅で観察するとよい．このあた

完全には理解されていない．）

りのノウハウについても各社の機械，また各カン
チレバーの特性によって異なるので，具体的には各研究室のプロトコルに従うとよいだろう．
■ BIOMOD で AFM を使うには以上みてきたように，DNA タイルを作製すること自体は比較的簡単で，とくに特筆すべきノウハウなどはない．しかしながら，AFM による観察につ

まずは，スコッチテープなどをつかって，マイいては，ある程度の操作の慣れとノウハウを必要

カ片のきれいなへき開面を露出させる．
（マイカ片とする．最も確実なのは，AFM 観察をすでにおこをあらかじめ AFM 用の金属ホルダーに接着させなっている研究室（もしくは前年度 BIOMOD のておくと良い．）テープを使ってマイカを剥がしてAFM 担当者）に協力をお願いして，メンバーのういく．きれいな面がでるまで，これを何回か繰り

ち１〜２名程度を AFM 観察の担当として養成す返す．

る方法だろう．すでに環境が整っていれば，数週

きれいなへき開面が出たら，そこに作製した間から長くとも１ヶ月程度練習することで，あるDNA ナノ構造の溶液を適宜滴下し，構造を表面に程度の観察は自分たちだけでできるようになる．

吸着させる．適切な濃度や待ち時間，全体の溶液

また，ひとつのサンプルを見るのにも，慣れないの分量といった点は，あとで観察した際の構造の間は数時間程度はかかってしまう（さらに，たと「混雑度合い」をみつつ調節することになる．こえ同じプロトコルでやったとしても，まったくうのあたりは各社のホルダーのサイズや形状，保持

まく見えない場合というのも多々ある）ので，その仕方などによっても変わってくるので，それぞのあたりの時間的余裕も考えながら実験計画を練れのプロトコルに合わせて工夫してみてほしい．

る必要があるだろう．

サンプルをマイカの上に滴下，吸着を待ったの
参考文献

ち，観察を開始する．適切なカンチレバー（探針）をホルダーにセットし，カンチレバーを観察用の[1] Hamada, S., & Murata, S. (2009).

バッファで濡らしたうえで，ホルダーを AFM 本

Substrate-Assisted Assembly of Interconnected

体にとりつける．液中観察であるので，カンチレ

Single-Duplex DNA Nanostructures. Angew.

バーとマイカとの間に空気泡が入らないように注

Chem.

意する．

doi:10.1002/anie.200902662

Intl.

Ed.,

48(37),

6820–6823.

カンチレバーの共振周波数を測定し，もっとも浜田省吾（コーネル大学）

215

93．DNA オリガミの作成と観察
この章では DNA オリガミの作成法と評価法を記述する．

■ DNA オリガミ作成法

造を作るためには，定速降温法が良いとされていDNA オリガミの作成は 2 つの部分からなる．アニ

るが，おおよその構造を作るだけであれば，定温ーリングと精製である．アニーリングでは，DNA法の方が，短時間で作成できるので，良い．作成

オリガミの原料(scaffold と staple)を混ぜ合わせ，

条件は構造によって違うので，論文に書いてある

温度を下げながら，あるいは一定温度で構造を形構造を用いる場合は，論文の条件を参考にすれば成させる．精製では，余分は材料を除去する．

良い．独自の構造の場合は，条件と buffer を最適

混ぜ方は下記の通りである．Scaffold としては，化する必要がある．定温法で作成する場合は，まM13mp18(7249 bp, NEB 社 cat#N4040S 等, NEB 社

ず，4 時間の反応でいくつかの温度で作成し温度のは 250 μg/ml～100 nM)が良く使われるが，普通を決めてから，Mg 濃度や Na 濃度，反応時間を決のプラスミドや PCR 産物を 1 本鎖して用いる事もめると効率的である．構造形成の評価はゲル電気可能．

