JP2005335054A - Metallic nano wire, and its manufacturing method - Google Patents

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太郎 西中
Eiji Yashima
栄次 八島
Jiro Kumaki
治郎 熊木
Akira Nakamura
陽 中村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metallic nano wire which gives high level structural information to a molecule, is used to manufacture a complicated integrated circuit, simply constitutes intended wiring, and also is used as a nano electronic device utilizing biomolecules, while the metallic nano wire is stiff and is easily treated. <P>SOLUTION: A metallic nano wire made by depositing or bonding a metal on the surface of protein of a nucleo-protein filament is disclosed. A method of manufacturing the above nano wire comprises steps of: depositing or bonding metal particles on nucleic acid bonded protein; causing DNA to react or causing DNA to react with the nucleic acid bonded protein; and then depositing or bonding the metal particles. In addition, the method of manufacturing the metallic nano wire comprises steps of: causing a metallic source for obtaining a target metallic nano wire to chemically or physically react with the nucleo-protein filament having the metallic particles deposited or bound thereto; and causing the particles of the metal source for obtaining the target metallic nano wire to grow on the nucleo-protein. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば、ナノ電子デバイス等として利用可能な新規な金属ナノワイヤー及びその製造方法に関する。本発明の金属ナノワイヤーからなるナノ電子デバイスは、電子・情報・エレクトロニクス分野で利用されるほか、生体内に電子デバイスを組み込む応用技術に対しても利用可能である。   The present invention relates to a novel metal nanowire that can be used as, for example, a nanoelectronic device and a method for producing the same. The nanoelectronic device comprising the metal nanowire of the present invention can be used not only in the fields of electronics, information, and electronics, but also for applied technology for incorporating an electronic device into a living body.

電子産業におけるデバイスの作製は、専らリソグラフィによっており、加速化する微細化の要求に応えるため、照射電磁波の波長は徐々に短くなり、その高エネルギーに耐えられるレジストの開発も急ピッチである。にもかかわらず増大する要求に応えきれず、高度な三次元化が進み、工程は指数関数的に複雑化して来ている。
一方、分子の自己集合能を利用しナノサイズの電子デバイスを構築するボトムアップのアプローチが、従来のトップダウン式のフォトリソグラフィに代わる有力な手法として期待されている。
The fabrication of devices in the electronic industry is exclusively performed by lithography, and the wavelength of irradiated electromagnetic waves gradually shortens in order to meet the demand for accelerating miniaturization, and the development of resists that can withstand such high energy is at a rapid pace. Nevertheless, it cannot meet the increasing demands, advanced three-dimensionalization is progressing, and the process has become exponentially complicated.
On the other hand, a bottom-up approach that constructs nano-sized electronic devices using the self-assembly ability of molecules is expected as a promising alternative to conventional top-down photolithography.

金属ナノワイヤーの製造方法としては、DNAと相同組換え蛋白質RecAを用いた例が報告されている(例えば非特許文献1、非特許文献2等)。しかし、これらはいずれもDNA上に金属ワイヤーを形成させており、RecA蛋白質はDNA上に金属ワイヤーを形成することを妨げるための阻害物質として用いられている。
一方、DNAを用いたナノワイヤー(例えば、非特許文献3等)はDNAの持続性が低く、よく折りたたむ性質を持っていることに加え、DNAに化学的な修飾を施す必要があるため、取り扱いが難しい。また、蛋白分子のみを用いたナノワイヤーも知られているが(例えば、非特許文献4等)、この場合には、DNAよりは剛直であり取り扱いが易しいが、分子に高次の構造情報を持たせることが難しいため、複雑な集積回路を製造するには不向きである。
As a method for producing metal nanowires, examples using DNA and homologous recombinant protein RecA have been reported (for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, etc.). However, all of these have metal wires formed on DNA, and RecA protein is used as an inhibitor to prevent the formation of metal wires on DNA.
On the other hand, nanowires using DNA (for example, Non-Patent Document 3) have low DNA persistence and have a property of folding well, and it is necessary to chemically modify the DNA. Is difficult. In addition, nanowires using only protein molecules are also known (for example, Non-Patent Document 4). In this case, although they are more rigid and easier to handle than DNA, higher-order structural information is given to the molecules. Since it is difficult to hold, it is not suitable for manufacturing a complicated integrated circuit.

