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JP4149872B2 - Nanoelectronic devices using BZ transition of DNA - Google Patents
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JP4149872B2 - Nanoelectronic devices using BZ transition of DNA - Google Patents

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Description

本発明は、DNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。DNAは通常は右巻きの螺旋構造を有するものであるが、その一部又は全部が左巻きの螺旋構造に転移する。この転移は可逆的な場合もあり、また不可逆的な場合もある。そして、DNAの巻き方によりDNAの電気的、若しくは光学的などの物理的、又は化学的な物性が変化することから、本発明はこの物性の差を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。   The present invention relates to a nanoelectronic device material that utilizes differences in physical properties between right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNA. DNA usually has a right-handed helical structure, but part or all of it is transferred to a left-handed helical structure. This transition may be reversible or irreversible. Since the physical or chemical physical property of DNA changes depending on how the DNA is wound, the present invention provides a novel nanoelectronic device material that utilizes this physical property difference. Is.

DNAは遺伝情報を有する分子種として生命科学の分野では重要な物質であるとされているが、同時にDNAは塩基中に多数のπ電子系を有する分子種であり、かつ独特の化学構造を有する分子種としても注目されている。そして、DNAは多糖類に属する線状の高分子化合物であり、材料としての特性も有している。例えば、線状の高分子化合物である点に着目したナノワイヤー技術や、π電子系に着目した電荷移動によるナノ電子デバイス技術などのナノテクノロジー分野においても材料としての特性が注目されている。
このようなDNAの特性を利用して電子デバイスに応用する技術も多数報告されてきている。例えば、DNAの選択された位置に結合する無機分子を含有する構造、例えばANDゲート又はORゲートである構造に関する発明(特許文献1及び2参照)、DNAに電荷供給材料を結合させた導電性有機高分子に関する発明(特許文献3参照)、DNAなどの棒状有機分子を並列してなる層を複数有する有機フォトニック結晶を含有してなる光学デバイスに関する発明(特許文献4参照)などがある。
DNA is considered to be an important substance in the field of life science as a molecular species having genetic information, but at the same time, DNA is a molecular species having a large number of π-electron systems in the base and has a unique chemical structure. It is also attracting attention as a molecular species. DNA is a linear polymer compound belonging to a polysaccharide and has characteristics as a material. For example, material properties are attracting attention also in the field of nanotechnology such as nanowire technology focusing on the point of being a linear polymer compound and nanoelectronic device technology based on charge transfer focusing on π-electron systems.
A number of techniques that apply to electronic devices using such characteristics of DNA have been reported. For example, inventions related to structures containing inorganic molecules that bind to selected positions of DNA, such as structures that are AND gates or OR gates (see Patent Documents 1 and 2), conductive organics in which a charge supply material is bound to DNA There are an invention related to a polymer (see Patent Document 3), an invention related to an optical device containing an organic photonic crystal having a plurality of layers in which rod-like organic molecules such as DNA are arranged in parallel (see Patent Document 4), and the like.

DNAは通常は右巻きの螺旋構造をした二重螺旋である。この螺旋に沿って塩基のπ電子系も螺旋状の階段のように延びている。これに対して左巻きのDNAも存在することが約30年前に発見された。結晶の状態のX線解析の結果として左巻きであることが証明されたが、その生物学的な役割は未だ不明である。自然界においても一部のDNAは左巻きで存在している可能性があることも議論されているが、未だ実証されていない。可能性としては、転写因子などの結合部位の一部が左巻きになって、塩基が露出してくる状態となり、そこに転写因子などが結合することや、右巻きのDNAを複製するときに右巻きのねじれをほぐすために一部が左巻きになることなどが挙げられているが、いずれも未だ実証されていない。
しかし、結晶状態では左巻きのDNAが存在することは既に実証されており、その構造も解析されている。以下では、左巻きのDNAのことをZ型のDNAといい、通常の右巻きのDNAをB型のDNAという。左巻きのDNA(Z−DNA)についての研究も進められているが、研究用に用いる6−20mer程度の長さではZ−DNAは、溶液中で安定に存在することが困難であり、Z型DNAを溶液中で安定に存在させるための修飾が必要とされている。このような修飾に関して本発明者らは、既に報告している(特許文献5参照)。
また、本発明者らは、先にデオキシ型の8−メチルグアノシン(MeG)によって、Z型DNAが安定化されることを見出し、文献等により報告している(例えば、非特許文献1参照。)。また、このデオキシ型の8−メチルグアノシンを用いてこれまで種々の研究を行ってきた。さらに、B型のDNA中のハロウラシルにおいてウラシルラジカルによる5’側の糖のC1’位及びC2’β位の水素引き抜きが構造や配列に依存して起こることを示してきた(例えば、非特許文献1〜4参照。)。
これらの報告の中で、本発明者らは、6−ヨードウラシル(U)を含む5’−d(CGCGUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(Gはメチルググアニンを示す。)が、B型及びZ型で安定に存在することができ、それぞれの型のDNAの光反応について検討しており、その光反応はDNAの構造に依存しB型では、リボノラクトンとエリスロースができ、Z型ではrGができることを報告している。この光反応の5’−GU−3’の部分の反応式を次に示す。
DNA is usually a double helix with a right-handed helical structure. Along the spiral, the base π-electron system also extends like a spiral staircase. On the other hand, it was discovered about 30 years ago that left-handed DNA was also present. As a result of X-ray analysis of the crystal state, it was proved that it was left-handed, but its biological role is still unclear. Although it has been discussed that some DNA may exist in the left-handed manner in nature, it has not been demonstrated yet. Possibility is that a part of the binding site such as transcription factor is left-handed, and the base is exposed, and transcription factor or the like binds to it or when right-handed DNA is replicated. Although some have been left-handed to loosen the twist of the winding, none have been demonstrated yet.
However, it has already been demonstrated that left-handed DNA exists in the crystalline state, and its structure has also been analyzed. Hereinafter, left-handed DNA is referred to as Z-type DNA, and normal right-handed DNA is referred to as B-type DNA. Research on left-handed DNA (Z-DNA) is also underway, but it is difficult for Z-DNA to exist stably in solution at a length of about 6-20 mer used for research, Modifications are required to allow DNA to exist stably in solution. The present inventors have already reported about such modification (refer patent document 5).
In addition, the present inventors have previously found that Z-type DNA is stabilized by deoxy-type 8-methylguanosine (MeG), and reported it in the literature (for example, see Non-Patent Document 1). ). Various studies have been conducted so far using this deoxy-type 8-methylguanosine. Furthermore, it has been shown that hydrogen abstraction of the C1 ′ and C2′β positions of the 5 ′ sugar by uracil radicals occurs in halouracil in B-type DNA depending on the structure and sequence (for example, non-patent literature) 1-4.)
In these reports, we have identified 5′-d (CGCG I UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ containing 6-iodouracil ( I U). (m G represents methyl grayed guanine.) is, B type and stably can be present in Z-type, and examined photoreaction each type of DNA, the light reaction is dependent on the structure of DNA It is reported that ribonolactone and erythrose can be produced in the B type, and rG can be produced in the Z type. The reaction formula of the 5′-G I U-3 ′ part of this photoreaction is shown below.

Figure 0004149872
Figure 0004149872

右巻き(B型)のDNAでは、光の照射によりウラシルのヨードが解離し、発生したラジカルが糖の水素を引き抜きリボノラクトンが生成する(非特許文献3及び5参照)。左巻き(Z型)DNAでは、同様にラジカルが発生するが、隣接するプリン環には影響を与えず、糖の2’位を酸化して水酸基にする。即ち、RNA型の糖鎖とする(rG)(非特許文献2及び4参照)。
このように、左巻きのDNA(Z−DNA)についての反応性や挙動についての研究が進められてきているが、Z−DNAの機能や応用についての研究はほとんどなされていないのが現状である。
In right-handed DNA (type B), uracil iodine is dissociated by light irradiation, and the generated radicals extract sugar hydrogen to produce ribonolactone (see Non-Patent Documents 3 and 5). In left-handed (Z-type) DNA, radicals are similarly generated, but the adjacent purine ring is not affected, and the 2′-position of the sugar is oxidized to a hydroxyl group. That is, an RNA sugar chain (rG) is used (see Non-Patent Documents 2 and 4).
As described above, research on the reactivity and behavior of left-handed DNA (Z-DNA) has been advanced, but there is almost no research on the function and application of Z-DNA.

