DNA および脂質二重膜近傍のナノスケールイオンマッピング
Nanoscale ion mapping near DNA and lipid bilayers
所属機関： 東京大学
代表研究者氏名：内山 聖一
研究期間： 2021 年 10 月 24 日～2021 年 12 月 1 日
区分：個人 A
滞在研究機関： School of Chemistry and Chemical Engineering,
Queen’s University Belfast, BT9 5AG, Belfast, UK共同研究者等： Prof. A. Prasanna de Silva
In this project, I performed nanoscale ion mapping near DNA and lipid bilayers using a series of fluorescentanthracene and benzofurazan compounds. These compounds consist of a fluorophore (anthracene or benzofurazan), ananchor to attach to DNA or lipid bilayers, a H+/Na+ binding site and a position controlling moiety to determine theirposition near DNA and lipid bilayer structures. In fluorescence titrations of DNA or lipid bilayer solution, a dissociation
constant for the binding site and ions can be determined by changes in fluorescence intensity as a parameter for local ion
concentration. Also, the information concerning nanoenvironmental polarity at the position where each sensor waslocated was evaluated from the maximum emission wavelength. By collecting data using multiple fluorescent ionsensors, nanoscale ion mapping near DNA and lipid bilayers were conducted.

海外研究活動概要

2016, 55, 768; Chem. Eur. J., 2019, 25, 8522）。

細胞膜に代表される三次元構造体は、独自のナノ本研究課題では、これらの先行研究をさらに発展環境を創り出す。そしてそのナノ環境を探ることは、させ、計測対象の三次元構造体を DNA および脂質生命現象の神秘を解き明かす上で不可避な課題であ二重膜であるベシクルへと拡張する。de Silva 教授らる。例えばそれは、Peter Mitchell が化学浸透圧説ににより新たに合成された 4 種類の DNA に結合するよるノーベル化学賞を受賞した 1978 年から 40 年以

蛍光 Na+イオンセンサーを用いて DNA 近傍の Na+イ上にもわたって、脂溶性膜近傍における H+イオン濃オン濃度を計測するとともに，これまでに内山が開度勾配が、生物エネルギー論の主たるテーマであり発した中から 4 種類の蛍光 H+イオンセンサーを用い続けることにも表れている。しかしながら、三次元て，カチオン性，アニオン性ベシクル近傍の H+イオ構造体における位置特異的なナノ環境の報告は、蛍ン濃度の計測を試みた。

光センサーを利用して計測した膜近傍の極性勾配に限られており、H+イオン、Na+イオンのようなイオンに対する濃度計測は不可能であった。

成果①DNA 近傍の Na+イオン濃度マッピング：試料とこれに対して研究代表者である内山は、滞在研究してウシ胸腺由来およびサケ精液由来の DNA を購

機関の de Silva 教授との先行共同研究において、膜入し、de Silva 研で合成された 4 種蛍光 Na+イオンセ近傍における位置調節部位を導入した蛍光 H+ イオンサー（Na+補足部位としてベンゾクラウンエーテル、ンセンサーを 33 種類、蛍光 Na+イオンセンサーを 6蛍光団としてアントラセン、DNA 結合部位としてナ種類それぞれ合成し、モデル膜であるアニオン性、フタレンアンモニウム構造を備える）を用いて、中性、カチオン性の各ミセル近傍における H+イオン

DNA 近傍における Na+イオン濃度依存的な蛍光強度濃度、Na+イオン濃度のマッピング成功した（Angew.

変化を観察した。蛍光センサーと Na+イオンの見かChem. Int. Ed., 2008, 47, 4667; Angew. Chem. Int. Ed.,けの結合定数は DNA 存在時に有意に増加しており、

これは DNA 近傍にて Na+イオンが局所的に濃縮されと変化が無かったものの、蛍光センサーの疎水性がていることを明確に表す世界初となるデータである。

増すにつれて pKa が負に 3.5～4.0 シフトしていた。

滞在先の Queen’s 大学にて 4 種蛍光 Na+イオンセンサ

また、蛍光センサーの疎水性が増加するほど、蛍光ーを用いた全ての計測実験を完了しており、基本的滴定における最大蛍光波長が短波長側にシフトしてなデータ分析の方法、指針を de Silva 教授とのディいた。この結果は、疎水性が増すに連れて、蛍光 H+スカッションで決定した。これらに基づいて、現在イオンセンサーの存在位置がベシクル膜の内部に近は得られたデータの詳細な解析を進めている。

づくこと、ベシクル内部ではカチオン性基による静②ベシクル近傍の H+イオン濃度マッピング：ベシ

電相互作用と、誘電的な効果が競争的に働くことにクルはアニオン性の DHP（dihexadecyl phosphate）おより、H+イオンが少なくとも 103.5～104.0 倍（3,162よ び カ チ オ ン 性 の DODAC （ dimethyldioctadecyl-～10,000 倍）希釈されていることを表している。得ammonium chloride）を選択し、50℃、2～4 時間の超られた測定結果を基に de Silva 教授とディスカッシ

音波照射によって目的とするベシクル溶液を調製しョンを重ね、本研究成果が世界初となる脂質二重膜た。調製した溶液に対して、直径 30～50 nm 程度の近傍のイオン濃度マッピングの実例となることを確ベシクルが存在していることを、電子顕微鏡による認した。さらにこの成果は、脂質二重膜近傍におけ観察ならびに動的光散乱法により確認した。さらに、る蛍光イオンセンサーの位置調整の初めてとなる実

個々の蛍光 H+イオンセンサーが、それぞれの親疎水例でもある。効果的なこれらの成果の発表を目指し性に応じて膜近傍の異なった場所に存在し得ることて、現在、その方法を検討中である。

を中性子反射率測定により確認した。また、ベシクル溶液を用いた蛍光滴定において、蛍光 H+イオンセンサーの存在が、ベシクル膜構造のサイズや形状に影響を与えていないことを小角 X 線散乱の測定によ

今後の展望
DNA 近傍の Na+イオン濃度マッピングに関しては、り確認した（いずれも国内での実験）。アニオン性計画した全ての実験を既に終えており、結果も良好

DHP ベシクルを用いた H+イオン濃度マッピングでであることから、今後は de Silva 教授の主導のもと、は、検討に用いた蛍光性 H+イオンセンサーの pKa

研究成果のまとめと論文発表を行う予定である。ベ

がいずれも水中の値と比較して 0.4～0.9 正にシフト

シクル近傍の H+イオン濃度マッピングに関しても、しており、ベシクル近傍のナノ環境において H+イオ

研究仮説通りの良好な結果が得られたため、まずは、ンが 100.4～100.9 倍（2.5～7.9 倍）濃縮されているこ

新型コロナウイルスの沈静化を待って自ら学会発表とが明らかになった。一方、最大蛍光波長から見積を行いたい。さらに帰国後の現在は、脂質二重膜構もることのできる蛍光 H+イオンセンサーの位置は、造をより生体試料由来に近づけることを目的として、使用したセンサーの種類によって大きくは変わってHeLa（ヒト子宮頸がん）細胞を使用した細胞膜近傍

おらず、DHP 分子のリン酸基と蛍光センサーの間にの H+イオン濃度マッピングを計画しており、2022イオン－双極子相互作用などの強い引力が働いてい年夏までにはその実験を終了させたい。その後、そることが分かった。カチオン性の DODAC ベシクル

れらの細胞実験データならびに解析結果を包括したを用いた H+イオン濃度マッピングでは、最も親水性形で、内山主導のもと、論文発表を行う予定である。の高い蛍光センサーを利用した際に、水中の pKa 値