DNAフィルター

DNAフィルター
岡山理科大学理学部

山田 真路

日本バルカー工業株式会社
研究部

バルカー技術誌

Winter 2009
No.16

駒沢俊清

Double-stranded DNA is one of functional polymers, but the large amounts of DNA sources, such as
salmon milt and shellfish gonads, have been discarded as industrial waste. Therefore, conversion of thisdiscarded DNA to be a useful material would be beneficial to utilize the unique property of DNA. In thisnews, we reported the utilization of double-stranded DNA as an environmental material, such as theremoval of endocrine disruptors or heavy metal ions. Additionally, we introduce the DNA filter.
キーワード：DNA、フィルター、環境ホルモン、ダイオキシン、PCB、重金属イオン、環境浄化

１．はじめに

2．DNA の機能と材料化

日本は四方を海で囲まれている。そのため、海から容易にDNA は言うまでもなく遺伝子であるが、材料という側面か海産資源を得ることが出来る。しかしながら、これら海産資ら眺めると環境にやさしい天然由来の高分子材料である。

源の中には資源として顧みられないだけでなく、産業廃棄物

特に二重らせん DNA はアデニンとチミン、グアニンとシトシンとして処分されている物質も数多く存在している。その一つがそれぞれ塩基対となり、特徴的な二重らせん構造を形成しがサケ ( 鮭 ) の白子である。そもそもサケの卵はイクラと呼ばているため、さまざまな分子と特異的そして選択的に相互作れ美味な食品として珍重されている。しかしながら、精巣で用することができる。そのため、二重らせん DNA は様々なある白子においては一部が食用、化粧品原料、飼育に用い機能を有した高分子材料である。中でも注目される DNA のられる以外はほとんどが産業廃棄物として処分されている。

機能は「インターカレーション」である。インターカレーションとその量は年間１万トン以上と見積もられている。そのため、こは平面構造を有した分子が DNA の塩基対間に平行挿入

れら海産由来の産業廃棄物を新規な素材として利用するこする現象であり、平面構造を有した分子のみを DNA によっとが注目されている。中でも、最も注目されているのがサケのて集積することが可能である。図１に代表的なインターカレー

白子から取り出したデオキシリボ核酸 (DNA) を機能性材料ター（DNA にインターカレーションする化学物質）である臭として利用することである。このような事柄は材料という視点化エチジウムとアクリジンオレンジの構造とインターカレーションだけでなく、環境、廃棄物の有効利用、エコロジーな素材との概略図を示した。近年では、このような機能を利用した抗いう観点からも非常に重要である。そのため、近年、日本をがん剤の開発や遺伝子検出試薬の合成などが行われてい中心に世界各国で「DNA の材料化」が行われている。

る。また、もう一つの機能は、DNA がプラスの電荷を持った

本ニュースの中では、DNA を機能性材料、特にダイオキシ有機化合物や金属イオンと強く相互作用することである。こンや PCB、重金属イオンなどの環境汚染物質を除去する環

れは、DNA の基本骨格にはマイナスの電荷を持ったリン酸。

基が含まれているためアニオン性高分子としての性質を有し境浄化材として利用した、いくつかの応用例を紹介する

1）3）ていることと、４つの核酸塩基部分に金属イオンを配位する部位が多数存在するためである。以上のことから、DNA のようなインターカレーション機能を有したアニオン性高分子を3技術論文

材料として用いることによって、新しい視点に基づいた環境浄化材の開発が可能であると思われる。
しかしながら、DNA を材料として用いることは困難な事柄である。それは DNA が（1）水溶性の高分子であり、水の中で使うことができないため不溶化させる必要があること（2）環境中にはヌクレアーゼというDNA 分解酵素が存在するため、時間と共に分解されてしまう ためである。それゆえ
DNA の材料化は DNA の機能を保持したまま上記２つの欠点を補うという解決方法を用いる必要があった。DNA の不溶化方法は現在までにいくつかが報告されているので、それらの文献を参考にしていただきたいと思う。

