ゲノム DNA のリン酸骨格上をアト秒で移動する
伝導電子を直接観測―内殻正孔時計法を応用―
池浦広美

産業技術総合研究所

計測フロンティア研究部門〒3058568 茨城県つくば市梅園 111

関口哲弘

日本原子力研究開発機構

つくば中央 25

量子ビーム応用研究部門〒3191195 茨城県那珂郡東海村白方白根 24

要旨

DNA の伝導性は分子ワイヤーの実現のみならず，癌化や老化の要因となる DNA 損傷の検出や修復のメカニズムに関与しているといわれている。共鳴オージェ電子分光法と X 線吸収分光法を組み合わせることにより DNA の伝導
電子の動きを直接観察する手法を構築した。その結果，ゲノム DNA では絶縁性の糖と結合しているにもかかわらず，リン酸骨格の伝導帯中を超高速で動く電子の観測に成功した。一方，チオリン酸基を導入した非周期性のリン酸骨格をもつ
アンチセンス DNA ではこのような電子は観測できなかった。内殻正孔時計法を利用すると，wet DNA の伝導帯電子の非局在化に要する時間は約740アト秒と求められ，このような速い電子移動はカーボンナノチューブのフェルミ速度にも匹敵する。

1. はじめに内の細胞の癌化や老化の要因である DNA 損傷の検出や修復のメカニズムに関与しているといわれている6)。細胞内

1953年にワトソンとクリックによって，DNA がリン酸

では，タンパク質からなる酵素によって損傷を修復したと糖からなる骨格（主鎖，赤色と青色で表示）に囲まれてり，細胞死を引き起こしたりすることによって生体活動が塩基（黄色で表示）が配列した Fig. 1(a)に示すような二重維持されている。そのためにはまず，できるだけ速く損傷

らせん構造であることが明らかにされて以来1)，塩基の重部位を見つけることが必要であるが，酵素と DNA の構造なった構造が層状化合物のグラファイトに似ていることかのもつ「鍵と鍵穴」だけの関係では巨大ゲノム中の損傷部

ら，電気伝導性があるのではないかと考えられてきた。

位を即座に探し出すのは難しいからである。例えば，同じDNA では， Fig. 1 ( b )に示すような四種類の塩基（アデニ形をした鍵穴の材質の違いを見分けるようなもっと別な機

ングアニンシトシンチミン）が水素結合で相補的な能が関係していると考えられている。その候補の一つが，対（アデニンとチミン，グアニンとシトシン）をつくって，

DNA の電荷輸送特性である。つまり，修復酵素が DNA

二重らせん軸の方向に沿って配列している。 1962 年頃，の表面を走査して 30 億もの塩基対の中から損傷部位を探Eley と Spivey は DNA やヌクレオチドなどの電気特性のしだすときに，電荷輸送を利用して走査を補助することで実験結果から DNA の伝導性を示唆するとともに，塩基対修復酵素が即座に損傷部位を見つけ出すのを助けるというのもつ p 電子が主鎖に沿って一次元的な相互作用（p スタ

ものである。今日では DNA の塩基の重なりを通って長距ッキング）を有し，塩基対の重なりに沿って電子が移動す離でホールが移動することが明らかになりつつある7)。こるというモデルを提唱した2)（Fig. 1(a)緑色矢印参照）。ここで電荷移動とはホール（正電荷）移動および電子移動をれが今日の主流のモデルとな っている。同時期に Bril-

総称している。また，染色体末端にあり老化にその長さがlouin は彼の理論を基礎として DNA のリン酸基の周期性関係するといわれているテロメアは，自身が電荷移動によからリン酸骨格上に伝導性があることを提唱した3)（Fig. 1

り酸化されることで染色体を守っているというモデルも提(a)赤色と青色矢印参照）。しかしながら，リン酸基が絶縁唱されている8) 。これらの例からもわかるように， DNA性である糖に結合していることや，たとえ伝導帯をもっての伝導性と生物機能とは強いかかわりがあり，バンドギャいたとしてもバンドギャップが大きいことが予想されるたップの大きさよりもその輸送機構を調べることが重要とな

め，リン酸 骨格の伝導 性について は最近の筆 者らの報っている。

告4,5) まで 40 年間ほとんど取り上げられることはなかった。

それならば，リン酸骨格に沿った電荷輸送においても塩基の場合と同様に損傷部位の探査に関係しているとは考え

DNA の伝導性，言い換えると，電荷輸送特性は，生体られないだろうか。例えば，DNA 複製で生じたミスマッ

放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5 ● 243(C) 2008 The Japanese Society for Synchrotron Radiation ResearchFig. 1(a) A double helical structure of BDNA (Deoxyribonucleic acid). (b) Schematic representation of phosphodiester linkage. The four bases are adenine (A), thymine (T), guanine (G) and cytosine (C). (c) Schematic
representation of phosphorothioate linkage.