Kinneret Keren etal.,Science 302,1380〜(2003)Kinneret Keren etal., Science 302, 1380- (2003) Kinneret Keren etal.,Nano letter 4,323〜(2004)Kinneret Keren etal., Nano letter 4, 323- (2004) Evez Braun et al.,Nature 391,775〜(1998)Evez Braun et al., Nature 391, 775- (1998) Thomas Scheibel et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 100, 4527〜(2003)Thomas Scheibel et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 4527- (2003)

本発明は、上記した如き現状に鑑みなされたもので、剛直で取り扱いが容易な金属ナノワイヤーでありながら、分子に高次の構造情報を持たせることが可能で複雑な集積回路を製造することが出来、且つ簡便に目的の配線を構築することが出来る、生体分子を利用した、ナノ電子デバイスとして利用可能な金属ナノワイヤーを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the current situation as described above, and manufactures a complex integrated circuit capable of giving higher-order structural information to molecules while being a metal nanowire that is rigid and easy to handle. An object of the present invention is to provide a metal nanowire that can be used as a nanoelectronic device using a biomolecule that can be constructed easily and can easily construct a target wiring.

本発明は、核蛋白フィラメントの蛋白表面に金属を付着させた金属ナノワイヤーに関する。   The present invention relates to a metal nanowire having a metal attached to the protein surface of a nucleoprotein filament.

また、本発明は、核酸結合蛋白質に金属粒子を付着又は結合させた後、DNAを作用させるか、又は核酸結合蛋白質にDNAを作用させた後、金属粒子を付着又は結合させることにより製造する、上記金属ナノワイヤーの製造方法に関する。   Further, the present invention is produced by attaching or binding metal particles to a nucleic acid binding protein and then allowing DNA to act, or allowing DNA to act on a nucleic acid binding protein and then attaching or binding the metal particles. It is related with the manufacturing method of the said metal nanowire.

更に、本発明は、金属粒子を付着又は結合させた核蛋白フィラメントに、目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源を化学的又は物理的に作用させて、該核蛋白フィラメント上に目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源の粒子を成長せしめることにより製造する、上記金属ナノワイヤーの製造方法に関する。   Furthermore, the present invention is intended to cause a metal source for obtaining a target metal nanowire to chemically or physically act on a nucleoprotein filament to which metal particles are attached or bound, It is related with the manufacturing method of the said metal nanowire manufactured by growing the particle | grains of the metal source for obtaining the metal nanowire to perform.

本発明者らは、核酸結合蛋白質、就中、相同組換え蛋白質とDNAとを組み合わせ、これに導電性を付与する新しい発想の基に、鋭意研究の結果、本発明を完成した。この発明の完成により、当該産業分野の抱える困難な課題を解決する事は勿論、現在の技術では夢想でしか無かったバイオコンピュータへの足がかりが得られた。   The present inventors completed the present invention as a result of diligent research based on a new idea of combining a nucleic acid-binding protein, in particular, a homologous recombination protein and DNA, and imparting conductivity thereto. The completion of the present invention not only solved difficult problems in the industrial field, but also provided a foothold for a biocomputer that was only a dream in the current technology.

核蛋白フィラメントの蛋白表面に金属を付着させた本発明の金属ナノワイヤー、就中、核蛋白フィラメントが、相同組換え蛋白質とDNAとを含んでなる複合体である当該金属ナノワイヤーは、DNA配列に配線の情報を与えておくことによってサブミクロン単位の複雑な回路を形成することが可能である。特に相同組換え蛋白質の機能であるDNA配列の相同対合、及びDNA鎖交換反応を利用することによって異なる2本のDNA鎖を対合し、配線を容易に分岐することができる。また、形成された核蛋白フィラメントはDNAに比べ持続長の値が約1μmと大きく、剛直なので取り扱いが容易である。
また、予め修飾された核酸結合蛋白質を用いることによって、DNAに化学修飾を施すことなくナノワイヤーを製造できるため、簡便に目的の配線を構築できる。
更に、本発明による金属ナノワイヤーと他の電子素子とを組み合わせて使用することにより、より高い機能を持つ電子回路を作製することも可能である。
The metal nanowire of the present invention in which a metal is attached to the protein surface of the nucleoprotein filament, in particular, the metal nanowire in which the nucleoprotein filament is a complex comprising a homologous recombinant protein and DNA, It is possible to form a complicated circuit in sub-micron units by giving wiring information to the. In particular, by utilizing the homologous pairing of DNA sequences, which is a function of the homologous recombination protein, and the DNA strand exchange reaction, two different DNA strands can be paired and the wiring can be easily branched. In addition, the formed nucleoprotein filament has a long-lasting value of about 1 μm compared to DNA and is easy to handle because it is rigid.
In addition, by using a nucleic acid binding protein that has been modified in advance, a nanowire can be produced without chemically modifying the DNA, so that a desired wiring can be easily constructed.
Furthermore, it is also possible to produce an electronic circuit having a higher function by using the metal nanowire according to the present invention in combination with another electronic element.