特開2000−101167号JP 2000-101167 A 特開2003−37313号JP 2003-37313 A 特開2003−183400号JP 2003-183400 A 特開2003−195002号JP 2003-195002 A 特願2003−52817号Japanese Patent Application No. 2003-52817 Sugiyama,H.;Kawai,K.; et al., Nucleic Acids Res., 1996, 24, 1272.Sugiyama, H .; Kawai, K .; et al., Nucleic Acids Res., 1996, 24, 1272. Kawai,K.;Saito,I.;et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1391-1392.Kawai, K .; Saito, I .; et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1391-1392. Sugiyama,H.;et al., Tetrahedron Letters 1996, 37, 1805-1808.Sugiyama, H .; et al., Tetrahedron Letters 1996, 37, 1805-1808. Oyoshi,T.;Kawai,K.;et al., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 1526-1531.Oyoshi, T .; Kawai, K .; et al., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 1526-1531. Sugiyama,H.;Tsutsumi,Y.;et al., J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 6720-6721.Sugiyama, H .; Tsutsumi, Y .; et al., J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 6720-6721.

本発明は、DNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の塩基のπ電子系の形態を解明し、π電子系による電子又は電荷の移動を明らかにし、このような電子又は電荷の移動を利用したDNAの新規な応用技術を提供するものである。より詳細には、本発明は、DNAの螺旋構造の変化を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。   The present invention elucidates the form of the π-electron system of each base in the right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) states of DNA, and clarifies the movement of electrons or charges by the π-electron system. The present invention provides a novel applied technology of DNA using electron or charge transfer. More specifically, the present invention provides a novel nanoelectronic device material that utilizes changes in the helical structure of DNA.

本発明は、DNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。詳細には、プリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するDNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差、好ましくは電気伝導度の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。また、塩基としてアミノプリンまたはその誘導体を含有するDNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差、好ましくは蛍光の有無を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料に関する。
また、本発明は、前記したナノエレクトロニックデバイス材料を用いた記憶素子材料、センサー素子材料、論理素子材料、演算素子材料などのエレクトロニックデバイス材料に関する。
The present invention relates to a nanoelectronic device material that utilizes differences in physical properties between right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNA. Specifically, the difference in physical properties between the right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNAs having a base sequence in which bases having purine rings and bases having pyrimidine rings are alternately arranged, preferably Relates to a nanoelectronic device material utilizing the difference in electrical conductivity. Further, the present invention relates to a nanoelectronic device material that utilizes the difference in physical properties between right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNA containing aminopurine or a derivative thereof as a base, preferably using the presence or absence of fluorescence. .
The present invention also relates to an electronic device material such as a memory element material, a sensor element material, a logic element material, and an arithmetic element material using the above-described nanoelectronic device material.

本発明者らは、比較的安定な左巻きDNAを形成させることができる8−アルキルグアニンなどのヌクレオチドを提供してきた。
ブロモウラシル(BrU)は、ヨードウラシルとは異なり、配列に依存しGBrU配列ではGへの逆電子移動反応により反応が進行しないと言われている。実際にB型構造での
5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(以下、このオリゴヌクレオチドをODN1−2という。)は、光照射してもほとんど光反応は起こらない。しかし、このODN1−2を2M NaCl存在下でZ型とすると反応が急速に進み、5’−d(CGC)rGd(UGCG)−3’が、光反応により消失したODN1に対して35%の収率で生成することが明らかになった。DNAオリゴマーがZ型構造を取ることはCDスペクトルにより確認した。図1にこれらの結果を示す。図1の上の段はB型のDNAの場合を示し、下段はZ型のDNAの場合を示す。図1の左側は光照射したあとのHPLCの結果をそれぞれ示し、右側はCDの結果をそれぞれ示す。B型では光照射後もODN1とODN2の2本のピークのみであるが、Z型ではRNA型のグアニン(rG)のピーク及び分解により生じたイミダゾール又はイミダゾロンを含む物質(Iz)のピークが出現している。これらの結果はB−Z転移に基づくDNAの構造変化が劇的にODN1−2の反応性を引き起こしたことを示している。
The present inventors have provided nucleotides such as 8-alkylguanine that can form relatively stable left-handed DNA.
Unlike iodouracil, bromouracil ( Br U) is said to depend on the sequence and the reaction does not proceed due to the reverse electron transfer reaction to G in the G Br U sequence. Actually, 5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ (hereinafter, this oligonucleotide is referred to as ODN1-2) in the B-type structure is light. Almost no photoreaction occurs even when irradiated. However, when this ODN1-2 is converted to the Z-type in the presence of 2M NaCl, the reaction proceeds rapidly, and 5′-d (CGC) rGd (UGCG) -3 ′ is 35% of ODN1 lost by the photoreaction. It was revealed that it was produced in a yield. It was confirmed by CD spectrum that the DNA oligomer had a Z-type structure. FIG. 1 shows these results. The upper part of FIG. 1 shows the case of B-type DNA, and the lower part shows the case of Z-type DNA. The left side of FIG. 1 shows the HPLC results after light irradiation, and the right side shows the CD results. In the B type, there are only two peaks of ODN1 and ODN2 after light irradiation, but in the Z type, the peak of the RNA-type guanine (rG) and the substance (Iz) containing imidazole or imidazolone generated by decomposition appear. is doing. These results indicate that DNA structural changes based on the BZ transition dramatically caused ODN1-2 reactivity.

本発明者らは、BrUのZ型における光反応性の劇的な増加の原因がその構造にあると予測し、B型DNAとZ型DNAの塩基の重なりを調べてみると実に興味深い点を見出すことができた。即ち、B型のDNAの塩基は同一鎖内で螺旋状に重なっているのに対して、Z型では両方の鎖から2塩基ずつからなる4塩基のπ−スタック構造をとっている。この構造を模式的にして図2に示し、その分子模型を図3に図面に代わるコンピュータグラフィックスによるカラーの図で示す。図2は、B型のDNAの構造とZ型のDNAの構造を模式的に示したものであり、図3はそれぞれを分子模型で示したものである。図2の模式図では、右巻きのB型のDNAでは片方の塩基配列とその相補鎖の塩基配列が螺旋状に規則的に並んであるが、左巻きのZ型のDNAでは左巻きになっているために塩基は階段状に位置しており、連続的な螺旋構造を取ることができなくっている。しかし、各塩基が不規則に位置しているのではなく、片方の鎖の2塩基ずつが位置をずらせて配置されており、さらに興味深いことには、片方の鎖の2塩基と相補鎖の2塩基が重なり合う構造になっていることである。即ち、このODN1−2では、4番目のグアニン(G4)及び5番目のブロモウラシル(BrU5)、そしてその相補鎖の11番のシトシン(C11)及び10番の8−メチルグアニン(G10)の4つの塩基が重なり合う構造となって、4塩基によるG4−BrU5−C11−G10のπ−スタック構造をとっているのである。図3は、この4塩基の重なり合いを分子模型により示したものである。分子模型の左側はB型の右巻きの模様を示しており、右側はZ型の左巻きの場合であり、片方の鎖からのグアニン(G4)(水色)及び5番目のブロモウラシル(BrU5)(水色と緑色)が孤立して重なり合っており、さらにその相補鎖のシトシン(C11)(黄色)及び10番の8−メチルグアニン(G10)(黄色と赤色)が重なり合う構造になっていることがわかる。
さらに、興味深いことに保持時間30.5分にあらわれているピークはイミダゾロンを含む8量体5’−d(CIzCACGCG)−3’であることが明らかになった。イミダゾロンはグアニンの酸化により生成することが知られている(Kino,K., Saito,I., Sugiyama,H., J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 7373-7374.)。5’−d(CGC)rGd(UGCG)−3’の生成とともに5’−d(CIzCACGCG)−3’生成するはG4−BrU5−C11−G10のπ−スタック構造内でG10 からBrU5への電子移動が進んでいることが示された。
The present inventors predicted that the structure is responsible for the dramatic increase in photoreactivity of Br U in the Z-type, and when the overlap between the bases of the B-type DNA and the Z-type DNA was examined, it was very interesting. I was able to find. That is, the bases of the B-type DNA are spirally overlapped in the same strand, whereas the Z-type has a 4-base π-stack structure consisting of two bases from both strands. This structure is schematically shown in FIG. 2, and its molecular model is shown in FIG. 3 as a color diagram by computer graphics instead of the drawing. FIG. 2 schematically shows the structure of a B-type DNA and the structure of a Z-type DNA, and FIG. 3 shows each of them in a molecular model. In the schematic diagram of FIG. 2, in the right-handed B-type DNA, one base sequence and the base sequence of its complementary strand are regularly arranged in a spiral, but in the left-handed Z-type DNA, it is left-handed. For this reason, the bases are located in a staircase shape and cannot take a continuous spiral structure. However, each base is not located irregularly, but two bases of one strand are shifted in position, and more interestingly, 2 bases of one strand and 2 of the complementary strand This is a structure in which bases overlap. That is, in this ODN1-2, 4 guanine (G4) and the fifth bromouracil (Br U5), and 11th cytosine its complement (C11) and 10 No. 8-methylguanine (m G10) The four bases of G4- Br U5-C11- m G10 with four bases have a π-stack structure. FIG. 3 shows the overlap of the four bases using a molecular model. The left side of the molecular model shows a B-type right-handed pattern, and the right-hand side is a Z-type left-handed case. Guanine (G4) (light blue) and the fifth bromouracil ( Br U5) from one chain (blue and green) are overlapped in isolation, it has become more structures its complementary strand cytosine (C11) (yellow) and 10 No. 8-methylguanine (m G10) (yellow and red) overlap I understand.
In addition, it was found that the peak appearing at a retention time of 30.5 minutes was an octamer 5′-d (CIzCAC m GCG) -3 ′ containing imidazolone. It is known that imidazolone is produced by oxidation of guanine (Kino, K., Saito, I., Sugiyama, H., J. Am. Chem. Soc., 1998, 120 , 7373-7374). 5′-d (CIzCAC m GCG) -3 ′ is generated together with the generation of 5′-d (CGC) rGd (UGCG) -3 ′ and m G10 in the π-stack structure of G4- Br U5-C11- m G10. that is progressing electron transfer to Br U5 from showed.