チ（誤った塩基対合）の塩基除去修復機構にリン酸骨格の測することができる。

切れ目（ニック）が重要な役割をもち，酵素がニックをも

本稿では，周期性のリン酸骨格をもつ DNA と非周期性

つ一本鎖 DNA を選択的に切断して塩基を除去することがのリン酸骨格をもつアンチセンス DNA の実例を通して，報告されている9)。このようにニックのある方の鎖を識別新たに構築した手法とその注意点について説明するとともしたりニックを修復したりするのに，酵素はリン酸骨格にに，DNA の伝導性や生物機能との関わりについても紹介沿った電荷輸送を利用しているのではないだろうか。いずしたい。

れにしても，まずリン酸骨格の電荷輸送特性について知ら2. DNA の伝導性なければならない。
そこで，筆者らはリン酸骨格の電子伝導性を調べることを目的として，これまで吸着種から基板への電子移動時間の測定に用いられてきた内殻正孔時計法10) （内殻正孔寿2.1

癌化や老化のメカニズム解明への期待

DNA は生命の基本設計図（遺伝情報）が刻み込まれた命を内部時計として利用する方法）を一次元分子鎖に適用

直径約 2 ナノメートルの細長い紐状の物質で，ヒトの体し，伝導帯の電子移動時間の計測法に発展させた。ここで細胞では約 2 メートルもあり，直径約 10 マイクロメート

は共鳴オージェ電子分光法（ Resonant

Spectro-ルの細胞核に複雑に折りたたまれて収納されている。細胞RAS）を利用し，内殻から伝導帯へ励起された電核をテニスボールに例えると， 20 キロメートルほどの長子が内殻正孔寿命よりも長く励起サイトの周りに局在化すさの極細糸が入っているのと同じになるという。驚くべきる場合（スペクテーターオージェ電子放出）と伝導帯を通ことに，この長い DNA は，特殊なタンパク質に結合してって速い電子移動により非局在化する場合（ノーマルオー

折り畳まれ，コイルとループの重なりとなって決してもつ

ジェ電子放出）のオージェ電子収量分布から伝導帯の電子れないという。非常にうまく詰め込まれているため，タン

scopy,

Auger

移動時間を 求めている 。内殻正孔 の寿命はフ ェムト秒

パク質が近づき転写や複製，修復を行うことができ（10－15 s）からアト秒（10－18 s）領域にあるため11)，超短る13)。このような染色体 DNA に発生した損傷を速やかにパルス光源によるポンププローブ法12) で困難な時間領域修復する能力を生物は備えており，例えば染色体 DNA がの電子移動を計測できるという特色がある。そのため，ア切断された場合，1 分以内に修復が行われるという。ここ

ト秒で伝導帯中を電子が移動するような電子移動度の高いで，ある生物のもつ全ての遺伝情報をゲノムと呼ぶ。ゲノ（金属的な）伝導性について調べることができる。内殻励ム（genom ）は遺伝子（gene ）と染色体（chromosome ）起を利用した場合，複雑な分子の特定部位を選択的に励起から合成された言葉であり，筆者らの実験では魚精子からできるという特徴があり，DNA ではリン酸骨格のつくる抽出したゲノム DNA を用いている。ゲノムの不安定性

伝導帯へ直接電子を入れることができる。そのため，バンは，発癌，老化，神経疾患などの疾病を引き起こすことがドギャップの大きさにかかわらず伝導帯の電子の動きを観知られている。

244 ● 放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5

トピックス ■ ゲノム DNA のリン酸骨格上をアト秒で移動する伝導電子を直接観測―内殻正孔時計法を応用―

さて，DNA の修復を行うためには損傷部位を検出しな

その後，絶縁性を示す実験結果も数多く報告され，一分ければならないが，このような巨大なゲノム DNA の損傷

子を取り出したとしてもそのままでは分子ワイヤーとしてを生きた細胞はどのように効率よく検出しているのだろう

使えないという意見が近年優勢となっている。そのため，か。そこで登場してくるのが電荷輸送機構である。もし

配列を制御して周期性をもたせた合成 DNA の伝導性の研DNA が金属のような導線であったら，我々はどんなに長究や金属でドープした DNA の研究が盛んになっている。

い線でもテスターをあてて抵抗を測ることで断線の場所を

一方，DNA の伝導性を示す実験結果も数多く報告され，知ることができる。カリフォルニア工科大学の Barton 教

40 年を経て今なお明確な答えは得られてはいない。つい授は，DNA の塩基にくっついた二つの離れた場所にある

最近 になって これまでの 論争に決着を つけるよう な報

酵素の間で酸化還元によって電荷のやり取りを行うことで告18)があった。カーボンナノチューブに DNA をつないだ

塩基の損傷部位を探すというモデルを提唱している6) 。

実験で，塩基のミスマッチがないときはグラファイトと同ホールあるいは電子の波動関数が非局在化して重なった塩様の電気抵抗を示し，ミスマッチがあるときはその300倍

基全体に広がり DNA が導体のように振舞うと考えていの抵抗を示すというものである。つまり，DNA の伝導性る。二つの離れた場所にくっついた酵素はテスターの端子はその構造に非常に敏感でそのままでは分子ワイヤーにはのようなもので，酵素が DNA 表面にくっついて端から端使えないというものである。DNA がグラファイトと同じまで走査する必要がないため短時間に損傷部位を見つける

