７月１０日材料工学序論

50nm

発表内容
➢経歴
➢自己組織化と自己集合➢ＤＮＡの特徴➢DNAタイルの結晶化➢DNAナノテクノロジー➢結晶構造はどうやって決まるか？ＤＮＡとナノ粒子で構造のモデリング➢脂質二重膜を用いたＤＮＡ被覆ナノ粒子の２次元結晶化

経歴
1995年 早稲田大学理工学部 応用物理学科入学
1999年 早稲田大学大学院理工学研究科物理学及応用物理学専攻入学
表面物理の研究に携わり、の世界に魅せられる

2001年 （株）日立製作所入社
2003年 東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻生命環境科学系（物理）の魅力にはまる
2007年 博士の学位取得（東京大学）
2008年 科学技術振興機構（JST）さきがけ研究員
2009年 渡米 Brookhaven National Lab., Center for Functional Nanomaterials (NY)2012年 帰国 名古屋大学工学研究科マテリアル理工学専攻

3

様々なスケールのSelf-Assembly
ナイロン（＋）とテフロン（ー） cmmm
http://www.blog.gurukpo.com/tobacco-mosaic-virus
http://www.newworldencycl
opedia.org/entry/File:ADNA,_B-DNA_and_Z-DNA.png

10 -2

10 -3μm

ベシクル
ウイルス

10 -6DNAnmÅ
10 -10

10 -9

Self-Assemblyの特徴
１．可逆プロセス
２．構成成分は予め系内に存在
３．構成成分のデザインにより人為的制御可能
By G. Whitesides

自己組織化と自己集合
Self-organization

直訳・時空間周期性
・熱力学的平衡から遠い・要素の大きさより2-5桁大きい

http://www.kobeymca.org/ys/index.cgi?page=6

自己組織化
複数の要素（個）からなるシステムが時間Self-Assemblyと共に何らかの意味で自発的に秩序化する過程

http://www.oasisnature.jp/photos/search/themes/405c1ff8-0dd3-bf45-1cf8c10d18e541ec/match/part/type/all/page/153/itemCount/19

Self-assembly

直訳

自己集合
熱平衡近傍の自己組織化

・空間周期性・熱力学的平衡近傍・要素の大きさ10nm「自己組織化ナノマテリアル」フロンティア出版他より

N

N

NON

N

H

H

水素結合

H
N

H O

塩基O

N
O
3’5’2’PO

O

2’O

C
H3O－

N

N

Thymine(T)

H

糖
3’

Cytosine (C)

O

N

H

O

3’

Guanin(G)

N

N
H

2’N

N

3’O

O

Adenin (A)DeoxyriboNucleic Acid
デオキシリボ核酸

3’ O

3’ O P O
O O
2’N

P O
O

5’O

5’O

5’O－

H

O－

5’

P
O－リン酸

5’

ＤＮＡ二重螺旋安定化に寄与する結合力
１．水素結合ファンデルワールス力
1 kJ/mol程度<水素結合
10〜40 kJ/mol<<

共有結合
500 kJ/mol程度

２．スタッキング（積み重ね）相互作用
・π-π相互作用（芳香環の間に働く相互作用）
・疎水結合（疎水性分子同士が水にはじかれ、集合する現象）

DNAの融解とハイブリダイゼーション
徐冷

徐冷

加熱

加熱

可逆反応

http://weblearningplaza.jst.go.jp/WLPRelationMap/Page2/1_4.html

DNAの高次構造
DNA二重鎖：・枝分かれしていない直線状の分子

ATGGCATGATGCTCACG
TACCGTACTACGAGTGC

・両端に粘着末端を持つＤＮＡ二重鎖

1

CATGATGCTCACG
TACCGTACTACGA

2+2*

GCGTTAGGTATGG
GTGCCGCAATCCA

1*

CATGATGCTCACG GCGTTAGGTATGGCATGATGCTCACG GCGTTAGGTATGG
TACCGTACTACGA GTGCCGCAATCCA TACCGTACTACGA GTGCCGCAATCCA

二次元、三次元の複雑な構造を作るには“枝分かれした結合部”が必要

ＤＮＡの枝分かれ結合

TGAGCACGCCGAATGC

配列の対称性あり

ACTATGGC
GCATTCGGCGCAATCCCGTGCTCAGGATTGCG

結合部が動かない
枝分かれ結合GCCATAGT

Holliday junction：
相同的組み換えの際に中間体として現れる配列の対称性なし
Seeman, N.C., J Theor Biol. (1982)

