銀ナノ粒子とDNAオリガミの進歩がDNAアセンブリとナノ製造を効率化

DNA構造のアセンブリと製造を前進させる新たな研究が報告されている。日本では銀ナノ粒子を用いてDNAを切断・結合する方法を開発し、テキサス州の研究者らはDNAオリガミをより確実に折り畳むための設計原理を解明した。日本の技術はDNAアセンブリ効率を2～5倍向上させ、生細胞内で機能することが実証されている。一方、DNAオリガミの発見はナノスケール材料をより迅速かつ容易に作製する可能性を開くものだ。

銀ナノ粒子を用いたスプライシング法は、名古屋大学と岐阜大学の研究者らによって開発され、Nucleic Acids Research誌に発表された。従来のDNAスプライシングは制限酵素と粘着末端に依存しているが、これらの酵素は正確性に欠けることが多く、最適ではない結合を生み出す。日本のチームは代わりに銀ナノ粒子を用いた化学反応を利用した。これは、1990年代の研究に基づくもので、銀イオンを用いて3′-チオール修飾DNAを切断するものだったが、非特異的結合のため回収率はわずか14%だった。ナノ粒子をイオンの代わりに用いることで、遠心分離によって銀を除去でき、回収率が大幅に向上した。

初期の試みには別の課題があった。高い切断効率を達成するには、DNAを損傷するような温度と時間が必要だったのだ。70°CではDNAの効率は50%にとどまり、95°Cで2時間かけてほぼ100%の効率に到達した。銀ナノ粒子をポリエチレングリコール（PEG）でコーティングすると、37°Cで2時間の効率が36%から92%に向上した。最適化の結果、チームは50°Cで1～2時間以内に91%以上の切断効率を達成した。この新技術はDNAアセンブリ効率を2～5倍向上させる。研究者らは、生細胞にDNA断片を導入し、緑色蛍光タンパク質遺伝子の発現を確認することに成功した。次の目標には、広範囲の配列での再現性の検証、より長いDNAへのスケールアップ、キット形式のプロトコル開発、ゲノム規模のDNAアセンブリ、mRNAライブラリ、治療用タンパク質をコードする長鎖DNAへの応用が含まれる。

Small誌に掲載された別の研究では、テキサス大学オースティン校の研究者らが、設計の選択がDNAオリガミの折り畳みにどのように影響するかを体系的に分析した。DNAオリガミは、DNA鎖を用いてプログラム可能な形状に自己組織化させる技術である。リアルタイム蛍光測定、電子顕微鏡、理論モデリングを用いて、構造が正しく組み立てられるかどうかを決定するエネルギー的力を特定した。折り畳みは、有利なDNA結合相互作用と、ループ形成に伴う不利なエネルギーコストとの間のバランスに依存する。また、構造の異なる部分がアセンブリ中に互いに影響し合う「協同性」が中心的な役割を果たすことも発見した。設計におけるらせん間結合の数を減らすと、協同挙動が増加し、折り畳み収率が向上する。一方、単に鎖間の結合を強化するだけでは、エントロピー的ペナルティが生じるため効果が低い。

この研究の一環として、研究者らはこれまでで最小のLonghornロゴを作製した。直径約100ナノメートル、厚さ約2ナノメートルの完全にDNAでできた構造である。これは人間の髪の毛の太さの数千分の1であり、砂粒1粒の体積には約1,000万個の小さなLonghornが収まる。チームはまた、実用的な改善も実証した。従来の数日かかるプロセスではなく、1～2時間のより短く焦点を絞った加熱・冷却プロセスを用いることで、アセンブリ収率を最大17%向上させ、2時間以内に数百万コピーを作製した。この発見は、DNAナノ構造をより高い効率と信頼性で設計するための明確な枠組みを提供し、医学、電子工学、材料科学への応用を加速させる可能性がある。