泳動が簡便である．しかし，目的の構造ができて10l の場合は，例えば，以下のように混ぜる．staple

いるかどうかは，ゲル電気泳動だけでなく，AFMはモル比で scaffold の 5～100 倍加える．構造が単や電子顕微鏡で評価する必要がある．

純であれば(例えば，四角いシート)，5 倍程度でも精製はゲルろ過カラムが楽である(Millipore 社

効率良くできるが，複雑な構造では，過剰の stapleの 100 kDa Amicon filters, cat#UFC510024 や，GE 社

を加えないと上手く fold しない場合がある．

MicroSpin S-300 HR Columns, code#27-5130-01 等)．
丁寧にする時はゲル切り出しで行う(Douglas SM

scaffold

4 μL

staple mix

5 μL

■

10 x buffer*1

1 μL

アガロースゲル電気泳動による評価は，簡便であet al. 2009, Castro CE et al. 2011)．
ゲル電気泳動による評価

り，また，ゲルバンドを切り出す事で精製も可能
buffer は pH 緩衝液，2 価イオン(Mg 等)，1 価イオであるので，多用される(詳細は☞ 79 を参照)．アン(Na+や K+とカウンターイオンの Cl-等)，キレー

ガロースゲルは構造体によって最適な濃度が違う

ト剤等からなる．適切な buffer は構造によって変が，ひとまずは 1%で泳動すると良い．また，泳動

わるが，ひとまずは下記を試してみると良い．

時の発熱がバンドパターンを乱すので，低温室(な*1 10 x buffer

1ml

ければ，冷蔵庫)で泳動すると，綺麗なパターンがTris-HCl (pH7.5)

f.200 mM，1M 200 l得られる．また，構造体の維持には Mg イオンが

MgCl2

f.150 mM, 1M 150 l

必要であるが，濃度が高すぎると発熱の原因とな

NaCl

f. 25mM, 1M 25 lるので，12mM 程度を加えたゲル buffer を用いてEDTA-Na(pH8)

f.10 mM, 0.5M 20 l

泳動する．その際，電気泳動は(通常の 100V ではなく) ，50V で行う(ミューピッド等の高さ 6cm ゲアニーリングは，一定時間毎に温度を下げていく

ルの場合は，1-2h 泳動)．

方法(定速降温法)，一定温度で構造形成させる方法
ゲル buffer(定温法, Sobczak et al. 2012)がある．より正確な構

216

500mL

10x TBE
1M MgCl2
(10x

TBE:

分間卓上遠心．
そこに 1M NaOH 2μL を加え，50ml

すぐに vortex3 分間(混ぜた瞬間から vortex し6ml
ナ カ ラ イ#35440-31,

ないと沈殿する)．3 分間卓上遠心．アルミ箔でLife包んでその日に使う．時間が経つと針状結晶がtechnologies #15581-044, Sigma #93290)

生じて観察が困難になる．
1%アガロース

3. グリッドにサンプル載せる

50mL

Agarose 0.5g

3-1.サンプルを 3μL 乗せ 3 分待つ(サンプル原

ゲル buffer upto 50ml

液を 10-100 倍希釈)．この間に，パラフィルム(アガロース: 宝 #5003 等)

上に染色液 12μL を乗せておく．

電子レンジで溶かし，型に流し込む．突沸による

3-2. グリッド表面に触れないようにしながら，ヤケドに注意．三角フラスコやビンを使う．

ろ紙でサンプルを端から吸い取る．
3-3. 吸収後即，グリッド表面を染色液の液滴

泳動後は染色する．染色剤は EtBr(高感度，ただしに押し当て，グリッドに染色液を乗せる．

発がん性)，SYBR safe(Life technologies # S33102)，

40 秒キープ．

ミドリグリーン(日本ジェネティックス

3-4. グリッド表面に触れないようにしながら，#NE-MG04 か NE-MG06)等．泳動前のゲルに混ぜろ紙で染色液を端から吸い取る．

込む方法もあり，時間短縮になるが，染色は泳動30 分放置．(吸い取った時点でかなり乾いてい後にした方が綺麗である．

るので，実際には 10 分ほどで観察可)

切り出し後に濃度が薄い場合は，PEG 沈殿を行う

4. 電顕に試料をセットし，ピントを上手くあわせ(Stahl E et al., 2014)．沈殿 buffer(15 % PEG 8000て観察．

(w/v), 5 mM Tris-HCl (pH 7.5-8.3), 1 mM EDTA,
500 mM NaCl)と，サンプルを 1:1 で混ぜ(ただし、参考文献

サンプルに事前に Mg を加え，混合後の Mg 濃度[1] Douglas SM et al., Self-assembly of DNA into

が 10mM 以上になるようにする)，16,000G で 5-25

nanoscale three-dimensional shapes., Nature.