HOバルカー技術誌

図2

OH

環境中に存在する有害な有機化合物

Winter 2009

図1

平面構造を有した分子のDNAへのインターカレーション

No.16

３．DNA によるダイオキシンの除去 1）2）
環境中には様々な有害物質が存在している。そこで、環境中に存在する有害な有機化合物について注目すると、図２に示したようなダイオキシン誘導体や PCB 誘導体、タバコの煙の中に含まれるベンズピレンのような平面構造を有した有害物質が多数存在していることがわかる。そのため、このような平面構造を有した有害物質は DNA によって除去できることが期待される。そこで、ガラスビーズ表面に DNA を固定化した DNA 固定化ビーズを作製し、このビーズをカラムに詰め、有害物質を含んだ溶液を流すことによって、これら有害物質の除去を試みた。図３に DNA 固定化ガラスビーズカ
ラムの概略図を示した。含まれている有害物質の検出は紫外吸収スペクトル測定により行った。図４に PCB 誘導体であるビフェニルの結果を示した。
（a）はカラムを通す前の吸収スペクトル、（b）はカラムを通した後の吸収スペクトルである。
この結果、DNA カラムを通すことによってビフェニルの濃度の減少が確認された。図５に様々な有害物質の除去割合を

図3

DNA固定化ガラスビーズカラムの概略図

4

DNAフィルター

面構造を有した分子に対してのみ高い選択性を示すため、人体に有用な成分を吸着しないという特性を有している。一般的に、DNA と強く相互作用する人工分子の多くはがん（癌）を誘発すると言われている。そのため、有害な化学物質が人間体内の DNAと相互作用する前に、ゴミとして処分されている他の DNA で除去するという環境浄化材はきわめて有効な方法であると思われる。

４．DNA による重金属イオンの除去 1）2）
図4

DNAカラム使用前後のビフェニルの紫外吸収スペクトル（a）
DNAカラム使用前、（b）
DNAカラム使用後

環境中に存在する有害物質の中にはダイオキシンや PCBのような有機物質だけでなく、水銀やカドミウム、鉛に代表されるような重金属イオンもある。そこで、金属イオン（水銀、カバルカー技術誌

ドミウム、鉛、銅、鉄、マグネシウム）を含んだ溶液に DNA 固定化ガラスビーズを添加し、ビーズ添加前後の金属イオン濃度を原子吸光（AAS）分析または誘電結合高周波プラズマ（ICP）分析によって求めることにより、DNAと重金属イオンとの相互作用を評価した。図６に DNA 1g に対する種々の金属イオンの吸 着 量を示した。また、対イオン（Cl−、SO42−、Winter 2009NO3−）の異なる金属イオンでも同様の実験を行った。この結果、DNA 固定化ガラスビーズは水銀やカドミウム、鉛などの人体に有害であるといわれている重金属イオンを効率よく集積することが確認された。一方、マグネシウムイオンに対してはほとんど相互作用を示さなかった。このことから、DNA は
図5

DNAカラムによる、様々な有害物質の除去

No.16

重金属イオンに対して高い選択性を有し、相互作用することが確認された。実際、数種類の金属イオンを含む溶液（水示した。この結果、DNA カラムはダイオキシン誘導体（ジベ銀、銅、カドミウム、亜鉛、マグネシウム）を DNA 固定化ガラ

ンゾ -ρ- ジオキシン、ジベンゾフラン）や PCB 誘導体（ビフェスビーズカラムに添加したところ、水銀やカドミウムなどの重金ニル）に対して効果的であり、80％以上を除去することができた。一方、平面構造を有していないビスフェノール A やジエ
チルスチルベストロール、p- ノニルフェノールなどでも同様の実験を行なったが、このような物質は全く除去されないことが確認された。これは、平面構造を有していない化合物はDNA の塩基対間にインターカレーションすることができないためである。以上の結果、DNA 固定化カラムは平面構造を有する分子のみを選択的に除去する機能を有していることが確認された。
一般的に、有害物質を除去する物質として活性炭が知られている。しかしながら、活性炭は分子の吸着能は高いが分子の選択性が低いため、すべての物質を吸着してしまうという欠点を有している。すなわち、活性炭を用いた場合、水溶液中に人体に有用な成分が存在してもすべて活性炭により吸着されてしまう。一方、DNA の場合は、人体に有害な平5