DNA double-crossover (DX) tile
Fu, T.J. and Seeman, N.C., Biochemistry (1993)

DAE

DAO

1 turns

1.5 turns

Double-crossover Antiparallel molecule
separated by Even numbers of half-turns

Double-crossover Antiparallel molecule
separated by Odd numbers of half-turns

・枝分かれ結合を二つ含むことで、ＤＮＡに硬さを持たせることができる・平面を敷詰められることから“ＤＮＡタイル”と呼ばれる

DNAタイルの結晶化
GCGTTAGGTCATGATGCTCACG
GTACTACGAGTGCCGCAATCCA
粘着末端95℃

B

A

A
A
A
A
RT

B*
B*
B*
B*

A
A
A
A

B*
B*
B*
B*

A
A
A
A

B*
B*
B*
B*

50nm

Photo-cross-linked DNA tile arrays
Py
21aba23A
a3 a4

CNVK

a1b4

b31’B

3’Py

b12’b2

CNVK

95 bases (9 turns): ~30.8 nm

self-assembly

3μm×3μm

150nm×150nm[Y. Yoshimura and K. Fujimoto, Org. Lett. 2008, 10(15), 3227]
CNVK: 3-cyanovinylcarbazole nucleoside

Photo-cross-linked DNA tile
arrays after heating at 70℃[M. Tagawa et al., Soft
Matter (2011), 7, 10931

FM-AFMによるDNAタイルアレイの高分解能測定

30nm

height [pm]10nm

position [nm]Frequency Modulation Atomic Force Microscopy(Collaboration with NICT & JEOL)Structural DNA Nanotechnology

Nature Nanotechnology, 6, 763–772 (2011)https://www.youtube.com/watch?v=5yH5LTXxFzk

結晶構造は何できまるか？

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30505.html

17ナノ粒子とＤＮＡで結晶モデリング
ナノ粒子

DNA被覆ナノ粒子(DNA-NP)
一本鎖DNAナノ粒子

DNA

ナノ粒子間でDNA二重螺旋を形成させることで、ナノ粒子を結合する。

http://polyhedra.cocolognifty.com/blog/2013/01/hgsb-6f54.html

結合手を設計できれば、結晶構造の制御が可能。

既存の物質から新しい性質を創造する
光学的、電気的、磁気的、触媒的に新奇な性質

サイズ効果の利用、物質を複合することによる相乗効果の利用

http://www.bnl.gov/cfn/news/news.php?a=11581

ナノ～メゾスコピック領域の構造は物質の性質と強く関係する

ナノ～メゾスコピック領域の物質の構造制御の方法論の確立の重要性

対象とする領域

0.1nm

1nm

10nm

100nm

ナノ粒子
コロイド粒子・コロイド次元
メゾスコピック領域
表面効果
量子効果

1μm

10μm

100μm

ナノ粒子：種類とサイズによる色の変化

http://www.tedpella.com/gold_html/goldsols.htm

表面プラズモン共鳴：金属中の電子が光と相互作用起こす現象

教会のステンドグラス
http://nano-tech.blogspot.jp/p/history.html

Lvcurqus Cup
http://www.theengineer.co.uk/news/opto
electronics-researchinspired-by-stainedglass/1003817.article

http://www.sigmaaldrich.com/japan/m
aterialscience/nano-materials/silvernanoparticles.html

