化学者のつぶやき -Chem-Station-

まずは「DNA折り紙とはなんぞや？」というお話から。

DNA分子は皆さんもご存じの通り、決まった相手とだけ二重らせんを組む性質があります。この現象を応用してナノ構造体を作ろうとする研究は、Nadrian C. Seemanという研究者によって開拓されました。 

初期に作られたもっとも有名な一つが、Seemanの立方体と呼ばれる構造体です。下図に示す通り、選択的のり付け部位をもったDNAモチーフを設計し、それらを頂点として互いに組み合わせて立方体を組みあげます。

このように、彼は特定のDNAモチーフを設計しながら様々な構造体を作り上げ、「構造DNAナノテクノロジー」と呼ばれる分野の基礎を築きあげました。[2]

（画像：論文[2]より）

その後しばらくの年月を経た2006年、「DNA折り紙」技術の電撃的な報告がなされました[3]。カリフォルニア工科大学の若き研究者・Paul Rothemundによるものです。

DNA折り紙法の特徴は長い一本鎖DNA(～7000対)とstaple strand（短い相補的DNA鎖、多くは32対）を組み合わせる工夫にあります。これらを混ぜて加熱・冷却することで長鎖DNAを折りたたませ、望みの構造に落ち着かせます。根底を流れる考え方はSeemanの方法と共通ですが、大きなサイズの構造体が信頼性高く作れる（～100nmサイズ）ことに加え、特定の「住所」を持つstaple strandに好みの機能を付与できることも際だった特徴です。

（画像：論文[1]より）

Rothemundはこの技術のデモンストレーションとして、複雑な構造をもつ平面(2D)構造体を多数作り上げてみせました。中でも目を引く有名なものは、ナノサイズのスマイルマークや世界地図でしょう。こんなものがDNAを混ぜるだけで自動的に組み上がるのですから、驚くほかありません。もっと見たい方は、関連動画のTEDプレゼンをご覧ください。

（画像：論文[1]より）

まだ新しい技術なのですが、現在までの発展は実に目覚ましいものがあります。Rothemundの成し遂げた2D構造に加え、最近では立体（3D）構造も構築できるようになっています。さらにはスイッチ分子によって構造変化を起こすなど、機能を持つ構造体も登場しています。

ビジュアル要素だけでもこの上なく楽しい技術ですが、具体的にどんな使われ方をしていくと思いますか？まだまだ開拓余地の多い技術ですから、科学者の果てなき想像力と夢が応用の地平を拓くといえます。アイデア次第では、読者の皆さんでも優れたアウトプットが出せるかも！？

次回からは、そんな最先端研究を少しずつ紹介していきたいと思います。

• 関連動画

• 関連文献

[1] "DNA origami technology for biomaterials applications" Endo, M.; Yang, Y.; Sugiyama, H. Biomater. Sci. 2012, 1, 347. DOI: 10.1039/c2bm00154c
[2] "DNA in a material world" Seeman, N. C. Nature 2003, 421, 427. doi:10.1038/nature01406
[3] "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns" Rothemund, P. W. K. Nature 2006, 440, 297. doi:10.1038/nature04586

• 関連書籍

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• 関連リンク

Paul W.K. Rothemund

「DNA折り紙ってなんだ？」若き東大のイケメン助教が教えてくれた（アレ待チろまん）

DNA Origami

未来を担う技術「DNA折り紙」についてのまとめ

DNA:ナノ素材からナノマシンへ （サイエンスあれこれ）

DNA折り紙の作り方（気ままに有機化学）

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