紐状構造のもつれによるDNA凝集体の形成に成功 　―新しいソフトマテリアルとして、薬物送達システム等への応用に期待―

※本プレスリリースは、東京科学大学、中央大学との共同発表です。

・液–液相分離による流動性の高い液滴の形成を可能とする異方性DNA凝集体の形成に成功
・異方性DNAナノ構造が連結した紐状構造のもつれにより、DNA凝縮体を構築
・薬物送達システム、人工オルガネラ、分子ロボットへの応用が期待される新しいソフトマテリアルとして期待

●背景
　生体分子凝縮体は制御やストレス応答などに関与しています。これらの凝縮体は内部構造が均質で平均的に異方性を欠きます。一方でヘテロクロマチン（用語６）は相分離液滴として存在していますが、その構成要素の異方性が際立っていることが知られています。相分離液滴の表面などの異方的環境の影響は報告されているものの、構成要素の異方性が相分離液滴の形成に与える影響は十分に検討されていませんでした。
　DNAは、遺伝情報の担体としてだけでなく、ワトソン・クリック結合（用語７）による特異的な結合が可能で、配列設計を通じた様々な形状の構造や機能を構築することができます。このプログラマブルな特性を活かして、医療、情報処理、材料科学の分野で応用されてきました。近年では、Yモチーフなどの分岐状ナノ構造を用いたDNA凝縮体の形成も報告されていますが、それらの多くは等方的な内部構造に基づいています。
　本研究では、構造的異方性と柔軟性の異なるDNAナノ構造を使用し、紐状の自己集合体のもつれを実現することで新たな性質を持つDNA凝縮体の構築に挑戦しました。

●研究成果
　本研究では、2種類のDNAモチーフを設計しました。1つは柔軟性のあるXモチーフ（図1a）、もう1つは柔軟性がなく異方性を持つ四面体モチーフです（図1b）。両モチーフともに、直交した粘着末端を持つよう設計され、相補的なリンカー鎖を加えることで、一方向に結合するようになっています。
　同一条件下で両モチーフを比較した結果、Xモチーフでは凝縮体が形成されず（図1a）、四面体モチーフのみが自己集合し紐状の連結構造を形成することが確認されました（図1b）。機械的に引き伸ばすと、この凝縮体は繊維状に変形しました。内部の紐状構造の再編成がその原因と考えられます（図1b）。
　形成メカニズムを理解するために、私たちは観察結果を、高分子のもつれ系の挙動を記述する「レプテーションモデル」の予測と比較しました。その結果、実験データは「レプテーションモデル」と高い整合性を示し、四面体モチーフ由来の紐状構造のもつれによってDNA凝縮体が形成されたことが示唆されました（図1c）。
　また、実用性の検討として、2つの概念実証実験を行いました。1つは、四面体モチーフに光分解性スペーサー（PCスペーサー）を導入し、UV照射により凝縮体が崩壊し、個々のDNAナノ構造体が放出されることを示しました（図2a）。これらの構造体は細胞内への高い透過性を示し、薬物送達システムへの応用可能性が確認されました。
　もう1つは、加温による応答性の検証です。四面体モチーフの安定性が部分的に失われる温度でインキュベートすると、400分間の経過で球状化し、高い流動性を持つ構造に再編成したことが観察されました（図2b）。

●今後の展開
　私たちが開発したDNA凝縮体は、紐状かつ異方的な構造のもつれによって形成されており、安定性と柔軟性を兼ね備えた新しいソフトバイオマテリアルです。これは、動的だが不安定なDNA液滴や、安定だが硬直的なDNAハイドロゲルといった従来のDNA材料とは一線を画する性質を持ちます。
　この凝縮体は、独自の粘弾性特性と構造の可変性により、薬物送達システムの足場材料としてのみならず、多用途かつ制御可能なバイオマテリアルプラットフォームとしての応用も期待されます。さらに、本研究で行った実証実験では、光や熱といった外部刺激に応答するように設計可能であることを明確に示しました。
　さらなる研究と開発を通じて、紐状DNA凝縮体は、医療、材料科学、合成生物学といった幅広い分野への応用に発展し得る可能性があり、応答性かつプログラム可能なソフトマテリアル設計に新たな道を拓くことが期待されます。

●付記
　本研究成果は、MEXT/JSPS科研費JP20H05935, JP24H00070, JP25H01361、Human Frontier Science Program (HFSP; RGP0016/2022-102)、文部科学省奨学金203310の支援のもとで得られた成果である。
 

1. 液–液相分離：溶液中の高分子や分子群が互いに相互作用しあうことで、溶液が混和しやすい相と混和しにくい相に分かれ、流動性をもった液滴状の集合体を形成する現象を指します。
2. 直交：互いに干渉せず独立して機能する配列や相互作用を指します。直交粘着末端は、それぞれ特定の相補配列とだけ相互作用し、他の配列とは結合しないように設計されています。
3. 粘着末端：二本鎖DNAの末端に生じた一本鎖の突出部分で、相補的な配列と結合しやすい構造です。
4. Xモチーフ：X字型に分岐した4本のアームを持ち、それぞれに粘着末端を備えた柔軟なDNAナノ構造体です。
5. 光分解性スペーサー：DNA鎖中に組み込まれ、光（主にUV）照射によって切断される化学的リンカーです。
6. ヘテロクロマチン：細胞核内でDNAが高密度に折りたたまれたクロマチン領域で、転写が抑制されやすく、遺伝子サイレンシングや染色体の安定性に関与します。
7. ワトソン・クリック結合：DNA二重らせん構造においてアデニンとチミン（A–T）、グアニンとシトシン（G–C）が水素結合で特異的に対合する結合様式を指します。
    

掲載誌：JACS Au
論文タイトル：DNA Condensates via Entanglement of String-like Structures Based on Anisotropic Nanotetrahedra
著者：Hong Xuan Chai, Kanta Kayanuma, Hiroaki Suzuki, and Masahiro Takinoue
DOI：10.1021/jacsau.5c00421

Chai Hong Xuan（チャイ・ホン・シュアン） Hong Xuan CHAI
東京科学大学 生命理工学院　大学院生
研究分野：DNAナノテクノロジー

萱沼 寛太（カヤヌマ カンタ） Kanta KAYANUMA
中央大学　理工学部精密機械工学科　大学院生
研究分野：マイクロ流体工学

鈴木 宏明（スズキ ヒロアキ） Hiroaki SUZUKI
中央大学　理工学部精密機械工学科　教授
研究分野：マイクロ流体工学

瀧ノ上 正浩（タキノウエ マサヒロ） Masahiro TAKINOUE
東京科学大学 情報理工学院　教授
研究分野：生物物理学、分子コンピューティング、DNAナノテクノロジー