伝導特性をもつという点においては筆者らの結果とも一致ことができるという。また，電荷移動が塩基の配列に非常している。今後の展開が気になるところである。

に敏感なことが明らかになっており6)，塩基配列のミスマ
ッチや部分的な突然変異のメカニズムにも関係していると

3. アンチセンス DNA とはいわれている。しかしながら，不明な点も多く，生物機能の観点から DNA の電荷輸送現象の解明は非常に重要となっている。
ここで，上記 1 項で述べたミスマッチ修復機構におけ

標的遺伝子に対してアンチセンス核酸（アンチセンス

DNA ，アンチセンス RNA，それらの類似体）を結合させて特定の遺伝情報の発現を制御する手法をアンチセンス法

るニックをもつ鎖の識別や，放射線損傷などによって生じと呼び，21世紀の医療として注目されている。DNA の二たニックの部位の探索において，リン酸骨格自身が電荷輸

重らせん構造における一方の鎖状の分子をセンス，他方を送特性を持ち酵素による探査を補助しているとは考えられ

アンチセンスと呼び，DNA のアンチセンス鎖を鋳型としないだろうか。また，先に述べた Barton 教授のモデルでてセンスメッセンジャー RNA（mRNA）が合成され，そは離れた場所から探査するためには波動関数が DNA 全体

れが翻訳されてタンパク質合成が行われる。すなわち，正に広がっていることが有効であるが，ゲノム DNA の周期

常な細胞内では，DNA → mRNA →タンパク質という流れ性のない塩基配列では酸化還元電位によって塩基間で電荷で遺伝情報が伝達されている。そこで，アンチセンス核酸

移動が起こるとしても，波動関数が塩基の重なりを通してを加え， mRNA と二重鎖を形成させることによって遺伝

染色体全体に広がっているというのは難しい気もする。そ情報の流れを阻害しタンパク質合成を抑制しようという方

ういう意味においても，リン酸骨格の電荷輸送特性が塩基法である。 mRNA の塩基配列がわかっているとアンチセの損傷や修復のメカニズムなどの全貌を解明するためにはンス核酸（短い一本鎖）の合成が可能となる。例えば，ウ欠かせない役割を持っているのではないだろうか。

イルスやガン細胞の持つ遺伝子に結合するアンチセンス核

2.2分子ワイヤーへの期待

ゲノム DNA はダイヤモンド半導体のようにバンドギャ
ップが大きく伝導帯に電子をもたないことは凝集系の物性酸を合成し投与して治療を行うことができる。つまり，アンチセンス核酸は遺伝子の働きを阻害する物質であり，アンチセンス法は薬物治療法の一種である。

データからは既に明らかであった。しかしながら，一分子

現在，アンチセンス核酸としてホスホロチオエート型オを電極間につないだ場合，金属電極との接合部から結合をリゴヌクレオチド（PS オリゴ）の有効性が確かめられ広介して電荷の注入が可能なため，凝集系とは異なる特性をく用いられている。PS オリゴは，リン酸基の四つの酸素示すかもしれない。実際， 1990 年代になって，合成技術

原子の中で糖とエステル結合をつくらない二つの酸素原子やナノテクノロジーの発展により一分子計測が可能になるの一つが硫黄原子と置き換わったもので，チオリン酸基にと，lDNA のロープに金属に特有なオーミックの性質がなっている。そのため，リン酸エステル結合 n 個に対しあること14) や近接効果による超伝導性があること15) などて n 個の不斉原子をもち 2n 乗のジアステレオマーを生じが報告され，ゲノム DNA の伝導性は物性分野でも一躍注る。その一例を Fig. 1(c)に示す。ここでは交互に S 原子が目を集めるようになった16,17)。というのも，DNA に電気並んでいる。ジアステレオマー同士は化学的，物理的に異伝導性があるならば，直径 2 ナノメートルの紐状の DNAなった性質をもつ。そのため，二重鎖形成能力が低いもの

を導線（構築ブロック）として複雑なパターンを作成でき，や加水分解され易いものなどが含まれてしまい，実際に標サブミクロンの集積回路が実現可能であるからである。

的の mRNA を不活性化できるものが少ないという問題点

放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5 ● 245

がある。このような PS オリゴの電子物性を調べることも筆者らの目的の一つである。ここでは DNA の電子輸送特性を調べることが目的であり，チオリン酸基を導入した
非周期性のリン酸骨格をもつ10個のグアニン（G）が結合した PSオリゴを用いて DNA との比較実験を行った。