分、室温で遠心する．

2009;459:414-8. doi: 10.1038/nature08016.

■ AFM による評価[2] Sobczak J et al., Rapid folding of DNA into

AFM に関しては☞ 84 を参照．マイカ上で乾燥さ

nanoscale shapes at constant temperature,

せた試料を測る場合と，液中で測る場合がある．

Science.

■10.1126/science.1229919.

電顕による評価

2012;338:1458-61.

doi:

ネガティブ染色の観察法概略を述べる．染色剤と[3] Castro CE et al., A primer to scaffolded DNA

し て は ， 論 文 で は ， ギ 酸 ウ ラ ニ ル

origami.,(Uranyl-Formate)が用いられているが，現在は輸10.1038/nmeth.1570.

入できない．代わりに，一般的な酢酸ウラニルを[4]用いて観察する．

preparation of pure and dense DNA origami

1. グ リ ッ ド ( フ ナ コ シ ( ポ リ サ イ エ ン ス )solutions.

cat#24945)を親水処理

2014;53:12735-40. doi: 10.1002/anie.201405991.

2. 染色液作成[5] 電顕観察マニュアル

3％酢酸ウラニル 27μL，MQ51μL を混ぜ，5

Stahl

Nat
E

Methods.
et

Angew

al.,

2011;8:221-9.

Facile

Chem

and

Int

Ed

doi:

scalableEngl.

東大大学院工学部化学生命工学科 堀江 史博, 川原田 礼以良 作
多田隈尚史（京都大学）

217

94. DNA ゲートの作製と観察システムが設計通りに動いているかは，これまで説明してきた原理に基づいて実験を行い検証する．ここではDNA の鎖置換反応で駆動するゲートを例題として，一連の具体的な作製手順と電気泳動による観察までの流れを解説する．

■DNA 反応系の実験による検証

必要に応じて凍結融解を行う．

設計したシステムが期待通りの振る舞いを示すか，マスターストックの DNA 濃度は合成業者の収量あるいは問題がある場合は原因がどこにあるか，実に基づいており，誤差がないとは言いきれない．等験によって検証を行う．分子の大きさによって分離量比を可能な限り厳密に調整したい場合には，吸収を行うゲル電気泳動(☞ 79)は，基本となる実験操作

スペクトルによる濃度の測定を行う(☞ 77)．以後測の一つであり，繰り返し行うことが多い．

定した濃度に応じて補正を行う(例えば 100μM に調

ここでは DNA を使った鎖置換によって駆動する

製したつもりのマスターストックが実は 85μM だ

ハイブリダイゼーション連鎖反応(HCR，☞ 27)[1]ったということが有りうるので，以降の実験では測を例題として，一連の実験手順について説明する．

定濃度に応じて加える量を計算し直す)．

HCR では二つのヘアピン DNA である H1 と H2 が，濃度が高いサンプルを作る場合にはマスタースト

入力 DNA である I によって連鎖的に開かれる反応でックから直接 DNA を使うこともあるが，コンタミ

ある．

ネーションを避ける目的でも，濃度が低くバッファ■ーに溶かした中間ストックを調製する．HCR の場合ストックの調製

DNA を合成業者から乾燥タイプで購入した場合(☞にはそれぞれ 3μM の中間ストックが必要であり，I72)，まずは溶媒に溶かす必要がある．バッファーのに関しては 30μM のストックも必要になる．調製す

