九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1012004AC（様式第４号）
軟 X 線 吸 収 分 光 法 に よ る 水 和 DNA 分 子 薄 膜 の 研 究 (I)NEXAFS spectroscopy of hydrated DNA thin films by soft X -rays（ I）
藤井健太郎

Kentaro FUJII
独立行政法人

日本原子力研究開発機構

Japan Atomic Energy Agency※ 長 期 利 用 課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 す る こ と 。

１．概要
水 和 に よ る DNA の 電 子 状 態 の 変 化 を 観 測 す る た め 、 乾 燥 DNA と 水 和 DNA の 光 電子および軟 X 線吸収スペクトルを比較した。
（ English ）To compare the electronic structure of hydrated DNA, we observed the photo -electron
spectra and X-ray absorption spectra of dried and hydrated DNA films.

２．背景と研究目的：
これまでに我々は単色軟 X 線の照射によって DNA 中に生成する DNA 主鎖切断や塩基損傷といった各種分子変異の定量を行い、窒素および酸素 K 殻イオン化によって遺伝子である塩基部位や DNA 主鎖の切断が顕著に増加すること、さらに塩基の種類によって誘発頻度が照射エネルギーによって変化することを明らかにした[1-3]。そしてこれらの損傷の誘発に、DNA 分子に強固に結合した水和水分子のイオン化後の電荷移動が深く関わっていると推測されている[1-3]。しかし、その損傷生成過程の詳細なメカニズムは明らかになっていない。そのため、単色軟 X 線の照射した水和 DNA 分子について化学結合を反映した電子状態の詳細を知ることは、その反応過程の詳細を知る上で必要不可欠である。そこで、本課題では単色軟 X 線の照射した時の水和或いは未水和 DNA に関して軟 X 線吸収スペクトル測定を行い、生化学実験の結果との比較より DNA 損傷の誘発に水和水分子がどのように寄与しているかを明らかにする。平成 22 年度に行った長期課題により、DNA 薄膜や粉末試料の軟 X 線吸収スペクトルの測定を行い、マクロな DNA の形態の違いによる軟 X 線吸収スペクトルの違いが観測された。
しかし、これらの変化が水和によるものかどうかは明らかになっていない。
本課題では、DNA に強固に吸着した水和水分子が電子状態変化にどのように寄与しているかを明らかにすることが狙いである。そのために、軟 X 線吸収スペクトルの測定を行うための真空装置内で、水和 DNA と未水和 DNA を再現する必要がある。そこで、熱処理あるいは低温に冷却した DNA に対して、当該ビームラインで現在開発中の高感度な全蛍光収量測定装置と試料電流測定装置を用い、DNA の表面およびバルク敏感な軟 X 線吸収スペクトルの同時測定を行う。

３．実験内容（試料、実験方法の説明）
試料は仔牛胸腺DNA（Calf Thymus DNA）を用い、表1のような条件で薄膜を作成した。光電子スペ
クトルは、C 1s、N 1s および O 1sスペクトルのピーク位置及び強度比に着目して測定した。軟X線
吸収スペクトルは、P2p、C1s、N1sおよびO1s吸収端近傍のスペクトルを測定した。試料は、サンプルバンクホルダーに設置されたヒーターにより加熱した。温度は、サンプルバンク裏面の熱電対でモニターした。加熱処理は最初に150℃で30分間行った。その後スペクトルを測定し、さらに200℃5分間加熱した。試料基板は基板の法線が放射光の入射に対して０°（直入射条件）に配置した。
表1
試料形状
製造元
作成方法

基板膜厚

仔牛胸腺 DNA
薄膜
Sigma (D-1501)
1mg/mL 水溶液 300L を基板(30mm x30mm)上に滴下後大気中で自然乾燥。乾燥後に基板を10mm x 10mm に切断
Si(100) (10mm x 10mm)～300nmIntensity (normalized)

４．実験結果と考察
加熱前後での窒素 1s および酸素 1s の吸収端（NEXAFS）スペクトルを図 1 および図 2 に示す。図１の窒素 K 殻 NEXAFS スペクトルにおいて、加熱により 399-402eV 付近の*共鳴ピーク強度が減少した。一方、図２の酸素 K 殻 NEXAFS スペクトルにおいて、加熱による顕著なスペクトル変化は見られなかった。図１より*ピーク強度が減少することから、ランダムな配向で存在した核酸塩基分子のプリンあるいはピリミジン環が基板に対して平行に配向したことを示唆している。これは加熱処理により、DNA に強固に吸着した水分子が脱離し、Si 基板上の DNA 塩基分子が折りたたまれて、スタックした構造に変化したものと推測される。

非加熱
150℃30分加熱
150℃30分加熱+200℃5分加熱
3210395400405410415420425430

Photon energy (eV)
図 1 加熱前後の DNA 薄膜の窒素 K 殻 NEXAFS スペクトル

Intensity (normalized)

非加熱
150℃30分加熱
150℃30分加熱+200℃5分加熱

210525530535540545550

Photon energy (eV)
図 2 加熱前後の DNA 薄膜の酸素 K 殻 NEXAFS スペクトル５．今後の課題：
今後は昇温脱離実験などの結果を元に上記の条件において作成した DNA 薄膜試料にどのくらいの水分子が吸着しているかを見積もることが必要である。また、DNA 薄膜試料を加熱した時の実際の試料温度を正確にモニターし、昇温脱離実験の結果と比較することにより各温度での水和水吸着量を推測する。また、NEXAFS スペクトルの放射光入射角度依存性を測定し、DNA に吸着していた水分子が脱離した際の DNA 薄膜の配向状態の変化について知見を得ることを予定している。
６．論文発表状況・特許状況
未定
７．参考文献1) Spectroscopic study of radiation-induced DNA lesions and their susceptibility to enzymatic repair. A.
Yokoya, K. Fujii, N. Shikazono, and M. Ukai, Charged Particle and Photon Interactions with Matter - Recent
Advances, Applications, and Interfaces, ed. by Y. Hatano, Y. Katsumura, A. Mozumder, Taylor & Francis, Boca
Raton Chapter 20 543-574 (2010).
2) 軟 X 線照射による DNA 損傷の光子エネルギーによる選択的な依存性 藤井健太郎、放射線化学、
90 17-22 （2010）.（学会奨励賞受賞記事）
Nucleobase lesions and strand breaks in dry DNA thin film selectively induced by monochromatic soft X-rays.
K. Fujii, N. Shikazono, and A. Yokoya, J. Phys. Chem. B, 113 16007-16015 (2009).
3) Induction of single strand breaks, and base lesions in plasmid DNA films induced by carbon, nitrogen, andoxygen KLL Auger process. K. Fujii, A. Yokoya, and N. Shikazono, Int. J. Radiat. Biol. 84 1104-1111 (2008).
８．キーワード（試料及び実験方法を特定する用語を２～３）・軟 X 線吸収スペクトル（X 線吸収端近傍微細構造（NEXAFS）スペクトル）
X 線の吸収が起こるとき、一部が物質に吸収される。入射 X 線のエネルギーを変化させて、X 線の吸収率を測定すると、あるエネルギーで吸収率が急激に変化する部分がある。この部分を吸収端と呼び、吸収端近傍の吸収スペクトルを NEXAFS（Near Edge X-ray Absorption Fine Structure）と呼び、この部分の解析から、物質中の特定元素の電子構造に関する情報が得られる。