この仮説を確かめるために次の実験を行った。8−メトキシグアニン(moG)は酸化電位が低く、1電子酸化によりカチオンラジカルとなるとIzとなることが知られているので(Ikeda,H., Saito,I. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10836-10837.)、電荷移動が予想される10位をmoGに配置した
5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CmoGCACGCG)−3’(以下、このオリゴヌクレオチドをODN1−3という。)のB形およびZ型のDNA中での光反応を行った。光照射の結果、これらのオリゴマーはいずれもB型では全く光反応性を示さなかったが、Z型では5’−d(CGC)rGd(UGCG)−3’が80%生成するとともに5’−d(CIzCACGCG)−3’が73%生成することを確認した。この結果のHPLCのチャートを図4に示す。図4の上段はB型のDNA(B−DNA)の場合であり、下段はZ型のDNA(Z−DNA)の場合を示す。この結果moG10 からBrU5への電子移動が進んでいることが示された。
The following experiment was conducted to confirm this hypothesis. Since 8-methoxyguanine ( mo G) has a low oxidation potential and is known to be Iz when it becomes a cation radical by one-electron oxidation (Ikeda, H., Saito, IJ Am. Chem. Soc. 1999, 121 , 10836-10837.), 5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C mo GCAC m GCG) -3 ′ (hereinafter referred to as “ mo G”), the 10th position where charge transfer is expected This oligonucleotide was referred to as ODN1-3) and was photoreacted in B-type and Z-type DNA. As a result of light irradiation, none of these oligomers showed photoreactivity at all in the B type, but in the Z type, 5′-d (CGC) rGd (UGCG) -3 ′ was produced by 80% and 5′- It was confirmed that 73% of d (CIzCAC m GCG) -3 ′ was produced. The resulting HPLC chart is shown in FIG. The upper part of FIG. 4 shows the case of B-type DNA (B-DNA), and the lower part shows the case of Z-type DNA (Z-DNA). As a result, it was shown that the electron transfer from mo G10 to Br U5 is progressing.

しかし、moGを4位、6位、14位に入れた
5’−d(CGCmoBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(以下、このオリゴヌクレオチドをODN5−2という。)、
5’−d(CGCGBrmoGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(以下、このオリゴヌクレオチドをODN6−2という。)、及び
5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACmoGCG)−3’(以下、このオリゴヌクレオチドをODN1−4という。)では反応の促進は見られなかった。
However, the mo G 4-position, 6-position, 14-position brewed 5'-d (CGC mo G Br UGCG) -3 '/ 5'-d (C m GCAC m GCG) -3' ( hereinafter, this oligo The nucleotide is referred to as ODN5-2).
5′-d (CGCG Br U mo GCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ (hereinafter, this oligonucleotide is referred to as ODN6-2), and 5′-d (CGCG) Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC mo GCG) -3 ′ (hereinafter, this oligonucleotide is referred to as ODN1-4) did not promote the reaction.

この結果及び各ODNの塩基配列を図5に示す。図5の上段は各オリゴヌクレオチド(ODN)の塩基配列を示し、下段はこれらのODNからなる2本鎖DNAの光反応の結果のイミダゾロン類(Iz)の収率(図5の下段の奥側)及びRNA型のグアニン(rG)の収率(図5の下段の手前側)を示す。図5の下段の収率のグラフにおける目盛りは20%毎となっている。6種類の2本鎖DNAにおけるブロモウラシル(BrU)の部分は緑色で、メトキシグアニン(moG)は橙色で、反応に関与すると推測されるグアニン(G)は水色でそれぞれ示されている。
次に図6にODN1−3のZ型のDNAのG4−BrU5−C11−moG10の4塩基によるπ−スタック構造における光化学反応の反応式を示す。図5に示される光化学反応の結果は図6に示すように、10位のmoG塩基からのBrUに電子が移動して、Br−・のラジカル状態になり、ここからBrが脱離し水素引き抜きによりリボースが水酸基化されたrGができる。さらに、電子を与えたmo+・からIzが生成する。このため、Izの生成効率はrGの生成効率に従い増加する。14位は同じく相補鎖に存在しBrUの位置から2塩基離れた相補鎖側という点では10位とは変わりないが反応の増加は見られない。これは、14位はZ型構造内でBrUとはπ−スタックの異なるクラスターに存在しており、BrUに電子を与えることは出来ないからである。このことから、クラスター間での電荷移動は起こりにくいと考えられる。
The results and the base sequence of each ODN are shown in FIG. The upper part of FIG. 5 shows the nucleotide sequence of each oligonucleotide (ODN), and the lower part shows the yield of imidazolones (Iz) as a result of the photoreaction of double-stranded DNA comprising these ODNs (the back side of the lower part of FIG. 5). ) And the yield of RNA-type guanine (rG) (the lower front side of FIG. 5). The scale in the yield graph in the lower part of FIG. 5 is every 20%. The bromouracil ( Br U) portion in the six types of double-stranded DNA is green, methoxyguanine ( mo G) is orange, and guanine (G), which is assumed to be involved in the reaction, is shown in light blue.
Next, FIG. 6 shows the reaction formula of the photochemical reaction in the π-stack structure of the Z-type DNA of ODN1-3 with 4 bases of G4- Br U5-C11- mo G10. The result of the photochemical reaction shown in FIG. 5 is that, as shown in FIG. 6, the electrons move from the mo G base at position 10 to Br U to become a Br U − · radical state, from which Br is desorbed. By releasing hydrogen, rG in which ribose is hydroxylated is produced. Further, Iz is generated from mo G + · that has given electrons. For this reason, the generation efficiency of Iz increases according to the generation efficiency of rG. The 14th position is also present in the complementary strand and is the same as the 10th position in terms of the complementary strand side 2 bases away from the Br U position, but no increase in reaction is observed. This is because the 14th position exists in a cluster different in π-stack from Br U in the Z-type structure, and electrons cannot be given to Br U. From this, it is considered that charge transfer between the clusters hardly occurs.

これらの塩基間の電子の移動を模式化したものを図7に示す。図7は図2と同様のものである。図7の左側は右巻きのB型のDNAを示し、右側は左巻きのZ型のものを示している。図7中の橙色で示された箇所は10番のグアニンの位置であり、緑色で示される箇所は5番のブロモウラシルの位置である。B型では、塩基が螺旋状に規則的に配置しているために10番のグアニンと5番のウラシルではπ電子系の重なりが無く、電子の移動は起こらない。左巻きのZ型では4番、5番、11番、及び10番の4塩基がπ−スタックを形成している。このπ−スタックのクラスターが枠で囲って示されている。10番のグアニンは5番のウラシルと同じクラスター中に存在しているので、電子の移動が起こるが、7番のシトシンは前記のπ−スタックとは異なるクラスターに属するので、電子の移動は起こらない。同様に、14番のグアニンも前記のπ−スタックとは異なるクラスターに属しているので、電子の移動は起こらない。この結果として図5に示されるようなrG及びIzの収率の差となるものと考えられる。   FIG. 7 schematically shows the movement of electrons between these bases. FIG. 7 is similar to FIG. The left side of FIG. 7 shows right-handed B-type DNA, and the right side shows left-handed Z-type DNA. In FIG. 7, the portion shown in orange is the position of No. 10 guanine, and the portion shown in green is the position of No. 5 bromouracil. In the B type, since the bases are regularly arranged in a spiral shape, no π-electron system overlaps between No. 10 guanine and No. 5 uracil, and no electron transfer occurs. In the left-handed Z-type, 4 bases of No. 4, No. 5, No. 11, and No. 10 form a π-stack. This π-stack cluster is shown surrounded by a frame. Since the 10th guanine is present in the same cluster as the 5th uracil, the electron transfer occurs, but since the 7th cytosine belongs to a cluster different from the π-stack, the electron transfer does not occur. Absent. Similarly, since the 14th guanine belongs to a cluster different from the above-mentioned π-stack, no electron transfer occurs. As a result, it is considered that the yield of rG and Iz is different as shown in FIG.