4. 伝導電子の動きを直接観測する方法
4.1

原理

これまで，有機物質の内殻共鳴励起では，イオン化連続
準位よりも低いエネルギーで励起した場合，励起した元素の周りで局在化すると解釈されて内殻励起の選択性を利用した研究が行われてきた。一方，金属の内殻共鳴励起では，フェルミ準位（ EF ）近傍の伝導帯中の元素選択的な非占有軌道の状態密度（partial density of state, PDOS）の情報が得られるとして研究が行われてきた。 EF 近傍の電子状態が物性に大きな影響を与えるからである。通常，

PDOS は全電子収量を用いて測定した X 線吸収微細構造（X-ray absorption ˆne structure, XAFS）スペクトルで表現される。しかしながら，後述するノーマルオージェ電子
収量を用いた場合，内殻寿命の影響によるピークの広がりを抑えたスペクトルが得られ PDOS をより明瞭に示すという報告がある19,20)。それでは伝導帯をもつ半導体や絶縁体の場合はどうだろうか。
ここで，オージェ過程とは内殻励起後の緩和過程の一つで軽元素において支配的な過程である。 X 線照射により生じた内殻正孔は外殻からの電子によって埋められ，外殻電子が放出される。通常のオージェ過程では内殻電子がイ

Fig. 2(a) A phosphorus 1s core electron is excited into an unoccupied state in the conduction band. (b) Spectator Auger ˆnalstate (2h1e) caused by localization of the electron to thecore-hole site. (c) Normal Auger ˆnal state (2h) caused bydelocalization of the electron to the conduction band
coupling to the continuum. The ˆgure was adapted from
Ref. 4.

オン化されるため，外殻に 2 つの正孔が空いた終状態をとり，ノーマルオージェ過程と呼んでいる。一方，内殻電子が非占有軌道へ励起（共鳴励起）された場合に起こるオーで，通常のパルス測定で観測するのは困難である。しかし

ジェ過程を共鳴オージェ過程と呼び，共鳴電子がオージェ

ながら，非常に短い内殻正孔寿命を内部時計として利用す過程に参与しない場合をスペクテーターオージェ過程，参るこ とで電子 の速さも見 積もることが できる。次 に，与する場合をパティシパントオージェ過程と呼んで区別しDNA の場合の具体例を示して説明する。

ている。ここではスペクテーターオージェ過程を利用している。

DNA のリンの内殻 1s 電子をリン酸骨格のつくる非占有軌道（伝導帯）に共鳴励起し，内殻正孔寿命（1.25フェム

バンドギャップが大きい場合でも共鳴励起により非占有ト秒11) ）の時計を利用すると，伝導帯中の電子の動きを軌道である伝導帯へ電子を入れることができるため，非局

アト秒領域で観測することができる。つまり，リン酸基が在性が強い（入った電子が自由に動き回れる）伝導帯をもつくる非占有軌道へ励起された電子（Fig. 2(a））が内殻正つ場合は，通常のイオン化閾値よりも前で共鳴電子が非局孔寿命よりも長く励起サイトの周りに局在化している場

在化してノーマルオージェ過程が起こり，ノーマルオージ

合，スペクテーターオージェ過程を経て緩和し 2 正孔 1

ェ電子の収量が EF 近傍の伝導帯の形状を反映すると考え電子（ 2h1e ）の終状態を生じる（ Fig. 2 ( b ））。一方，励起られる。この場合，良導体とは異なり，共鳴励起した電子

された電子が内殻正孔寿命よりも速く伝導帯中を移動してが局在化と非局在化との競争過程にあり，孤立系のような非局在化する場合，ノーマルオージェ過程を経て緩和し 2局在化した電子状態（内殻エキシトン状態）と金属のよう正孔（ 2h ）の終状態を生じる（ Fig. 2 ( c））。この 2 つの状な非局在化した電子状態（伝導帯）を示すことになる。伝態は放出されるオージェ電子のエネルギーが異なるため識導帯が非占有軌道であっても超高速で動く電子が観測でき別できる。前者は非占有軌道の局在性（共有結合性），後れば，電子伝導性をもつことがわかる。このような伝導帯

者は非局在性（導電性）を表すと解釈できる。例えば，孤中を動く電子はアト秒領域の時間で隣接原子へ移動するの

立系21) ではスペクテーターオージェ電子のみが，良導体

246 ● 放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5

トピックス ■ ゲノム DNA のリン酸骨格上をアト秒で移動する伝導電子を直接観測―内殻正孔時計法を応用―との比較により行った。通常，スペクテーターオージェ
ピークは共鳴電子（スペクテーター電子）が内殻ポテンシ
ャルを遮蔽するためノーマルオージェピークに比べ高エネ
ルギー側にシフト（スペクテーターシフト）する。（1D2)

t2と（1S0)t2でこのシフトが観測されたことから，オージェ緩和過程の間，電子が局在化した t2軌道に捕獲されていることが分かる。もし，内殻正孔が外殻電子によって埋められるまでに t2電子が伝導帯中を移動して非局在化す
るならば，終状態の電子構造はイオン化連続準位への遷移で起こるノーマルオージェ過程と同じ（1D2）と（1S0）になる。ここでは，主ピークである（1D2）と（1D2)t2の面積から求めたオージェ終状態 2h と 2h1e の収量スペクト
ルを Fig. 3 ( b )に XAFS スペクトルとともに示す。観測した KL2,3L2,3 オージェ緩和過程以外にも，共鳴電子が内殻正孔を埋めるパティシパントオージェなどの緩和過程が存在するが，（1 D2 ）と（1 D2) t2の面積の総和が XAFS スペ
クトルとよく一致していることから，ここでは KL2,3L2,3
オージェ過程が支配的であるといえる。