構造色：幾何学的な構造に起因する色。耐退色性。

Rayleigh散乱
光の波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱

2𝜋𝜋5𝑚𝑚𝑚−1 2 𝑑𝑑6
ks=𝑛𝑛𝑚𝑚𝑚+23
λ4

Ks:散乱係数 n:単位体積当たりの粒子数 m:粒子の屈折率 d:粒子径 λ:波長
➢ Ksが小さいと透明度が上がり、大きいと濁る

http://www.ryuto.jp/product/index.html

DNA-mediated Nanoparticle Assembly

DNA-programmable nanoparticle
crystallization
S. Y. Park et al. Nature 451, 549-552 (2008)

DNA-guided crystallizationof colloidal nanoparticles
Oleg Gang et al. Nature 451, 549-552 (2008) Nanoparticle Superlattice Engineering with DNA
Chad A. Mirkin et al. Science 334, 204-208 (2011)

サンプル

Small-Angle X-ray Scattering
Ｘ線小角散乱Nature 451, 549-552 (2008)

DNA被覆ナノ粒子の2次元結晶化

基板への吸着と表面拡散によるDNA-NPの2次元結晶化の模式図
流動性を持つ物質に固定化する(吸着)DNA-NP
粒子同士の結合吸着
表面拡散(2次元拡散)下地の拡散によりDNA-NPを拡散させる(2次元拡散)

DNAを介してナノ粒子同士を結合させる(粒子同士の結合)

脂質二重膜脂質分子(DMPC)の構造
疎水基

脂質二重膜に吸着したDNA[3]

親水基

脂質二重膜
液中DNA脂質二重膜
DMPCの拡散係数の温度依存性[4]相転移温度

・DNAとの親和性
・平面内の流動性

液晶相の脂質分子は高い流動性を示す。
(10-7 cm2/s: 1秒間に2 μm程度移動する)
Z. V. Leonenko et al., Langmuir, 18 (2002) 4873-4884.
E. Wu et al., Biochem., 16 (1977) 3936–3941.

拡散係数 (cm2/s)

10-7

ゲル相

10-8

10-9

液晶相
10-10
温度 (oC)

実験方法
脂質二重膜・脂質分子: Dimethyl dioctadecyl ammonium
bromide (DDAB)※DNAとの親和性が高いカチオン性の脂質の一つ。
・相転移温度: 55oC[4]・製膜方法: ベシクルフュージョン法
・基板: マイカ

1. 基板上に脂質二重膜を作製

2. DNA-AuNPを滴下
DNA-AuNPの吸着

DNA被覆金ナノ粒子(DNA-AuNP)
金ナノ粒子(直径12 nm)

3. 脂質分子の拡散を促進するために60oCに保持
DNA-AuNPの2次元拡散DNA二重螺旋の対となる2種類の一本鎖DNAを金ナノ粒子に別々に被覆した。

観察
原子間力顕微鏡(AFM)による液中観察。

4. 徐冷
粒子同士の結合DNA-AuNPの2次元結晶
滴下直後

1 µm

24.7 nm-19.1 nm

徐冷後

1 µm

9.8 nm

100 nm徐冷
高温保持(60oC)

徐冷後は、DNA-AuNPが緻密に且つ2次元的に配列した。

-8.1 nm拡散定数の温度依存性
脂質二重膜

脂質二重膜上のDNA-AuNP

約2倍

Diffusion coefficient [μm2/s]

DNA-AuNPを吸着させた
脂質二重膜

拡散定数の温度依存性

約2桁

Temperature [oC]

50℃付近で拡散係数が大きく変化した。
脂質分子とDNA-AuNPの拡散係数には約2桁の差がある。

シミュレーションによる構造制御の予測

Hexagonal Lattice

Rectangular Lattice
１0.87
0.5

Square Lattice
0.71
１

構造制御

2/13

正方格子

結合手

A

B

結晶化A

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B
L

A

A

B

B
√2 L

結合手を任意に設定できれば、周期構造を制御可能。

http://www.numse.nagoya-u.ac.jp/ujihara/