左巻きのDNA(Z−DNA)における、このような4塩基によるπ−スタック構造は本発明により初めて認識されたものであり、かつ同じπ−スタックに属する範囲において電子の移動が生じることも本発明において初めて確認されたものである。このようなπ−スタック系の分子模型を模式化してしめしたのが図8である。図8に左側は右巻きのB型の場合であり、右側は左巻きのZ型の場合を示している。図8中の黄色は片方の鎖から供給される塩基を示しており、青色はその相補鎖から供給される塩基を示している。右巻きのB型では、それぞれの鎖からの塩基がきれいな螺旋構造となっているが、左巻きのZ型では、4塩基ずつが重なり合ってπ−スタックを形成しており、かつこれらの各々のπ−スタック(クラスター)はそれぞれ孤立しており、π電子系の繋がりが遮断されている構造になっていることがわかる。この構造は4塩基からなるひとつのπ−スタック内では電子の移動が起こるが、他のクラスター間における電子の移動が起こらない構造になっていることがわかる。即ち、右巻きのB型では螺旋構造で少しずつずれてはいるが、DNAの5’末端から3’末端までπ電子系が連続しているが、左巻きのZ型ではπ電子系は連続しておらず、4塩基毎に遮断されており、B型とZ型ではDNAの5’末端から3’末端までの電気伝導度が相違してくることを示している。即ち、DNAを右巻きから左巻きに転移させる(B−Z転移)ことにより、DNAの5’末端と3’末端の間の電気伝導度をスイッチさせることが可能であることを示している。これは、DNA自体を、回路をオン−オフに制御するスイッチとして利用できることを示している。   Such a 4-base π-stack structure in left-handed DNA (Z-DNA) has been recognized for the first time by the present invention, and it is also possible to cause movement of electrons in a range belonging to the same π-stack. It was confirmed for the first time. FIG. 8 schematically shows such a π-stacked molecular model. In FIG. 8, the left side shows a case of right-handed B type, and the right side shows a case of left-handed Z type. In FIG. 8, yellow indicates a base supplied from one strand, and blue indicates a base supplied from its complementary strand. In the right-handed B type, the bases from the respective chains have a beautiful spiral structure, whereas in the left-handed Z type, four bases overlap each other to form a π-stack, and each of these π -It can be seen that the stacks (clusters) are isolated and have a structure in which the π-electron system is disconnected. It can be seen that this structure is a structure in which electrons move within one π-stack consisting of 4 bases, but do not move between other clusters. That is, the right-handed B-type is slightly shifted due to the helical structure, but the π-electron system is continuous from the 5 ′ end to the 3′-end of DNA, whereas the left-handed Z-type is continuous. Not every four bases, indicating that the electrical conductivity from the 5 ′ end to the 3 ′ end of DNA differs between the B type and the Z type. That is, it is shown that the electrical conductivity between the 5 'end and the 3' end of the DNA can be switched by transferring the DNA from right-handed to left-handed (BZ transition). This indicates that the DNA itself can be used as a switch for controlling the circuit on and off.

シュスターらは5’−GG配列を有するヘアピン構造のDNAを用いてアントラキノンの励起によるカチオンラジカルの酸化反応を検討し、B型とZ型における電子移動の顕著な相違は見られなかったことを報告している(Abdou,I.M., Schuster,G.B., et al., J.Am.Chem.Soc.,2001, 123, 6696-6697.)。しかし、この報告で使用されているグアニンが連続する構造(−G−G−)では左巻きのZ型構造への転移が困難であり、完全なZ型になっているかどうか明らかではない。また、この報告では、本発明のクラスター構造についての考察が欠如しており、さらに詳細な検討が必要とされている。
本発明の前記してきた実験結果によれば、Z型のDNAはB型には見られない4塩基による独特のπ−スタック構造をとり、塩基によるπ電子系の構造的なB型とZ型の間に生じてくることは明白である。
Schuster et al. Examined the oxidation reaction of cation radicals by excitation of anthraquinone using hairpin structure DNA having a 5′-GG sequence, and found that there was no significant difference in electron transfer between B-type and Z-type. (Abdou, IM, Schuster, GB, et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123 , 6696-6697.). However, the guanine-continuous structure used in this report (-G-G-) is difficult to transfer to the left-handed Z-type structure, and it is not clear whether it is a complete Z-type. In addition, this report lacks consideration of the cluster structure of the present invention, and further detailed examination is required.
According to the above experimental results of the present invention, the Z-type DNA has a unique π-stack structure with four bases not found in the B-type, and the structural B-type and Z-type of the base π-electron system. It is obvious that it will occur during

前記の例では、グアニン誘導体による酸化反応をみてきたが、天然のグアニンの酸化について次に検討した。8−メチルグアニン(G)は、グアニン(G)よりも酸化されやすいためここで見られたクラスター内での酸化反応は天然のグアニン(G)では起きるか否か確認した。そこでZ型構造を安定化するGをGに置き換えた
5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’
(以下、このオリゴヌクレオチドをODN1−7という。)の光反応性を調べた。ODN1−7はODN1−2と比べZ型となりにくく、2M NaClでは50%しかZ型構造をとらない。この条件下で光反応を行っても2’OH体の生成が観測され、9.0%の5’−d(CGC)rGd(UGCG)−3’及び3.5%の5’−d(CIzCACGCG)−3’の生成が確認された。この種の電子移動はBrUを含むZ型DNAで一般的におこることが確認された。定量結果を図5にまとめた。以上の、ブロモウラシルの光反応の結果からZ型DNA中での4塩基クラスター構造は電荷移動をそのクラスター内部に制限し、反応のオン−オフの制御が可能であることがわかった。今回のクラスター構造のようなπスタッキング様式はZ型構造以外では見られない。
In the above example, an oxidation reaction by a guanine derivative has been observed, but the oxidation of natural guanine was examined next. 8-methyl-guanine (m G), the oxidation reaction in the cluster seen here for easily oxidized than guanine (G) was confirmed whether occurring in natural guanine (G). Therefore, 5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (CGCAC m GCG) -3 ′ in which m G that stabilizes the Z-type structure is replaced with G
The photoreactivity of this oligonucleotide (hereinafter referred to as ODN1-7) was examined. ODN1-7 is less likely to be Z-shaped than ODN1-2, and 2M NaCl takes only 50% of the Z-shaped structure. Even when the photoreaction was carried out under these conditions, the formation of 2′OH form was observed, and 9.0% of 5′-d (CGC) rGd (UGCG) -3 ′ and 3.5% of 5′-d ( The production of CIzCAC m GCG) -3 ′ was confirmed. Electron transfer of this type was confirmed that occurs generally in the Z-type DNA containing Br U. The quantitative results are summarized in FIG. From the results of the above photoreaction of bromouracil, it was found that the 4-base cluster structure in Z-type DNA restricts the charge transfer to the inside of the cluster and can control the on / off of the reaction. The π stacking mode like the cluster structure of this time is not seen except for the Z-type structure.