4.3

DNA の共鳴オージェ電子収量の励起エネルギー依存性

Fig. 3(b)に dry DNA, wet DNA, PSオリゴのオージェ終状態 2h1e の励起エネルギー依存性を赤線で示してある。
Fig. 3(a) A typical P KL2,3L2,3 resonant Auger spectrum of dry
DNA at 2152.9 eV. Spectator Auger (red line) and normal
Auger (blue line) features are visible. The dots and the solids
lines, respectively, represent the experimental data and aleast-squares ˆt. A C1s photoemission peak is also visible.
(b) Integrated intensities of spectator (open circle) and normal (open square) Auger components near the P K-edge.
Results of curve ˆtting for 2h1e and 2h spectra are shown,respectively, as red and blue lines. For dry and wet DNA, the2h cross sections were decomposed into a Gaussian function(green line) for the conduction band and a Gaussian error
function (yellow line) for the continuum. In PS-oligo, the 2hcross section was ˆtted by a Gaussian error function (blueline). The sum of 2h1e and 2h cross sections is shown as
closed circles, which is similar to P1s XAS (black line). Theˆgure was adapted from Ref. 4.

全ての試料で非対称的なピーク形状を示した。これは，分光器の分解能（低エネルギー側でのガウス関数の形状）と内殻励起状態の寿命（高エネルギー側でのローレンツ関数の形状）を反映していると考えられる。ここで 2h1e 収量
スペクトルは EF 近傍における局在化した t2の PDOS に対応する。一方，青線で示したオージェ終状態 2h の励起
エネルギー依存性では，周期性のリン酸骨格をもつ DNA
のみに興味深いピーク状の構造が観測された。ここで 2h
収 量 ス ペ ク ト ル は EF 近 傍 に お け る 非 局 在 化 し た t2のPDOS に対応する。イオン化連続準位より低エネルギー側で非局在化したピークが観測されたということは， t2
軌道がリン酸骨格の方向に広がって伝導帯をつくっているためと解釈できる。また，局在化した PDOS のピークエ
ネ ル ギ ー の 位 置 は dry DNA と wet DNA で 一 致 し て お

金 属 Ag19) で は ノ ー マ ル オ ー ジ ェ 電 子 の み が ， 金 属

り，リン酸基に局在化した内殻エキシトン状態を反映して

Pd20) ，半導体 InP22) では両方のオージェ電子が観測されいると考えられる。ただし，その幅は隣接分子との相互作ている。ただし，伝導帯のどの軌道に電子を入れるかによ用が大きい dry DNA においてより広がっていた。一方，って結果が異なる可能性はある。

非 局 在 化 し た PDOS の 構 造 は 若 干 異 な っ て お り ， dry

DNA と wet DNA の伝導帯の電子構造が同じではないこ

4.2

DNA の共鳴オージェ電子分光とを示している。

Fig. 3 ( a ) に 一 例 と し て P1s → t2遷 移23) に お け る dry

興味深いことに，各リン酸基は絶縁性のある糖と共有結

DNA の P KL2,3L2,3RAS スペクトルを示す。スペクテー

合をつくっているにもかかわらず，リン酸骨格が伝導帯をターオージェピーク［（1D2）t2と（1S0)t2］とノーマルオー

形成するのを阻害していない。これは，糖がリン酸骨格とジェピーク［（1D2）と（1S0）］がはっきりと識別できる。

塩基の間に位置し，隣接するリン酸基の間に立体的に入り

オージェピークの帰属はイオン化閾値よりも高いエネル

込んでいないことから理解できる。実際に，DNA のリン

ギーで測定されたノーマルオージェスペクトルと文献22)

酸骨格を扱ったバンド計算24) でもリン酸骨格が電子伝導

放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5 ● 247

性を持つことが報告されている。また，アモルファス構造

いため，イオン化連続準位への遷移の影響がはっきりしなをもつ wet DNA でも非局在化した PDOS が観測されてい。適用する系によってはノーマルオージェ電子の検出がいることから，結晶性ではなく，単一分子鎖としての一次イオン化連続準位への遷移を反映しているに過ぎないとい

