Investigating Advanced Properties of Modular DNAs as Biohybrid Catalyst and Aptamer

概要

序論
核酸分子は、A-T(U), G-C塩基対の持つ相補的対合性と自己組織化能を備えるバイオマテリアルとして利用されている。特に、近年の核酸領域研究の中では、核酸分子の有する触媒活性が注目されており、数多くの報告例が挙がっている。とりわけ、固相合成法などの有機化学的な手法の開発によって、核酸に様々な化学修飾を行うことが可能になっており、化学修飾が施されたDNA構造体の生体機能分子としての応用研究が進んでいる。実際に様々な機能性分子の導入によって、天然核酸への新たな特性の付与や機能向上が可能である。例えば、金属イオンに対する配位子構造を組み込んだ核酸分子は、金属イオンと配位することで特定の化学反応に対する触媒活性が向上することが知られている。また、不斉炭素と様々な極性を持つアミノ酸を核酸に導入することで、ある種の酵素活性を模した機能性核酸システムの構築が可能になると考えられている。本研究では、様々な化学修飾を施した独自のDNA構造体を合成開発することで、新たなDNA触媒やDNAアプタマーを実現し、修飾核酸関連の研究領域における多様性を広げることに成功した。

1. 不斉マイケル反応を触媒するモジュラーG4―二本鎖DNAバイオハイブリッド触媒
DNAは、二本鎖構造やグアニン四重鎖（G4）構造などの多様な高次構造を持つことが知られている。これまでに二本鎖構造やG4構造を足場として利用したDNA触媒から優れた触媒能をもつシステムが報告されている。特に、G4構造は溶液状態によって高次構造が大きく変化するため、不斉反応のキラルを制御する重要な足場として数多く報告されている。本研究では、二重鎖とG4を組み合わせた新しいDNA構造体を合成評価し、不斉マイケル付加反応の触媒として応用した結果を報告した。まず、NMRによる天然DNA構造体の解析結果から不斉反応のメカニズムを考察し、その塩基配列内に化学修飾（ビピリジンやウレアなどの金属イオンを配位可能な化合物）を導入した各種DNA構造体を合成し、熱安定性、金属結合能、触媒能を詳細に解析した。その結果、化学修飾を導入したDNA構造体は安定なアンチパラレルG4構造を形成しており、特にウレアを導入したDNA構造体が不斉マイケル付加反応に対して効率的な触媒活性を有していた。ウレアを導入したDNA構造体は、他の多くの不斉マイケル付加反応に対しても有効に機能しており、二重鎖とG4を組み合わせた新しいDNA構造体を用いたDNA触媒システムの実験結果をまとめ、論文として報告した。

2. トロンビンを標的とするアミノ酸核酸ハイブリッドアプタマーの合成
タンパク質や小分子などと強く特異的に結合する核酸として、アプタマーは開発されたシステムである。本研究では、DNAにアミノ酸残基を組み込む新しいアプタマーシステムを提唱し、高次構造や特性が既知であるトロンビン結合DNAアプタマー（TBA15）をコントロールのアプタマーとして用いた。実際に、標的のトロンビンとの結合領域に各種アミノ酸残基を導入することで、化学修飾したTBA15のアプタマーライブラリーを合成した。そのライブラリーを用いてトロンビンに対するアプタマー活性を測定した結果、疎水的なフェニルアラニン残基を導入したTBA15において、2~3倍の結合性と抗凝固性の向上が観察された。DNAアプタマーの分子モデリングやEMSAの結果からも、活性の向上を示唆する実験データが得られた。本研究で開発を進めたアミノ酸残基を組み込む新しいアプタマーシステムは、核酸アプタマーの特性に加えて、導入したアミノ酸に由来する特性も有していた。本研究から天然核酸のアプタマーより優れた性能を持つものが確認されており、将来的には診断や検出に関連する応用研究が期待される。