次に、電荷移動をクラスターにより制御できることを利用しデバイスとしての可能性を検討した。アミノプリンを用いてクラスター構造間における、電荷移動の違いを蛍光として出力することでZ型DNAの性質を分子デバイスに応用として考えた。アミノプリンはBartonらによって電荷移動のプローブとして用いられており、蛍光が消光することで電子移動を受けたことが確認できる。塩基がGやAの場合、アミノプリンに電子を与え、CやTの場合は電子を受け取ることが報告されている。まず、Apを含むDNAオリゴマー
5’−CGCApCGCGCG−3’/5’−CGCGCGTGCG−3’
(以下、このオリゴヌクレオチドをODN8−9という。)を用意した。また、比較実験としてZ型にならない配列のDNA
5’−CGCApCGGCG−3’/5’−CGCCGTGCG−3’
(以下、このオリゴヌクレオチドをODN10−11という。)を用いた。
各DNAのZ型の量をCDスペクトルで測定しながら、各DNAの蛍光を測定した。まず、塩濃度によりDNAオリゴマーをBからZ型に変化させそれぞれの蛍光を測定した。結果を図9に示す。図9a(図9の左側)は、ODN8−9の場合であり、図9b(図9の右側)はODN10−11の場合である。各グラフの横軸はNaClの濃度(M)であり、縦軸は左側が蛍光強度を示し、右側はZ型のDNAの存在量(%)を示す。各グラフ中の四角印(橙色)はCDスペクトルで測定されたZ型のDNAの量(%)を示し、菱形印(青色)は蛍光強度を示す。
この結果、1MのNaClの時はほとんどがB型のDNA(95%以上)であり、アミノプリンが消光している。この理由として、アミノプリンは5’側のCと3’側のCに挟まれており両方に電子を与えていることが可能性であることが大きな理由であると考えられる。さらに、4塩基クラスター構造はその構造内で電荷移動経路の制御を行うのみならず、クラスター内がApCCGになりの重なりの配列を変えることにより電荷移動に影響を与えると思われる。塩濃度が上がり、Z型になっていくに従って蛍光が、1本鎖と同様の強度まで増加した。このことは、Z型構造では電荷移動がクラスター構造内で保たれており、5’側のCはZ型では別のクラスターに存在しApの5’側には電子のやり取りする塩基が存在しなくなるためであると思われる。クラスター構造間を超えて電荷移動が起こりにくいことはブロモウラシルでも示しており、アミノプリンの消光は起こりにくいことも同様な理由であると考えられる。さらに、B型とZ型での塩基の重なり具合、その他に相補鎖に属する塩基の位置も変わることも蛍光強度には重要であると思われる。ただ、ここで重要なことは4塩基のクラスター構造により電荷移動に大きな影響を与えたという点である。
Next, the possibility of a device was investigated by utilizing the fact that charge transfer can be controlled by clusters. By using aminopurine to output the difference in charge transfer between the cluster structures as fluorescence, the nature of Z-type DNA was considered as an application to molecular devices. Aminopurine has been used as a charge transfer probe by Barton et al., And it can be confirmed that the electron transfer has been observed by quenching the fluorescence. It has been reported that when the base is G or A, an electron is given to aminopurine, and when C or T, the electron is received. First, Ap-containing DNA oligomer 5′-CGCApCGCGCG-3 ′ / 5′-CGCGCGTGCG-3 ′
(Hereinafter, this oligonucleotide is referred to as ODN8-9). As a comparative experiment, DNA having a sequence that does not become Z-shaped
5′-CGCApCG A GCG-3 ′ / 5′-CGC T CTGTGCG-3 ′
(Hereinafter, this oligonucleotide is referred to as ODN10-11).
The fluorescence of each DNA was measured while measuring the Z-type amount of each DNA by CD spectrum. First, the DNA oligomer was changed from B to Z according to the salt concentration, and each fluorescence was measured. The results are shown in FIG. 9a (left side of FIG. 9) is the case of ODN 8-9, and FIG. 9b (right side of FIG. 9) is the case of ODN 10-11. In each graph, the horizontal axis represents NaCl concentration (M), the vertical axis represents fluorescence intensity on the left side, and the abundance (%) of Z-type DNA on the right side. Square marks (orange) in each graph indicate the amount (%) of Z-type DNA measured by CD spectrum, and diamond marks (blue) indicate fluorescence intensity.
As a result, most of the 1M NaCl is B-type DNA (95% or more), and aminopurine is quenched. This is probably because aminopurine is sandwiched between C on the 5 ′ side and C on the 3 ′ side and it is possible to give electrons to both. Furthermore, the 4-base cluster structure not only controls the charge transfer path within the structure, but also affects the charge transfer by changing the overlapping sequence of the cluster becoming ApCCG. As the salt concentration increased and became Z-type, the fluorescence increased to the same intensity as the single strand. This is because charge transfer is maintained in the cluster structure in the Z-type structure, and C on the 5 ′ side exists in another cluster in the Z-type, and there is a base for exchanging electrons on the 5 ′ side of Ap. It seems to be because it disappears. Bromouracil has shown that charge transfer is less likely to occur between cluster structures, and the same reason is thought to be that aminopurine quenching is less likely to occur. Furthermore, it seems that it is important for the fluorescence intensity that the bases in the B-type and the Z-type are overlapped and the position of the base belonging to the complementary strand is also changed. However, the important point here is that the charge transfer is greatly influenced by the cluster structure of 4 bases.

また、Z型とB型は、温度により変化することが知られている。つまり、温度が低くなるにつれてB型からZ型へと変化する。そこで、ODN8−9を用いて50%がZ型である3Mの塩濃度において2℃−32℃まで10℃おきに変化させ、CDによるB−Zの変化と蛍光の変化を調べた。その結果、温度が上昇するに従ってZ型からB型に変化すると共に、蛍光も減少することがわかった。比較実験としてZ型にならないDNAオリゴマーODN10−11を用いた場合、温度変化によらず蛍光は確認されなかった。結果を図10に示す。図10a(図10の左上側)はODN8−9を用いた場合であり、グラフの横軸は温度(℃)を示し、縦軸は蛍光強度を示す。図10b(図10の右上側)はODN10−11を用いた場合であり、グラフの横軸は温度(℃)を示し、縦軸は蛍光強度を示す。図10c(図10の左下側)はODN8−9、又はODN10−11を用いて、温度を2℃と32℃に交互に変化させた場合であり、グラフの横軸は温度(℃)を示し、縦軸は蛍光強度を示す。グラフの楕円印(桃色)はODN8−9の場合を示し、菱形印(青色)はODN10−11の場合を示す。図10d(図10の右下側)は温度依存のB−Z転移によるODN8−9の蛍光を模式的に示したものである。
これらの結果から、温度によっても電荷移動経路のコントロールが可能であり、蛍光として出力が可能であることが分かり、今までにないユニークな分子温度計や温度センサーとしても使えることがわかる(図10d参照)。
Moreover, it is known that Z type and B type change with temperature. That is, it changes from B type to Z type as the temperature decreases. Therefore, using ODN8-9, the change in BZ and the change in fluorescence due to CD were examined by changing the salt concentration of 3M, which is 50% Z-type, from 2 ° C to 32 ° C every 10 ° C. As a result, it was found that the fluorescence decreased as the temperature changed from Z-type to B-type. As a comparative experiment, when DNA oligomer ODN10-11 that does not have a Z-shape was used, no fluorescence was observed regardless of temperature changes. The results are shown in FIG. FIG. 10a (upper left of FIG. 10) is a case where ODN8-9 is used, the horizontal axis of the graph indicates temperature (° C.), and the vertical axis indicates fluorescence intensity. FIG. 10b (upper right side of FIG. 10) is a case where ODN10-11 is used, the horizontal axis of the graph indicates temperature (° C.), and the vertical axis indicates fluorescence intensity. FIG. 10c (lower left side of FIG. 10) shows the case where the temperature is changed alternately between 2 ° C. and 32 ° C. using ODN8-9 or ODN10-11, and the horizontal axis of the graph indicates the temperature (° C.). The vertical axis indicates the fluorescence intensity. The oval mark (pink) in the graph indicates the case of ODN8-9, and the rhombus mark (blue) indicates the case of ODN10-11. FIG. 10d (lower right side of FIG. 10) schematically shows the fluorescence of ODN8-9 due to the temperature-dependent BZ transition.
From these results, it can be seen that the charge transfer path can be controlled depending on the temperature and output as fluorescence is possible, and it can be used as an unprecedented unique molecular thermometer and temperature sensor (FIG. 10d). reference).

さらに、Z-Bそれぞれの状態を分子素子としての用いることができるのではないだろうか。3M NaCl中のオリゴマーを2−32℃間で交互に温度変化させ蛍光を測定した。その結果、32℃では蛍光が低く2℃では蛍光が上がり、繰り返し温度変化に応じてB−Z構造変化とそれに応じた出力が得られた(図10c参照)。このことから制御は容易であり2つの状態も蛍光で容易に区別ができることから分子素子などの機能性分子としても期待できる。   Furthermore, each Z-B state can be used as a molecular device. Fluorescence was measured by changing the temperature of the oligomer in 3M NaCl alternately between 2-32 ° C. As a result, the fluorescence was low at 32 ° C. and increased at 2 ° C., and a BZ structure change and an output corresponding to the change were obtained in response to repeated temperature changes (see FIG. 10c). Therefore, it is easy to control, and the two states can be easily distinguished by fluorescence. Therefore, it can be expected as a functional molecule such as a molecular device.