元の周期性が軌道の非局在化に重要な役割を担っているこ

う場合もあるので注意が必要である。

とが明らかとなった。
非周期性のリン酸骨格をもつ PS オリゴの 2h 収量スペ

4.5

基底状態の電子状態との違い

クトル（Fig. 3(b)青線参照）は，孤立系21)のイオン化連続

内殻ポテンシャルは共鳴励起した電子に影響を与え局在準位に特徴的なステップ形状を示し，リン酸基の O 原子化させる働きがあるため，基底状態とは異なる電子状態をを S 原子で置換することでリン酸骨格の周期性が失われ見ている可能性がある。例えば，基底状態で，フェニルオ

た事実と一致した。このことから， PS オリゴでは t2軌

リゴマー28) やチオフェンオリゴマー29) の最低非占有軌道

道が各リン酸基に局在化していることが分かる。しかしな（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）は単量

がら，内殻励起を利用しているため，基底状態において体とは異なり p軌道が集まってバンドを作っているにもPS オリゴが主鎖上に広がった軌道（伝導帯）をもたない

かかわらず， X 線吸収スペクトルでは単量体と同じ微細ことを結論することはできない（4.5項参照）。

構造を示した。筆者らも導電性高分子の一つであるポリチ

半 導体 InP22) と 比較 する と， DNA は ス ペク テー ター

オフェンの RAS30)測定を行ったが，伝導帯中を超高速でオージェ電子収量の割合が大きく，InP と比べてより局在移動する電子は観測できなかった。これは，共役系の高分化した（電子移動度の小さい）伝導帯をもつことが分かる。

子の伝導帯では非局在性が小さいために，内殻ポテンシャ

また，InP のスペクテーターシフトは DNA に比べて非常

ルにより局在化が起こってしまうと説明できる。言い換えに小さい。これは，InP が基底状態で伝導帯に電子をもつ

ると，単量体間の共役結合が作る相互作用が強くないため

ため，その伝導電子がスペクテーター電子と占有軌道に生に，隣接する単量体間の電子移動の速度が遅く観測できなじた 2 正孔の相互作用を弱めることで説明できる。一般

いともいえる。実際に，チオフェン類似の高分子31) で測に，スペクテーター電子が占有軌道に生じた 2 正孔と弱定された隣接する単量体間のホッピング時間は約250フェくカップリングしているほどスペクテーターシフトは小さ

ムト秒と大変遅く，内殻正孔時計法では観測できない時間い25)。DNA のもつ大きなスペクテーターシフトは，基底領域である。一般に，内殻正孔時計法の適応範囲32) は内状態で伝導帯に電子をもたない（ワイドバンドギャップ）

殻正孔寿命を t とすると 0.1 t から 10 t である。ここで重ことに一致している。このように，バンドギャップの大き要なのは，内殻励起が局所的でかつ速い電子移動だけを観さに関係なく非局在化した伝導帯をもつ場合は，イオン化測するため，必ずしも基底状態における電子状態を反映し閾値よりも前で状態密度を反映してノーマルオージェ過程

ないということである。近年，内殻励起を利用しているにが起こるため，この方法は絶縁体から金属まで広く伝導帯もかかわらず，基底状態の電子構造をそのまま議論するの性質を知るのに用いることができる。

ケ ー ス が あ る が ， 1990 年 初 頭 の オ リ ゴ マ ー の 研 究 結
果28,29)からも明らかなように，有機物質の基底状態の局在

4.4 イオン化連続準位への遷移によるノーマルオージ
ェ過程との識別DNA の共鳴オージェ電子スペクトル3335) の解析におい性を 議論する 場合は充分 な注意が必要 である。実 際，孤立系（伝導帯をもたない場合）においても，イオン化て，内殻正孔時計法での解析，つまり電子の局在化と非局

閾値より上ではノーマルオージェ過程が起こるため，検出在化の競争過程を考慮しない場合は局在性という結論が導されたノーマルオージェ電子が伝導帯中の電子移動によるかれている。有機物質で非局在性の伝導帯（高い電子移動

ものか，イオン化連続準位への遷移によるものかを識別す度）をもつものは稀であるため不自然な解釈ではないが，る必要がある。一般に， XAFS スペクトルではイオン化

果たして真実を反映しているのだろうか。

連 続 準 位 へ の 遷 移 は PS オ リ ゴ の 2h 収 量 ス ペ ク ト ル

2h 収量のエネルギー依存性を測定することで見分けるこ

内殻正孔時計法の解析10)
4.3 項で記述したように t2電子の局在化と非局在化の競とができる。非局在化した伝導帯をもつ場合は EF 近傍の争過程が存在すると解釈することで，この系に内殻正孔時

状態密度を反映し， dry DNA と wet DNA のように伝導計法10) が適用できると考えた。ここでは，内殻正孔寿命帯の電子構造（緑線）とイオン化連続準位のステップ（黄（ t ）について指数関数的にオージェ緩和過程が起こるこ線）で表すことができる。

