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DNAに電流通るーミクロの電子デバイスに道

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細胞の核にあり、遺伝情報を担うDNA(デオキシリボ核酸)の中を電流が流れることを、大阪大産業科学研究所の真嶋哲朗教授(光化学)の研究グループが突き止めた。DNAの2本の鎖がつくる二重らせんの幅は2ナノメートル(ナノは10億分の1)。これを利用してナノサイズの「電線」ができれば、半導体など超ミクロの電子デバイスの作製につながる。今週の米科学アカデミー紀要電子版に発表する。(引用:asahi.com)

 

 DNA(デオキシリボ核酸)は、生物すべての遺伝情報をつかさどる根源要素で、大変美しい二重らせん構造をとっていることはあまりにも有名です。

DNAに電流が流れる事実(電荷移動現象:Charge Transfer)そのものは、カリフォルニア工科大学のJacqueline Bartonらによって幾分前に示されていました[1]。では、今回のニュースの主題でもある、大阪大学の真嶋哲朗教授のグループが達成したこととはいったい何でしょうか?それは、DNAの電荷移動を「一分子レベルで直接観測することに成功した」[2]ということになります。

 

DNAの構成成分である塩基(アデニン・チミン・グアニン・シトシン)は、単純に水素結合で対に結びつくだけでなく、冒頭図のように層状に配列・相互作用(π-スタッキング)することで、構造の安定化に寄与していることが知られています。 この規則正しく近距離にある、π-スタッキング系を電子が連続的に飛び移ることでDNAに電流が流れる、というメカニズムが最もありうるものとして受け入れられています。しかし、実験的にこれを直接観測・確認することは困難でした。

真嶋教授らは単一分子分光(Single-Molecule Spectroscopy)という技術を用い、電荷移動効率は①塩基対配列に依存すること ②一つでもミスマッチ塩基対が存在すると格段に効率が低下すること を証明しています。これは、DNA電荷移動は主鎖ではなく塩基対を介して起きていることの強い証拠になります。

 

  • 関連文献

[1] Perspective: “Long-Range DNA Charge Transport”

Delaney, S.; Barton, J. K. J. Org. Chem.2003,68, 6475. DOI:10.1021/jo030095y

jo030095yn00001

The stack of base pairs within double helical DNA has been shown to mediate charge transport reactions. Charge transport through DNA can result in chemistry at a distance, yielding oxidative DNA damage at a site remote from the bound oxidant. Since DNA charge transport chemistry depends on coupling within the stacked base pair array, this chemistry is remarkably sensitive to sequence-dependent DNA structure and dynamics. Here, we discuss different features of DNA charge transport chemistry, including applications as well as possible biological consequences and opportunities.

[2] “Single-molecule observation of DNA charge transfer”

Takada,T.; Fujitsuka, M.; Majima, T. Proc. Natl. Acad. Sci., USA 2007,104, 11179. DOI:10.1073/pnas.0700795104

DNA charge transfer highly depends on the electronic interaction between base pairs and reflects the difference in the base composition and sequence. For the purpose of investigating the charge transfer process of individual DNA molecules and the optical readout of DNA information at the single-molecule level, we performed single-molecule observation of the DNA charge transfer process by using single-molecule fluorescence spectroscopy. The DNA charge transfer process, leading to the oxidation of the fluorescent dye, was explored by monitoring the on–off signal of the dye after the charge injection by the excitation of a photosensitizer. The photobleaching efficiency of the dyes by the DNA charge transfer specifically depended on the base sequence and mismatch base pair, demonstrating the discrimination of the individual DNA information. Based on this approach, the optical readout of a single-base mismatch contained in a target DNA was performed at the single-molecule level.

 

  • 外部リンク

大阪大学産業科学研究所 真嶋哲朗研究室
Jacqueline K. Barton Group(Caltech)
DNAと遺伝情報(有機って面白いよね!)
デオキシリボ核酸(Wikipedia)

cosine

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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