このように本発明は、DNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。本発明のDNAとしては、塩濃度や温度などにより当該DNAの全部又は一部が右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態に転移できるものであればよく、天然型のDNAであっても、非天然型のDNAであってもよい。好ましいDNAとしては、長さが5〜200bp、5〜150bp、5〜100bp、5〜80bp、5〜50bp、5〜30bp、5〜20bp、又は8〜200bp、8〜150bp、8〜100bp、8〜80bp、8〜50bp、8〜30bp、8〜20bp、8〜15bp程度のものが挙げられる。塩基配列は、一般にプリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するものが好ましく、例えばGCGCの配列を有するものやATATの配列を有するものが好ましい。プリン環を有する塩基としてはアデニンやグアニン、又はその誘導体が挙げられる。ピリミジン環を有する塩基としては、チミンやウラシル又はその誘導体のようなピリミジン−ジオン又はその誘導体を有するものや、シトシン又はその誘導体などが挙げられる。例えば、前記した例に示されるように、GCGXGCGC(Xは、ピリミジン環又はその誘導体、例えば置換又は非置換のピリミジン−ジオン又はその誘導体を有する塩基を示す。)のような配列を含有するものが好ましい。
非天然型の塩基としてはウラシル、ブロモウラシル、ヨードウラシルなどのハロウラシル、ハロシトシン、8−メチルグアニン、8−エチルグアニンなどの8−アルキルグアニン、8−メチル−2−アセチルグアニン、8−エチル−2−アセチルグアニンなどの8−アルキル−2−アシルグアニン、8−メトキシグアニン、8−エトキシグアニンなどの8−アルコキシグアニン、8−アミノプリン、2−アミノプリンなどが挙げられる。
また、本発明におけるDNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態は可逆的なものであってもよいし、非可逆的なものであってもよい。前記したように、B−Z転移は可逆的に起こすこともできるし、非可逆的にすることも可能であり、いずれの場合も本発明のDNAとして用いることができる。例えば、スイッチィングのような素子や、センサー素子などとして用いる場合には可逆的なB−Z転移が好ましいし、固定化された記憶素子などとして使用する場合には非可逆的なB−Z転移を利用することもできる。
As described above, the present invention provides a nanoelectronic device material that utilizes the difference in physical properties between right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNA. The DNA of the present invention may be any DNA as long as it can be transferred into a right-handed (B-type) or left-handed (Z-type) state depending on the salt concentration, temperature, etc. Or non-natural type DNA may be sufficient. Preferred DNAs are 5 to 200 bp, 5 to 150 bp, 5 to 100 bp, 5 to 80 bp, 5 to 50 bp, 5 to 30 bp, 5 to 20 bp, or 8 to 200 bp, 8 to 150 bp, 8 to 100 bp, 8 ˜80 bp, 8-50 bp, 8-30 bp, 8-20 bp, and 8-15 bp. The base sequence generally has a base sequence in which bases having a purine ring and bases having a pyrimidine ring are alternately arranged. For example, those having a GCGC sequence and those having an ATAT sequence are preferable. Examples of the base having a purine ring include adenine, guanine, and derivatives thereof. Examples of the base having a pyrimidine ring include those having pyrimidine-dione or a derivative thereof such as thymine or uracil or a derivative thereof, cytosine or a derivative thereof. For example, as shown in the above-mentioned examples, those containing a sequence such as GCGXGCGC (X represents a pyrimidine ring or a derivative thereof, for example, a base having a substituted or unsubstituted pyrimidine-dione or a derivative thereof). preferable.
Non-natural bases include halocils such as uracil, bromouracil and iodouracil, 8-alkylguanines such as halocytosine, 8-methylguanine and 8-ethylguanine, 8-methyl-2-acetylguanine and 8-ethyl-2. There may be mentioned 8-alkyl-2-acylguanine such as acetylguanine, 8-alkoxyguanine such as 8-methoxyguanine, 8-ethoxyguanine, 8-aminopurine, 2-aminopurine and the like.
Further, the right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) states of DNA in the present invention may be reversible or irreversible. As described above, the BZ transition can occur reversibly or irreversibly, and in any case, it can be used as the DNA of the present invention. For example, a reversible BZ transition is preferable when used as an element such as switching or a sensor element, and an irreversible BZ transition when used as a fixed storage element. Can also be used.

本発明のDNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差としては、前記したようにZ型になることにより4塩基からなるπ−スタック構造をとることによる電子又は電荷移動に基づく物性の差が挙げられる。このような物性の差であれはどのようなものであっても特に制限はない。例えば、DNAの電気伝導度、電子移動に基づく蛍光の有無や、蛍光の波長変化、又は蛍光の強度変化などが挙げられる。
本発明のナノエレクトロニックデバイス材料は、各種の電子デバイス、例えば記憶装置の素子、温度検知用のセンサー、有機分子の存在を検出するためのセンサー素子などのセンサー装置の素子、論理回路のスイッチィング素子などとして使用することができる。本発明のDNAは原理的には分子で機能するものであるからナノオーダーの素子とすることが可能となる。
本発明のDNAは、例えば金やシリコーン基板や電極に接続してデバイスとすることができる。これらの接続技術はDNAチップなどのDNA固定化技術を応用することができる。
The difference in physical properties between the right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) states of the DNA of the present invention is due to the fact that it takes a π-stack structure consisting of four bases by becoming Z-type as described above. Differences in physical properties based on electrons or charge transfer can be mentioned. Any difference in physical properties is not particularly limited. For example, the electrical conductivity of DNA, the presence or absence of fluorescence based on electron transfer, the change in fluorescence wavelength, or the change in fluorescence intensity.
The nanoelectronic device material of the present invention includes various electronic devices such as memory device elements, temperature sensing sensors, sensor device elements such as sensor elements for detecting the presence of organic molecules, and logic circuit switching elements. Can be used as such. Since the DNA of the present invention functions in principle as a molecule, it can be a nano-order element.
For example, the DNA of the present invention can be connected to a gold or silicone substrate or an electrode to form a device. For these connection techniques, DNA immobilization techniques such as a DNA chip can be applied.

本発明のDNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態の変化は、塩濃度の変化、温度変化、光の照射、小分子やタンパク質などの有機分子との結合や特定の形態を分子の存在などにより引き起こすことができる。そして、例えば、本発明のDNAの右巻き(B型)の状態をオン又はビットの1とし、左巻き(Z型)の状態をオフ又はビットの0としてスイッチィング素子や記憶素子などとすることができる。また、非可逆的なB−Z転移を利用して、B型のDNAの配列の中の特定の位置のDNAのみを光の照射などにより非可逆的にZ型に転移させるよりROM型の記憶装置とすることも考えられる。
さらに、温度変化を利用した温度センサーや、本発明のDNA部分に被検体物質を接触させて、被検体物質の中にB−Z転移を誘発させる物質、例えば小分子やタンパク質などが存在した場合や特定の形質の分子が存在した場合などのときには、B−Z転移が生起するので、これを利用した有機分子などの存在を検出するためのセンサー素子とすることもできる。
Changes in the right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) states of the DNA of the present invention include salt concentration change, temperature change, light irradiation, binding to organic molecules such as small molecules and proteins, and specific forms. Can be caused by the presence of molecules. For example, the right-handed state (B type) of the DNA of the present invention is turned on or bit 1 and the left-handed state (Z type) is turned off or bit 0 to be a switching element or a memory element. it can. In addition, by utilizing irreversible BZ transition, ROM-type memory is used in which only DNA at a specific position in a B-type DNA sequence is irreversibly transferred to Z-type by light irradiation or the like. A device is also conceivable.
In addition, when there is a temperature sensor using temperature change or a substance that induces BZ transition in the analyte substance by contacting the analyte substance with the DNA portion of the present invention, such as a small molecule or protein When a molecule having a specific character is present, BZ transition occurs. Therefore, a sensor element for detecting the presence of an organic molecule or the like can be used.

本発明は、左巻きのZ型のDNAが4塩基のπ−スタック構造をとり、これらの4塩基がそれぞれ孤立したクラスターを形成することに着目した電子又は電荷の移動を利用した新規なナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものである。そして、本発明は、DNAのB−Z転移反応を利用するものであり、原理的には分子単位のナノエレクトロニックデバイス材料とすることができ、そしてDNAは糖鎖が比較的強固に結合した分子種であり、かつ天然型のDNAは複製能を有するものであり、機械的強度も優れ、量産も容易で、微小な素子材料とすることができる。   The present invention relates to a novel nanoelectronic device using electron or charge transfer focusing on the fact that left-handed Z-shaped DNA has a 4-base π-stack structure, and these 4 bases form isolated clusters. The material is provided. The present invention utilizes the BZ transfer reaction of DNA, and in principle can be used as a nanoelectronic device material in molecular units, and DNA is a molecule in which sugar chains are bound relatively firmly. Seed and natural DNA has replication ability, has excellent mechanical strength, is easily mass-produced, and can be made into a minute device material.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited at all by these Examples.