と，時間（tED）で指数関数的に伝導帯電子の非局在化が（Fig. 3(b)青線参照）のようにステップで表されるため26)，

4.6

最近，内殻正孔時計法を水の中を移動する電子のホッピ起こることを仮定すると，非局在化した状態から生じる

ング時間を求めるのに応用した例27)があるが，3 点でスペ

ノーマルオージェ過程の確率は，（ 1 ＋ tED / t )－1 となる。

クテーターオージェ電子収量とノーマルオージェ電子収量

これより，伝導帯の非局在化の時間（ tED ）と 2h と 2h1eを比較しているだけでエネルギー依存性の測定をしていなの終状態の相対強度比の関係は， tED ＝t×(I2h1e /I2h) で記

248 ● 放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5

トピックス ■ ゲノム DNA のリン酸骨格上をアト秒で移動する伝導電子を直接観測―内殻正孔時計法を応用―

補足として，内殻正孔時計法には 2 種類の解析法があり，本稿で述べたのはスペクテーターオージェ電子を利用した手法であるが他にパティシパントオージェ電子を利用した手法35) もある。しかしながら，後者の手法は孤立系との比較が必要になるため解析はより複雑になる。

5.

DNA の伝導帯電子の非局在化時間の評価観測された非局在化時間を評価するために，伝導帯中を電子が非局在化するのに約 0.3 nm の距離（ P P 間の半分の距離40) ）を移動すると仮定した。それによって， wet

DNA では，伝導電子の速さが約 4 × 105 ms－1 と見積もら
Fig. 4

Excitation energy dependence of electron-delocalization time
for dry (circles) and wet (squares) DNA. The ionization
time for PS-oligo is shown as a green triangle. Error bars
show ±1s. Each solid line is obtained by an exponential ˆt.
The ˆgure was adapted from Ref. 4.

れた。ここで求めた値は電場をかけていない状態の自由電子の速さ，すなわちフェルミ速度のようなものと仮定すると，カーボンナノチューブの電子のフェルミ速度41) にも匹敵し，典型的な金属電子のフェルミ速度にもかなり近い値といえる。DNA の塩基の pスタックを移動する電子の速度42)と比較すると約1000倍速い値であった。

述される。 t は内殻正孔寿命， I2h1e と I2h は，スペクテー
ターオージェ電子収量とノーマルオージェ電子収量である。

6. 実験条件

P 1s の寿命11)は1.25フェムト秒で0.53 eV の寿命幅に対応する。内殻正孔時計法の式の詳細は文献10,36)を参照されたい。

実験は高エネルギー加速器研究機構の放射光実験施設

BL 27A の InSb ( 111 )二結晶分光器からの単色光（ 2 ～ 3得られた DNA の電子の非局在化時間 tED の励起エネル

keV）を光源として，超高真空チャンバー中で行なった。

ギー依存性の結果を Fig. 4 に示す。実線は各データを指数

RAS 測定は電子分析器（CLASS100: Vacuum Science関数でフィッティングしたものである。tED は励起エネル

Workshop(VSW ））を用い，パスエネルギー44 eV で行

ギーが高くなるにつれて短くなっていることがわかる。吸った。その際， DNA はバンドギャップが大きくチャージ

着系での電子移動のエネルギー依存性を扱った文献32) をアップを起こすために中和銃を用いた。 XAFS 測定は試考慮すると，この系でのエネルギー依存性はトンネル障壁

料電流法を用いて行い，入射光強度が波長に大きく依存すと伝導帯の電子状態密度に起因していると推察される。非るため入射路の途中に置いた Cu メッシュからの光電流を

周期性の PS オリゴで得られた時間は励起された電子がモニターし，全ての信号をこの量で規格化した。試料にイオン化連続準位へトンネル移動するのに要する時間と考は，魚精子由来の DNANa 塩（dry DNA, M.W. 50,000

えられる。実際に，最近報告37) された実時間測定による

100,000 Da ）とホスホロチオエート型オリゴヌクレオチ

原子のトンネルイオン化時間に近い値が得られている。まド（ PS オリゴ，アンチセンス DNA ， d ( G)10）の粉末をた， wet DNA では伝導帯のピーク近傍の励起エネルギー

In 基板上に圧着したものを用いた。また，分子間の相互（2153.7 eV ）において電子の非局在化が約740±30（±s）

作用を小さくするために， dry DNA 上に水を滴下して混アト秒で起こっており，これは吸着種が基板へ起こす電荷合 し ， 透 明 な ア モ ル フ ァ ス フ ィ ル ム 状 の DNA ( wet

移動の時間にも匹敵するほど速い値である38,39)。イオン化

DNA ) の作成を行った。DNA は水を含むと分子間の距離

連続準位よりも高いエネルギーで励起した場合，周期性のが大きくなることが知られている40)。

DNA と非周期性の PS オリゴで得られた非局在化時間が近づいてくる。これは連続イオン化準位より高いエネル

7. おわりにギーへの遷移によって引き起こされる自動イオン化過程が両者で同じことを示している。しかしながら，曲線の傾き

はじめて DNA の P1s の XAFS と RAS のデータを発表

は各々の試料で異なっており，ステップの立ち上がりの幅（ BSR2004 ）したときには，化学状態マッピングの基礎や伝導帯の形状などに関係していると推察される。例え