本発明で用いられる核蛋白フィラメントとは、DNA、RNA等の核酸の周囲に蛋白質が結合し繊維状の複合体を形成した物を言う。
本発明で用いられる核蛋白フィラメントのより好ましいものとしては、相同組換え蛋白質とDNAとを含んでなる複合体が挙げられる。
即ち、例えば、核酸結合蛋白質として大腸菌RecAのような相同組換え蛋白質を用いることによって、DNA塩基配列非特異的に核蛋白フィラメントを形成することができる。
本発明で用いられる核酸結合蛋白質としては、例えば、λリプレッサー、trpリプレッサーなどの遺伝子発現調節蛋白質、各種真核生物転写因子などのDNA塩基配列特異的に結合する蛋白質のほか、大腸菌単鎖DNA結合蛋白質(SSB蛋白質)などDNA塩基配列非特異的に結合する蛋白質等が挙げられる。特に、核酸結合蛋白質として、相同組換え蛋白質を使用する場合は、大腸菌RecA蛋白質、枯草菌RecA蛋白質、高度高熱菌RecA蛋白質、古細菌RadA蛋白質、***酵母RAD51蛋白質などのRecA群相同組換え蛋白質が好ましいものとして挙げられる。
The nucleoprotein filament used in the present invention refers to a product in which a protein is bound around a nucleic acid such as DNA or RNA to form a fibrous complex.
More preferred nucleoprotein filaments for use in the present invention include complexes comprising homologous recombinant proteins and DNA.
That is, for example, by using a homologous recombinant protein such as Escherichia coli RecA as a nucleic acid binding protein, a nucleoprotein filament can be formed non-specifically in the DNA base sequence.
Examples of the nucleic acid binding protein used in the present invention include gene expression regulatory proteins such as λ repressor and trp repressor, proteins that specifically bind to DNA base sequences such as various eukaryotic transcription factors, and E. coli single chain. Examples thereof include proteins that bind nonspecifically to DNA base sequences, such as DNA-binding proteins (SSB proteins). In particular, when a homologous recombination protein is used as the nucleic acid binding protein, RecA group homologous recombination proteins such as Escherichia coli RecA protein, Bacillus subtilis RecA protein, advanced hyperthermophile RecA protein, archaeal RadA protein, fission yeast RAD51 protein, etc. It is mentioned as preferable.

本発明で用いられる核酸の種類、塩基配列等は、使用する核酸結合蛋白質の核酸結合能に依存する。例えば、遺伝子発現調節蛋白質を使用する場合は、そのDNA結合モチーフを含んだ塩基配列を含む二本鎖DNAが用いられる。また、一本鎖DNA結合蛋白質を使用する場合は一本鎖DNAが用いられる。相同組換え蛋白質を使用する場合は一本鎖DNA、二本鎖DNAが基質として用いられるが、相同組換え産物の中間体として考えられている三本鎖DNA、四本鎖DNA領域が相同組換え蛋白質・DNA複合体中に含まれていても構わない。また、核酸の長さには制限が無い。   The type, base sequence, and the like of the nucleic acid used in the present invention depend on the nucleic acid binding ability of the nucleic acid binding protein to be used. For example, when a gene expression regulatory protein is used, a double-stranded DNA containing a base sequence containing the DNA binding motif is used. When a single-stranded DNA binding protein is used, single-stranded DNA is used. When using homologous recombination proteins, single-stranded DNA and double-stranded DNA are used as substrates, but triple-stranded DNA and quadruple-stranded DNA regions that are considered intermediates of homologous recombination products are homologous pairs. It may be contained in the replacement protein / DNA complex. Moreover, there is no restriction | limiting in the length of a nucleic acid.