5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(ODN1−2)は、既報(非特許文献1、2及び5参照)の方法にしたがって合成した。
ODN1−2の36μMを、全量が100μLになるように20mMのリン酸緩衝液(pH7.0)にとり、それぞれの溶液の各々20mM又は2.0MのNaClを添加した。NaClが20mMの溶液はB型のODN1−2であり、NaClが2.0Mの溶液はZ型のODN1−2である。それぞれの溶液に0℃で30分間、302nmの紫外線(HM−5ハイパーモノクロメーター(Jasco))を照射した。
それぞれの反応混合物を既報(非特許文献1参照)の方法にしたがって、CDスペクトルを測定した。
また、それぞれの反応混合物をケムコボンド5ODS−Hカラム(4.6×150mm)を有するHPLCで、40℃で、2〜7%の直線傾斜の濃度変化させたアセトニトリルを含有する0.05Mの蟻酸アンモニウム溶液で、流速1mL/分で40分間溶出させて分析した。
それぞれのHPLC及びCDスペクトルの結果を図1に示す。
rG及びIzの構造は、これらを酵素で分解してイオン化エレクトロスプレー質量分析器(ESI−MS、ネガティブ)で分析した。
5’−d(CGC)rGd(UGCG)−3’ 計算値:2428.6
実測値:2428.2
5’−d(CIzCACGCG)−3’ 計算値:2369.4
実測値:2369.8
5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ (ODN1-2) is determined according to the method of a previously reported (see Non-Patent Documents 1, 2 and 5). Synthesized.
36 μM of ODN1-2 was taken in 20 mM phosphate buffer (pH 7.0) so that the total amount was 100 μL, and 20 mM or 2.0 M NaCl in each solution was added. A 20 mM NaCl solution is B-type ODN1-2, and a 2.0 M NaCl solution is Z-type ODN1-2. Each solution was irradiated with 302 nm ultraviolet light (HM-5 hypermonochromator (Jasco)) at 0 ° C. for 30 minutes.
The CD spectrum of each reaction mixture was measured according to the method reported previously (see Non-Patent Document 1).
In addition, each reaction mixture was subjected to HPLC with Chemcobond 5ODS-H column (4.6 × 150 mm) at 40 ° C. and 0.05 M ammonium formate containing acetonitrile with a concentration change of 2 to 7% linear gradient. The solution was analyzed by eluting for 40 minutes at a flow rate of 1 mL / min.
The results of each HPLC and CD spectrum are shown in FIG.
The structures of rG and Iz were analyzed with an ionization electrospray mass spectrometer (ESI-MS, negative) after digesting them with enzymes.
5′-d (CGC) rGd (UGCG) -3 ′ calculated value: 2428.6
Actual value: 2428.2
5′-d (CIzCAC m GCG) -3 ′ calculated value: 2369.4
Actual value: 2369.8

5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CmoGCACGCG)−3’(ODN1−3)を、既報(非特許文献1、2及び5参照)の方法に準じて合成した。
これを、実施例1に記載の方法と同様に処理して、それぞれの反応混合物を実施例1と同様にHPLCで測定した。
結果を図4に示す。
5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C mo GCAC m GCG) -3 ′ (ODN1-3) is applied in accordance with the method of the previous report (see Non-Patent Documents 1, 2 and 5). And synthesized.
This was treated in the same manner as described in Example 1 and each reaction mixture was measured by HPLC as in Example 1.
The results are shown in FIG.

5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACmoGCG)−3’(ODN1−4)、
5’−d(CGCmoBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(ODN5−2)、
5’−d(CGCGBrmoGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’(ODN6−2)、及び
5’−d(CGCGBrUGCG)−3’/5’−d(CGCACGCG)−3’
(ODN1−7)を、既報(非特許文献1、2及び5参照)の方法に準じて合成した。
これを、実施例1に記載の方法と同様に処理して、それぞれの反応混合物を実施例1と同様にHPLCで測定した。
結果を図5に示す。
5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC mo GCG) -3 ′ (ODN1-4),
5′-d (CGC mo G Br UGCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ (ODN5-2),
5′-d (CGCG Br U mo GCG) -3 ′ / 5′-d (C m GCAC m GCG) -3 ′ (ODN6-2), and 5′-d (CGCG Br UGCG) -3 ′ / 5 '-D (CGCAC m GCG) -3'
(ODN1-7) was synthesized according to the method of the previous report (see Non-Patent Documents 1, 2 and 5).
This was treated in the same manner as described in Example 1 and each reaction mixture was measured by HPLC as in Example 1.
The results are shown in FIG.

5’−CGCApCGCGCG−3’/5’−CGCGCGTGCG−3’
(ODN8−9)、及び、
5’−CGCApCGGCG−3’/5’−CGCCGTGCG−3’
(ODN10−11)を既報(非特許文献1、2及び5参照)の方法に準じて合成した。
それぞれの30μMを20mMのリン酸緩衝液(pH7.0)にとり、それぞれの溶液のNaCl濃度を1〜5Mに変化させて、蛍光強度を測定した。測定は317nmで励起させて、360nmの発光スペクトルをモニターした。
Z型の量は、既報(非特許文献1参照)の方法に準じて、1cmのセルで10℃でのCDスペクトルにより決定した。溶液を90℃に加熱して、ゆっくりと室温まで冷却することによりハイブリダイズさせた。B型とZ型の量の比は、295nmにおけるCDの楕円率で決定した。
結果を図9に示す。
5′-CGCApCGCGCG-3 ′ / 5′-CGCGCGTGCG-3 ′
(ODN8-9) and
5′-CGCApCG A GCG-3 ′ / 5′-CGC T CTGTGCG-3 ′
(ODN10-11) was synthesized according to the method of the previous report (see Non-Patent Documents 1, 2 and 5).
Each 30 μM was taken in 20 mM phosphate buffer (pH 7.0), and the NaCl concentration of each solution was changed to 1 to 5 M, and the fluorescence intensity was measured. The measurement was excited at 317 nm and the emission spectrum at 360 nm was monitored.
The amount of Z-type was determined by a CD spectrum at 10 ° C. in a 1 cm cell in accordance with a previously reported method (see Non-Patent Document 1). The solution was hybridized by heating to 90 ° C. and slowly cooling to room temperature. The ratio of the B-type and Z-type amounts was determined by the CD ellipticity at 295 nm.
The results are shown in FIG.

実施例4で使用したODN8−9及びODN10−11をそれぞれ30μMずつ20mMのリン酸緩衝液(pH7.0)にとり、それぞれの溶液のNaCl濃度を3Mに調製した。
それぞれの溶液の温度を2℃から32℃まで10℃毎に変化させて、実施例4と同様の方法で蛍光強度を測定した。結果を図10a及びbに示す。
また、温度を2℃と32℃に変化させて、同様に蛍光強度を測定した結果を図10cに示す。
ODN8-9 and ODN10-11 used in Example 4 were each taken at 30 μM in 20 mM phosphate buffer (pH 7.0), and the NaCl concentration of each solution was adjusted to 3M.
The fluorescence intensity was measured in the same manner as in Example 4 by changing the temperature of each solution from 2 ° C. to 32 ° C. every 10 ° C. The results are shown in FIGS. 10a and b.
Further, FIG. 10c shows the result of measuring the fluorescence intensity in the same manner while changing the temperature between 2 ° C. and 32 ° C.

本発明は、DNAの右巻き(B型)と左巻き(Z型)の状態における各々の物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料を提供するものであり、分子単位で機能し得る新規なスイッチィング素子、記憶素子、センサー素子、検出素子などとして利用することができる。   The present invention provides a nanoelectronic device material that utilizes the difference in physical properties between right-handed (B-type) and left-handed (Z-type) DNA, and is a novel material that can function in molecular units. It can be used as a switching element, memory element, sensor element, detection element, and the like.