図6

DNA固定化ガラスビーズによる金属イオンの除去
Cl−、SO42−、NO3−は溶液中に含まれる対イオンを示した。

技術論文

属イオンは除去されたが、マグネシウムイオンは除去されな

また気体系用のＤＮＡフィルターもあり、既に空気清浄機のかった。また、紙 面の関 係で割 愛させていただいたが、フィルターなどに応用されつつある。タバコのフィルター中にもDNAと強く相互作用しない金属イオンとしてナトリウムイオンＤＮＡを含有させ、タバコをできるだけ安全な嗜好品としようとやカリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイする試みもなされている。
このように、ＤＮＡの特性を活かした機能製品は、フィルターオンなどがある。
以上のことから、DNA は金属イオンに対しても高いイオン選択性を有していることが確認された。特に DNAと相互作に限らず、既にＤＮＡアレイ 5）やＤＮＡチップ 6）等に応用展開が始まっている。

用する重金属イオンの多くが人体に有害であると言われている。これらのことから、DNA は人体に有害な金属イオンのみ
を選択的に取り除くことができる新しい素材であることが示された。これらのことから、DNA をカラムやフィルム、フィルター6．おわりに個々の企業の環境に対する姿勢が評価させる今日、産業廃棄物である DNA から作られた機能性材料はきわめてエ環境浄化材として利用できることが示唆された。

コロジーな製品である。その上、この素材はエコロジーな素材というだけでなく、今までにない高い分子選択性やイオン５．
ＤＮＡフィルターとしての応用選択性を有している。今後、我々はこのような DNA 素材に今までに既述されたように、ＤＮＡは、人体に有害な平面構などの製品開発を行っていく予定である。その一方で、これ造を有する有機化合物、また選択的ではあるが、人体に有らの材料開発には用途の把握が必要不可欠である。そこ害な重金属イオンを除去する能力がある。この機能を応用しで、皆様からの情報提供をお願いする次第である。

更なる改良を加えることによって、浄水器や排水用フィルターいる。このものは、ＳＵＳメッシュやガラスビーズに、水不溶化したＤＮＡ4）を 0.5 〜 1.0％コーティングしたもので、水中のダイオ

参考文献

キシン類、ＰＣＢ類および選択的に重金属イオンを吸着、除去

1） 山田真路、西する機能を持つものである。この形状は、家庭用の浄水器、

2） 西および浄水場の最終フィルターや工場排水のフィルターに、応用可能であると考えられる。
特に浄水器は、人体に安全な水を供給することが目的で則雄：放射線と産業、90.13-18（2001）

則雄、山田真路、劉向東：高分子、52.134-137（2003）
3） 松永政司、西則雄、井上太一、劉No.16

向東：

BIO INDUSTRY 21.28-34（2004）

あり 、このＤＮＡフィルターは、正にその人体のＤＮＡを、有

4） 岡畑恵雄、：LANDFALL Vol.54（Apr2005）

害物質から事前に守るものとしては、うってつけのものと言え

5） 化学工業日報 2008.9.22. 「中空繊維型ＤＮＡアレイ」

7）

よう。

より
6） 國武豊喜：図解「高分子新素材のすべて」工業調査会 2005.5
7） ＪＩ
Ｓ Ｓ 3201「家庭用浄水器試験方法」

図7

Winter 2009て、図 7 にあるような、水溶系用のＤＮＡフィルターを考案してバルカー技術誌などの形状に加工することによって、様々な用途に対応できる

DNAフィルターの構造
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