本発明において、核酸結合蛋白質に結合させるDNAは、一本鎖DNA、二本鎖DNAの何れにても良く、金属ナノワイヤーの使用目的に応じて適宜選択すれば良く、また、その塩基配列の長さも金属ナノワイヤーの使用目的に応じて任意の長さのDNAを適宜選択して用いればよい。   In the present invention, the DNA to be bound to the nucleic acid binding protein may be either single-stranded DNA or double-stranded DNA, and may be appropriately selected according to the purpose of use of the metal nanowire. As for the length, DNA having an arbitrary length may be appropriately selected and used according to the purpose of use of the metal nanowire.

核酸結合蛋白質とDNAの結合方法は、使用する核酸結合蛋白質とDNAの種類及びこれらの組み合わせの選択により異なるが、一般的な結合方法で良く、その方法は当該技術者の良く知るところである。   The method for binding the nucleic acid binding protein and DNA differs depending on the type of nucleic acid binding protein and DNA to be used and the selection of the combination thereof, but may be a general binding method, which is well known to those skilled in the art.

核酸結合蛋白質と金属粒子の付着又は結合方法は、核酸結合蛋白質の官能基に化学的に結合させる方法が好ましいが、用いられる核酸結合蛋白質に親和性の高い蛋白質など、別の物質を用い、その物質を介して間接的に結合させてもよい。   The method of attaching or binding the nucleic acid binding protein and the metal particles is preferably a method of chemically binding to the functional group of the nucleic acid binding protein, but using another substance such as a protein having a high affinity for the nucleic acid binding protein to be used. You may couple | bond indirectly through a substance.

本発明において、最初に核蛋白フィラメントに付着又は結合させる金属粒子と、目的とする金属ナノワイヤーを得るために該核蛋白フィラメントの上に更に化学的又は物理的に作用させる金属源とは、同じ金属であっても異なる金属であってもよい。
これら本発明で用いられる金属は、通常の使用条件、例えば、常温常圧の空気中で容易に腐食して導電性を失わない物が好ましく、そうした性質を具備する金属としては、一般に貴金属が挙げられるが、使用条件によっては、アルミニウムや銅も充分に目的を達成することができるので、本発明において、核蛋白フィラメントに付着又は結合させる金属粒子として、また、金属粒子を付着又は結合させた核蛋白フィラメント上に、更に化学的又は物理的に作用させる金属源として、これらアルミニウムや銅も使用可能である。
本発明において、好ましく用いられる貴金属の具体例としては、例えば、金、銀、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、或いはこれらの混合物、若しくはこれらの合金等が挙げられる。
In the present invention, the metal particles that are first attached or bound to the nucleoprotein filament and the metal source that is further chemically or physically acted on the nucleoprotein filament to obtain the target metal nanowire are the same. It may be a metal or a different metal.
These metals used in the present invention are preferably those that are easily corroded under normal conditions of use, for example, air at normal temperature and pressure, and that do not lose their conductivity, and examples of metals having such properties include noble metals. However, depending on the conditions of use, aluminum and copper can sufficiently achieve the object. Therefore, in the present invention, as the metal particles to be attached or bonded to the nucleoprotein filament, the nucleus to which the metal particles are attached or bonded is used. These aluminum and copper can also be used as a metal source for further chemical or physical action on the protein filament.
In the present invention, specific examples of the noble metal preferably used include gold, silver, platinum, iridium, ruthenium, rhodium, palladium, a mixture thereof, and an alloy thereof.

核蛋白フィラメントに付着又は結合させる金属の量は、目的とする導電性の程度により異なり、必ずしもこれに限定されるものではないが、通常、フィラメント全体の1〜99.999重量%、好ましくは10〜99.99%、より好ましくは50〜99.9%である。 下限値については目的とする電導度あるいは許容される抵抗値で決まる。少なすぎると抵抗が増し、工業的実施上、支障を来たすし、多すぎると、その形成過程において、金属はランダムな樹枝状の成長を遂げ、目的外の配線を作ることになり、やはり支障がある。
本発明に係る金属ナノワイヤーの電導度は通常10ジーメンス/cm以上、好ましくは100ジーメンス/cm以上である。
The amount of metal attached to or bound to the nucleoprotein filament varies depending on the intended degree of conductivity, and is not necessarily limited thereto, but is usually 1 to 99.999% by weight, preferably 10%. ˜99.99%, more preferably 50 to 99.9%. The lower limit is determined by the target conductivity or allowable resistance value. If the amount is too small, the resistance increases, and this impedes the industrial implementation.If the amount is too large, the metal will grow in a random dendritic shape in the formation process, resulting in undesired wiring. is there.
The conductivity of the metal nanowire according to the present invention is usually 10 Siemens / cm or more, preferably 100 Siemens / cm or more.