図1は、本発明のODN1−2の右巻き(B−DNA)(図1の上段)と、左巻き(Z−DNA)(図1の下段)の各々のHPLC及びCDスペクトルの結果を示したものである。FIG. 1 shows the results of HPLC and CD spectra of the right-handed (B-DNA) (upper part of FIG. 1) and the left-handed (Z-DNA) (lower part of FIG. 1) of ODN1-2 of the present invention. Is. 図2は、本発明のODN1−2の右巻き(B−DNA)(図2の左側)と、左巻き(Z−DNA)(図2の右側)の各々の塩基の配列状態を模式的に示したものである。FIG. 2 schematically shows the sequence state of each base of right-handed (B-DNA) (left side of FIG. 2) and left-handed (Z-DNA) (right side of FIG. 2) of ODN1-2 of the present invention. It is a thing. 図3は、本発明のODN1−2の右巻き(B−DNA)(図3の左側)と、左巻き(Z−DNA)(図3の右側)の各々の塩基の配列状態を分子模型によりグラフィック化した図面に代わるコンピュータグラフィックスのカラー図面である。FIG. 3 is a graphic representation of the sequence state of each base of the right-handed (B-DNA) (left side of FIG. 3) and left-handed (Z-DNA) (right side of FIG. 3) of ODN1-2 of the present invention. It is a color drawing of computer graphics instead of a generalized drawing. 図4は、本発明のODN1−3の右巻き(B−DNA)(図4の上段)と、左巻き(Z−DNA)(図4の下段)の各々のHPLCの結果を示したものである。FIG. 4 shows the HPLC results of right-handed (B-DNA) (upper part of FIG. 4) and left-handed (Z-DNA) (lower part of FIG. 4) of ODN1-3 of the present invention. . 図5は、本発明のオリゴヌクレオチドの塩基配列(図5上段)と、ODN1−2、ODN1−3、ODN1−4、ODN5−2、ODN6−2、及びODN1−7の、それぞれの光化学反応におけるrG及びIzの収率をグラフ化して示したものである。FIG. 5 shows the nucleotide sequence of the oligonucleotide of the present invention (the upper part of FIG. 5) and the respective photochemical reactions of ODN1-2, ODN1-3, ODN1-4, ODN5-2, ODN6-2, and ODN1-7. The graph shows the yield of rG and Iz. 図6は、本発明のODN1−3の光化学反応の反応機構を示した化学反応式を示したものである。FIG. 6 shows a chemical reaction formula showing the reaction mechanism of the photochemical reaction of ODN1-3 of the present invention. 図7は、本発明のODN1−2の光化学反応における電子の移動を模式的に示したものである。FIG. 7 schematically shows the movement of electrons in the photochemical reaction of ODN1-2 of the present invention. 図8は、DNAの右巻き(B−DNA)(図8の左側)と、左巻き(Z−DNA)(図8の右側)の各々の塩基の配列の分子模型を模式的に示した図面に代わるカラー写真である。Z−DNAでは4塩基によるπ−スタック構造が形成されることを示している。FIG. 8 is a drawing schematically showing a molecular model of the base sequence of each of right-handed DNA (B-DNA) (left side of FIG. 8) and left-handed (Z-DNA) (right side of FIG. 8). It is an alternative color photograph. In Z-DNA, a π-stack structure with 4 bases is formed. 図9は、本発明のODN8−9(図9の左側)と、比較対象のODN10−11(図9の右側)の各々の、各食塩濃度におけるB型とZ型の量の比(橙色の四角印)と蛍光強度(青色の菱形印)を示したグラフである。FIG. 9 shows the ratio of the amount of B-type and Z-type at each salt concentration (orange color) of ODN8-9 of the present invention (left side of FIG. 9) and ODN10-11 (right side of FIG. 9) to be compared. 4 is a graph showing the square marks) and the fluorescence intensity (blue diamond marks). 図10は、本発明のODN8−9(図10a)と、比較対象のODN10−11(図10b)の各々の、各温度における蛍光強度を示したグラフである。図10cはODN8−9(桃色の楕円印)と、比較対象のODN10−11(青色の菱形印)の各々を2℃と32℃に変化させたときの蛍光強度を示したものであり、図10dはB型とZ型の相互のB−Z転移における蛍光の発色を模式的に示したものである。FIG. 10 is a graph showing the fluorescence intensity at each temperature of the ODN8-9 (FIG. 10a) of the present invention and the ODN 10-11 (FIG. 10b) to be compared. FIG. 10c shows the fluorescence intensity when each of ODN8-9 (pink ellipse mark) and ODN10-11 (blue rhombus mark) for comparison are changed to 2 ° C. and 32 ° C. 10d schematically shows the color development of fluorescence in the BZ transition between the B type and the Z type.

配列番号1におけるnは、5−ブロモウラシルを示す。
配列番号2における2番目のnは5−ブロモウラシルを示し、最初のnは8−メトキシグアニンを示す。
配列番号3における最初のnは8−メトキシグアニンを示し、2番目のnは5−ブロモウラシルを示す。
配列番号4及び5におけるnは、8−アミノプリンを示す。
N in SEQ ID NO: 1 represents 5-bromouracil.
The second n in SEQ ID NO: 2 represents 5-bromouracil, and the first n represents 8-methoxyguanine.
The first n in SEQ ID NO: 3 represents 8-methoxyguanine, and the second n represents 5-bromouracil.
N in SEQ ID NOs: 4 and 5 represents 8-aminopurine.

Claims (13)

DNAの右巻き(B型)から左巻き(Z型)の状態になることで、4塩基からなるπ−スタック構造をとることによる電子又は電荷の移動に基づく物性の差を利用してなるナノエレクトロニックデバイス材料であって、該DNAが、8〜200bpの長さであり、かつプリン環を有する塩基と、ピリミジン環を有する塩基とが交互に配列した塩基配列を有するものであるナノエレクトロニックデバイス材料。   Nanoelectronics utilizing the difference in physical properties based on the movement of electrons or charges by taking a π-stack structure consisting of four bases by changing the DNA from right-handed (B-type) to left-handed (Z-type) A nanoelectronic device material, which is a device material, wherein the DNA is 8 to 200 bp in length and has a base sequence in which bases having purine rings and bases having pyrimidine rings are alternately arranged. 前記電子又は電荷の移動に基づく物性の差が、電気伝導度の差である請求項1に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to claim 1, wherein the difference in physical properties based on the movement of electrons or charges is a difference in electrical conductivity. 前記電気伝導度の差を、回路をオン−オフに制御するスイッチとして利用する請求項2に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to claim 2, wherein the difference in electrical conductivity is used as a switch for controlling a circuit on and off. 前記電子又は電荷の移動に基づく物性の差が、蛍光の有無、蛍光の波長変化、及び/又は蛍光の強度変化である請求項1に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to claim 1, wherein the difference in physical properties based on the movement of electrons or charges is the presence or absence of fluorescence, a change in fluorescence wavelength, and / or a change in fluorescence intensity. 前記電子又は電荷の移動に基づく物性の差が、光反応における光反応性の差である請求項1に記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to claim 1, wherein the difference in physical properties based on the movement of electrons or charges is a difference in photoreactivity in a photoreaction. DNAの右巻き(B型)から左巻き(Z型)への状態の変化が、温度及び/又は塩濃度の変化によって起こされる可逆的な転移反応である請求項1〜4のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The change in the state of DNA from right-handed (B type) to left-handed (Z type) is a reversible transfer reaction caused by changes in temperature and / or salt concentration. Nanoelectronic device materials. DNAが、塩基部分としてピリミジン−ジオン環又はその誘導体からなる環を有するものである請求項1〜6のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to any one of claims 1 to 6, wherein the DNA has a pyrimidine-dione ring or a ring made of a derivative thereof as a base moiety. DNAが、天然型のものである請求項1〜7のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。   The nanoelectronic device material according to any one of claims 1 to 7, wherein the DNA is of a natural type. DNAが、アミノプリンまたはその誘導体を塩基として含有するものである請求項1〜のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料。 The nanoelectronic device material according to any one of claims 1 to 7 , wherein the DNA contains aminopurine or a derivative thereof as a base. 請求項1〜9のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料を用いることを特徴とする、記憶装置用素子。   An element for a memory device, characterized by using the nanoelectronic device material according to claim 1. DNAのB型とZ型との電気伝導度の差を、回路をオン−オフに制御するスイッチとして利用することを特徴とする、請求項10に記載の記憶装置用素子。   11. The element for a storage device according to claim 10, wherein a difference in electrical conductivity between the B-type and the Z-type of DNA is used as a switch for controlling the circuit on and off. 請求項1〜4,6〜9のいずれかに記載のナノエレクトロニックデバイス材料を用いることを特徴とする、センサー装置用のセンサー素子。   A sensor element for a sensor device, wherein the nanoelectronic device material according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 9 is used. センサー素子が、温度検知用のセンサーである請求項12に記載のセンサー装置用のセンサー素子。   The sensor element for a sensor device according to claim 12, wherein the sensor element is a sensor for temperature detection.
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