条件は後で変更する可能性があるため，マスターとる際の組成は以下の通りである．

なるストックは純水に溶かす．対象とするシステムの濃度にもよるが，100μM の濃度にすれば十分な

3μM DNA ストック

場合が多く，以下の組成になる．

DNA (100μM)：3 [μL]
10×バッファー：10 [μL]

100μM DNA ストック

超純水(mQ)：87 [μL]

乾燥 DNA：x [nmol]
超純水(mQ)：10×x [μL]

30μM DNA ストックDNA (100μM)：30 [μL]
10×バッファー：10 [μL]x は収量を表す変数であり，合成された DNA ごと

超純水(mQ)：60 [μL]に異なる．例えば収量が 12.4[nmol]の場合，124[μL]の純水を加える．それぞれの収量に注意して，
H1,H2,I の三種類の DNA で同じ操作を繰り返す．

緩衝溶液は単にバッファーと記述した(☞ 75)．

DNA を溶かす際に意識することは，遠心とボルテッ

HCR の場合は具体的には 50mM Na2HPO4，0.5M

クスを良く行うことである(☞ 75)．均一に DNA が

NaCl である．もちろん対象のシステムに応じて溶けていないと，実験毎に濃度にバラつきが出てし

TAE/Mg2+や NEB バッファーなどに変更する．10×

まう．できたマスターストックは冷凍して保存し，となっているので，すべて 10 倍の濃度で調製したバ218

ッファーを使用する．

どのような大きさの分子ができているか検証する．

9μM の H1 と H2 は，それぞれ別のチューブでア比較のために，あらかじめサイズの分かっている

ニーリング(☞ 76)を行い，確実にヘアピン構造にすDNA ラダーと呼ばれるマーカーを一緒に泳動する．

る．論文に従う場合，アニーリングは 95℃から室温

DNA ラダーは例えばタカラバイオのものを使用すまで 1 時間のスケジュールで行う．

る[2]．ただし，製品そのままでは濃度が高く，HCR■

サンプルよりもバンドが濃く出てしまう可能性があ

サンプルの調製

ここまでの中間ストックを混ぜ合わせ，泳動するサる．HCR のサンプルの定量性を上げるために，ラダ

ンプルを調製する．HCR は H1,H2 に対する入力のーは 10～100 分の一程度の濃度に薄めて使用する．

等量比によって，連鎖反応の平均的な回数が変わり，

以上のようにゲルの各ウェルに流すサンプルがすできあがる構造の大きさに差が生じる．以下の組成

べて準備できたら，電気泳動のプロトコル(☞ 79)にでサンプルを作る．

従って実験を行う．HCR の場合は 1%のアガロース
ゲル電気泳動を行う．調べたい条件によっては，ゲ

HCR サンプル

ルの濃度，変性剤の有無などの条件を変更する．

DNA H1 (3μM)：10 [μL]

泳動を行った結果を論文から引用したものを図 1

DNA H2 (3μM)：10 [μL]に示す．I の濃度が相対的に低いほど大きな高分子がDNA I (3μM)：y [μL]

でき，I がない場合は全く反応していない．

1×バッファー：30-y [μL]

このように，バンドの位置によってシステムの挙動の定性的な評価を行う．またバンドの濃さによっ

HCR サンプルて，定量的な評価を行うことも可能であり(☞ 80)，

DNA H1 (3μM)：10 [μL]

反応速度や反応効率などを見積もることもある．

DNA H2 (3μM)：10 [μL]
DNA I (30μM)：z [μL]
1×バッファー：30-z [μL]y と z は I を加える量を表す変数である．具体的には，y=0，1，3.2，z=1，3.2，10 の合計 6 通りのサンプルを調製する．今回はバッファーが 1×の濃度になっていることに注意する．
サンプルは HCR の反応を完了するために，室温で24 時間保存し，次のステップに移る．このように，様々な組み合わせで中間ストックを混ぜ合わせ，必図 1 HCR の泳動結果

要な時間反応をさせることでサンプルを準備する．

Reprinted from PNAS, 2004 [1]