核蛋白フィラメントへ目的とする金属粒子を付着又は結合させる方法としては、先ず、核酸結合蛋白質の官能基に金属を化学的に結合せしめ、次の段階でDNAと混合して金属粒子付着核蛋白フィラメントとなす方法と、予め、核酸結合蛋白質とDNAを混合して核蛋白フィラメントとした後、金属粒子を付着せしめる方法とがあるが、どちらの方法でも良く、何れの方法でも所望の金属ナノワイヤーを形成することができる。
即ち、核酸結合蛋白質への金属粒子の導入は、DNAを作用させる前であっても後であっても良い。
As a method of attaching or binding the target metal particles to the nucleoprotein filament, first, the metal is chemically bonded to the functional group of the nucleic acid binding protein, and then mixed with DNA in the next step to be attached to the nucleoprotein filament. There are two methods, namely, a method in which a nucleic acid binding protein and DNA are mixed in advance to form a nucleoprotein filament and then a metal particle is attached. Either method may be used, and either method can be used to form a desired metal nanowire. Can be formed.
That is, the introduction of the metal particles into the nucleic acid binding protein may be before or after the DNA is allowed to act.

金属粒子を成長させることは、導電性の増加と強度の増加の為に必要であるが、初めに金属粒子を付着又は結合させた段階で目的が達成される場合、例えば10ジーメンス/cm以上、好ましくは100ジーメンス/cmを超える電導度を持つ場合は、必ずしもこの操作は必要ない。   Growing metal particles is necessary for increased conductivity and increased strength, but if the goal is achieved at the stage of first attaching or bonding the metal particles, for example, 10 Siemens / cm or more, This operation is not necessarily required when the conductivity is preferably over 100 Siemens / cm.

金属粒子を成長させる方法としては、蒸着、スパッター金属の付着等の物理的方法の他、化学的又は電気化学的な還元による方法がある。何れの方法により行うも任意であるが、どちらかと言えば、物理的方法よりも電気化学的方法若しくは化学的方法が好ましく、特に好ましいのは化学メッキによる方法である。その理由は、目的とする金属ワイヤーの太さを正確に制御された状態で形成することが容易であり、メッキ時に電導端子の取り付けも必要無いからである。   Methods for growing metal particles include physical methods such as vapor deposition and sputter metal deposition, as well as chemical or electrochemical reduction methods. Any method can be used, but if anything, an electrochemical method or a chemical method is preferable to a physical method, and a chemical plating method is particularly preferable. The reason is that it is easy to form the thickness of the target metal wire in an accurately controlled state, and it is not necessary to attach a conductive terminal during plating.

化学的方法による還元では、用いられる還元剤は、当該金属の還元が可能な還元剤であれば何れの還元剤でも良い。しかしながら弱すぎる還元剤では、金属の還元に時間がかかり、還元不充分のまま廃棄される金属源が多く、工業的実施上好ましくない。一方、強すぎる還元剤では、目的外の部位、即ち、ワイヤー以外への新たな金属の析出が見られ、好ましくない。
好ましい還元剤としては、アルデヒド類又はハイドロキノン等が挙げられる。
他の還元方法としては他の金属のイオン化に伴う当該金属の析出、すなわち、イオン化傾向の差を利用した還元方法等も利用し得る。
In the reduction by a chemical method, the reducing agent used may be any reducing agent as long as it is a reducing agent capable of reducing the metal. However, if the reducing agent is too weak, it takes a long time to reduce the metal, and many metal sources are discarded with insufficient reduction, which is not preferable in industrial practice. On the other hand, a reducing agent that is too strong is not preferable because a new metal is deposited on a non-target site, that is, other than the wire.
Preferable reducing agents include aldehydes or hydroquinone.
As another reduction method, the metal precipitation accompanying the ionization of another metal, that is, a reduction method using a difference in ionization tendency, or the like can be used.