データ取得を目的としており，電子移動に関する方向に研ば，緩やかな曲線カーブはより広がった伝導帯の幅に対応究が進むとは全く予期していなかった。塩基マッピングやすると考えられる。エネルギー依存性の詳細については理

異なる塩基配列の DNA を XAFS から識別できるかどう

論的なアプローチも含めて今後の課題である。

かについてスペクトルを測定して調べていた。その際に放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5 ● 249

XAFS スペクトルの P1s→t2遷移のピーク形状が非対称で従来用いていたカーブフィッティング（イオン化連続準位
をステップで表現）では再現できないということに気がついた。これについては非周期性のリン酸骨格をもつ DNAとの比較実験を行うことで，ようやく従来の概念にとらわれない新たな解釈，すなわち XAFS に内殻正孔時計法を適用し局在化と非局在化した PDOS の帰属を与えること
で，スペクトルが再現できることを見出した。今後どのような系に適応できるか実験的にも理論的にも調べていく必

6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13 )

要がある。しかしながら，その原理から一次元分子鎖に限定せず広く凝集系に適用でき伝導電子の動く速さを直接調べることができるため，高移動度をもつ有機電子材料探索

14)
15)
16)

などに寄与することが期待される。
このように新たな概念を導入することで，電子分光法を17)用いて電子状態だけではなく電子移動についての動的な情

18)
19)

報が得られることが明らかとなり， DNA の電子輸送が塩基に沿った軸上だけではなくリン酸基に沿ったらせん軸状にも可能であるという新しい知見を得ることができた。今20)後は得られた主鎖の電子伝導性が酵素によるニックの有無の識別や損傷の修復などの生物機能とどう関わっているかについて探っていきたい。特に，リン酸骨格について調べるには放射光はなくてはならない存在である。また，産総研においてレーザーコンプトンを利用した X 線パルス光源の利用43) が行われつつあり，一次元鎖の電子移動の実時間測定に応用できればと考えている。
謝辞
本稿で紹介した放射光測定は，高エネルギー加速器研究機構，物質構造科学研究所，BL27A および日本原子力研
究開発機構のエンドステーションを利用して放射光利用課

21)
22)
23)
24)
25)
26)
27)
28)
29)
30)
31)

題（課題番号 2005G294 ）のもとで実施しました。スタッ
フの方々に深く感謝いたします。本研究の一部は，原子力委員会の評価に基づき，文部科学省原子力試験研究費により実施されたものである。

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1)
2)

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32)
33)
34)
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トピックス ■ ゲノム DNA のリン酸骨格上をアト秒で移動する伝導電子を直接観測―内殻正孔時計法を応用―● 著者紹介 ●
池浦広美

関口哲弘

産業技術総合研究所 計測フロンティア
研究部門 主任研究員
E-mail: ikeura-sekiguchi＠aist.go.jp
専門物理化学，放射光科学，イメージ
ング［略歴］
1995 年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了，理学博士。同年工業技術院
電子技術総合研究所量子放射部研究官，
1999 年 同 部 主 任 研 究 官 ， 2000 年
McMaster 大学客員研究員（科技庁原子力在外研究員)， 2001 年 4 月組織改編により，産業技術総合研究所光技術研究部
門主任研究員， 2002 年経済産業省技術評価調査課産業技術調査官， 2004 年 7月より現所属。

日本原子力研究開発機構量子ビーム応用
研究部門 研究副主幹
E-mail: sekiguchi.tetsuhiro＠jaea.go.jp
専門物理化学，表面科学［略歴］
1994 年 3 月東京工業大学大学院理学研究課博士課程修了，同年 4 月日本原子力研究所大型放射光施設開発室研究員，1995 年 7 月学位取得（理学博士)。組織
改編後2003年 4 月より現職。

Direct observation of attosecond conduction electron
through the phosphate backbone of genomic DNA―Application of ``core-hole clock'' method―
Hiromi IKEURA-SEKIGUCHI
Tetsuhiro SEKIGUCHINational Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST), 111 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 3058568, Japan
Japan Atomic Energy Agency (JAEA),
Tokai, Naka, Ibaraki 3191195, Japan

Abstract Conductivity of DNA is key function for future molecular wires and understanding the mechanismof detection and repair of damaged DNA related to the process of cancer and aging. Delocalization of conduction electron in the empty band through the phosphate backbone in DNA was directly probed by combinationof resonant Auger spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy. Results show that ultrafast electron
delocalization was observed in genomic DNA with periodic backbones despite separation of each phosphategroup by an insulating sugar group. In antisense phosphorotioate DNA with an aperiodic backbone, suchdelocalization was not observed. Remarkably rapid electron delocalization occurs at ca. 740 attoseconds for
wet DNA, as estimated using the core-hole clock method. Such delocalization is comparable to the Fermi
velocity of carbon nanotubes.

放射光 Sept. 2008 Vol.21 No.5 ● 251