今回は H1，H2，I のすべてを混ぜ合わせたが，詳細
参考文献

な比較実験を行う場合は，それぞれ一つだけのサン[1] Robert M. Dirks, Niles A. Pierce: "Triggered
amplification by hybridization chain reaction",
Proceedings of the National Academy of Sciences, 101,
15275--15278, 2004
[2] タカラバイオ DNA ラダー
http://catalog.takara-bio.co.jp/product/basic_info.php?unitid=U100003463

プルや，どれか一つが欠けたサンプル，反応時間が異なるサンプルを準備することもある．
■

電気泳動

できたサンプルは電気泳動によって分子を分離し，

川又生吹（東北大学）

219

95. DNA ピンセットの作製と観察
ナノスケールの構造変化を評価する手法として，蛍光共鳴エネルギー移動による観察方法がある．電気泳動とは異なり，蛍光の時間発展を追うことが可能なため，反応速度定数を測定するなど，システムの詳細な理解につながる．DNA ピンセットを例題に，一連のサンプル準備と観察について解説する．

■

20μM DNA サンプル

小さい時間空間スケールの変化を評価設計したシステムの検証や評価を行う基本的な方法

DNA (100μM)：20 [μL]

として，電気泳動が挙げられる(☞ 79)．電気泳動で10×バッファー：10 [μL]は複数のレーンを比較することで，条件の違いで反超純水(mQ)：70 [μL]

応が起きたかどうかという定性的な情報を得ること
1.1µM DNA サンプルができる(☞ 80)．一方で定量的な評価を行うには，バンドの濃さを比較する必要があり，再現良く結果

DNA A (20μM)：4.95[μL]を得るのは難しい．さらにレーン数に物理的な限界

DNA B (20μM)：4.95[μL]があるため，高い時間解像度でシステムの評価を行DNA C (20μM)：4.95[μL]

うことは不可能である．また大きさのほとんど同じ

1×バッファー：75.15 [μL]

分子は，電気泳動では本質的に分離することができバッファーとして筆者の研究室では TAE/Mg2+をず，バンドの差として観察することができない．
電気泳動では分からないような時間，空間スケー

使用するが，論文では SPSC を用いていた．

ルの反応を観察する方法として，分光光度計を使っ

入力 DNA に対するシステムの応答を見る場合は，た手法がある(☞ 81)．DNA システムの場合，具体濃度が低く量の多いサンプルに，濃度が高いサンプ

的には蛍光分子と消光分子を用いた蛍光共鳴エネル

ルを少量加え，蛍光の変化を観察する．これは希釈ギー移動を観察する(☞ 51)．蛍光分子と消光分子がにより蛍光分子の濃度が下がり，蛍光量が変化する

ナノメートルスケールでどれくらい近くにいるか，のを防ぐためである．ここでは例として 1.1µM と 20というわずかな変化を定量することができ，時間分

μM のサンプルを準備した．濃度は，蛍光分子の種解能も秒のオーダーである．

類や分光計の感度などによって調整を行うが，10 倍

ここでは DNA のシグナルにより開閉を行う DNA

程度以上の差を持たせる．

ピンセット[1](☞ 24)を例題に，一連の FRET 実験に■ついて解説を行う．DNA ピンセットでは構造を作る

サンプルが準備できたら，分光計による実験に進む．

DNA が A，B，C の三種類あり，さらに開閉を行う

複数のサンプルを順序良く入力して，その都度どのシグナル DNA が F0 と FC の二種類ある．

ように蛍光量が変化するか観察する．DNA ピンセッ

■

蛍光の観察

トの場合，A の分子に蛍光分子である TET と消光分

サンプルの調製

まずは乾燥品で届いた DNA を，前回解説した方法子である TAMRA が修飾されており，最初の状態で(☞ 94)に従い純水で溶解して，100μM のマスター

は距離が離れているため TET が蛍光している．

ストックとする．ここから以下の組成で 20μM の中蛍光分光光度計のメカニズムや実験手順の詳細は間サンプルをそれぞれ作る．さらに A，B，C の DNA

別ページを読んでほしい(☞ 81)．実験で具体的に行はそれぞれ 1,1µM になるように混ぜ合わせて希釈すう操作の例として，セルに加えるサンプルの量と，る．

待ち時間を示す．

220

蛍光分光光度計実験

その後再度ピンセットを開く DNA である F0 を加①

セルに 1.1µM の DNA サンプル(A，B，C)を 90
μL 入れる■②

この後十分な時間(30 分程度)待機

今回の FRET の観察により得られるデータは，横軸③装置による記録を開始

が時間で，縦軸が蛍光強度のグラフになる．先ほど④

300 秒待機の方法で得られた結果を図 1 に示す．最初の蛍光値⑤

20μM の FC を 5μL 加えるが開いた状態のものである．その後 FC を加えること⑥

500 秒待機で，蛍光値が下がりピンセットが閉じる様子が分か⑦

20μM の F0 を 5μL 加える

る．さらに F0 を加えることで蛍光が上がり，ピンセ⑧

500 秒待機

ットが開いている様子が分かる．その際，溶液を加⑨以下⑤~⑧を繰り返すえることで濃度が減少し，蛍光の最大値が徐々に減

え，同様の操作を繰り返す．

実験結果と評価

少することに注意する．
最初に加える A，B，C のサンプルは，アニーリン

このデータからは反応時間や速度に関する知見がグ(☞ 76)をすることで確実に構造を作らせることも得られる．具体的には二次反応の関数(☞39)を数値ラできるが，今回は単に混ぜて良くボルテックス(☞

イブラリ(☞ 60)でフィッティングし，反応速度定数75)したものを使った．

を求めることができる．その際に，縦軸の蛍光強度サンプルをセルに入れた後，②において待機する

は無次元の値であり，正規化が必要な点に注意する．

のは，分光計の光源であるランプや，サンプル内の一連の実験は，酵素反応を使った DNA システム

温度が安定するのを待つためである．この間に励起[2](☞ 33)の評価に応用することもできる．その場合

光と蛍光の波長やスリットの大きさなどを設定する．

は分光計ではなく qPCR 装置を使い，セルではなく今回用いた蛍光分子は TET であり，励起波長と蛍光チューブを用いる．他には，一つの波長だけでなく，波長をそれぞれ 520nm と 541nm にした．励起光のスペクトルの時間発展を観察する応用も可能である．

高波長側が蛍光波長に重なっていたり，SN 比が問題

F0 追加になったりすることがあるため，細かな調整が必要

F0 追加

である．スターラーにより常に撹拌されている状態

FC 追加にするのと，温調装置により一定の温度に保たれていることに注意する．

FC 追加

蛍光の値が安定すれば装置の開始ボタンを押し，蛍光値の記録を行う．まずは開いた状態での蛍光を
300 秒記録した．
その後ピンセットを閉じるシグナル DNA の FC を

図 1 FRET の結果

加える．ピンセットが閉じ，蛍光値は減少する様子(東北大学で測定)を観察する．溶液中に存在する DNA ピンセットが参考文献

閉じるのを待つために 500 秒待機した．反応が終わるまでの時間は，反応速度に依存して変わる．ここでの待機時間は一概に何秒が良いとは言えないので，蛍光値が安定するまで待機するか，あらかじめ決め
た時間待機する．

[1] Bernard Yurke, Andrew J. Turberfield, Allen P. Mills
Jr, Friedrich C. Simmel, Jennifer L. Neumann: "ADNA-fuelled molecular machine made of DNA", Nature,406, 605--608, 2000
[2] Adrien Padirac, Teruo Fujii, Yannick Rondelez:"Bottom-up construction of in vitro switchable
memories", Proceedings of the National Academy of
Sciences, 109, E3212--E3220, 2012

川又生吹（東北大学）

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分子ロボティクス研究会編
DNA 分子デザインのすべて
BIOMOD 虎の巻（2016 年度版）

本著作物の著作権は著者にあり、CBI 学会は、本著作物に関する、複製、配布、改変、再出版の権利を持つ。
ISBN 978-4-9909076-6-2

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