ナノワイヤーの長さはDNAの長さによって決定されるため、任意の長さのDNAを用いることによって希望の長さのナノワイヤーを製造することが可能である(例えば200塩基対のDNAと核酸結合蛋白質を用いることによって約100nmのナノワイヤーを製造することが出来る。)。ナノワイヤーの太さは金属源溶液中の金属イオン(金イオン、銀イオンなど)の濃度と反応時間により調節でき、10〜500nmの太さを持つナノワイヤーを製造することが出来る。太さが500nmを超えるワイヤーの製造も可能であるが、本発明の効果を特徴的に発揮できるのは500nm以下の太さに於いて著しい。
本発明のナノワイヤーの太さと長さに関しては、その最小値は、DNAの直径と螺旋の周期から自ずと制限され、太さ、長さとも10nmが最小値となる。最大値については特に制限はないが、産業上の利用可能性を考えると、太さは500nm程度、長さは5mm程度、好ましくは30μm程度が実用的な面から見ての最大値となろう。
なお、本明細書中においては、ワイヤーの形状を表す用語の一つとして、ワイヤーの「太さ」と言う用語を使用しているが、この用語によりワイヤーの断面形状が規定されるものではない。ワイヤーの断面形状は、円、楕円、多角形、その他の不定形を含み、また、穴の開いた所謂蓮根状であることも可能である。本明細書中で言う「太さ」は、円以外の断面形状を持つワイヤーの場合、その断面積と同等の円に換算した時の直径を表すものである。
Since the length of the nanowire is determined by the length of the DNA, it is possible to produce a nanowire having a desired length by using an arbitrary length of DNA (for example, 200 base pairs of DNA and nucleic acid). By using the binding protein, nanowires of about 100 nm can be produced.) The thickness of the nanowire can be adjusted by the concentration of metal ions (gold ions, silver ions, etc.) in the metal source solution and the reaction time, and nanowires having a thickness of 10 to 500 nm can be produced. Although it is possible to manufacture a wire having a thickness exceeding 500 nm, the effect of the present invention can be exhibited characteristically at a thickness of 500 nm or less.
Regarding the thickness and length of the nanowire of the present invention, the minimum value is naturally limited by the diameter of the DNA and the period of the spiral, and the thickness and the length are both 10 nm. Although there is no particular limitation on the maximum value, considering the industrial applicability, the thickness is about 500 nm, the length is about 5 mm, and preferably about 30 μm is the maximum value from a practical standpoint. .
In this specification, the term “thickness” of the wire is used as one of the terms representing the shape of the wire, but the term does not define the cross-sectional shape of the wire. . The cross-sectional shape of the wire includes a circle, an ellipse, a polygon, and other indefinite shapes, and can also be a so-called lotus root shape with a hole. In the present specification, the “thickness” represents a diameter when converted into a circle equivalent to the cross-sectional area of a wire having a cross-sectional shape other than a circle.

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.

遺伝子操作実験により部位特異的にシステイン残基を導入した変異型大腸菌recA遺伝子(317番目のリジンをシステインに置換したもの:K317C、あるいはRecAのC末端にシステインを付加したもの:353C)を大量発現系ベクターに組み込んだものを調製して、大腸菌内に発現させ、ポリエチレンイミン分画、イオン交換クロマトグラフィー、疎水カラムクロマトグラフィーにより、システイン変異RecA蛋白質を単離、精製した。
M13mp18 DNAのマルチクローニングサイトの部分配列に相補的なオリゴヌクレオチド(SmaI切断部位を中央に含む)を合成した。これをM13mp18環状一本鎖DNAとアニールさせた後、制限酵素SmaIによって切断した。DNA産物を含む反応溶液をイオン交換クロマトグラフィーによって精製し、M13mp18線状一本鎖DNAを調製した。
20mMトリス−酢酸バッファー(pH7.5)、1mM酢酸マグネシウム、1mMアデノシン−5’−O−(3−チオ三燐酸)を含んだ溶液中に、上記のM13mp18線状一本鎖DNA及びK317C RecA蛋白質をそれぞれ最終濃度が0.72μM(DNAの濃度はヌクレオチド換算濃度、以下同様)及び1.92μMになるように加え、この反応液を37℃にて15分間インキュベートした。この反応液にモノマレイミド修飾された金粒子0.06mMを加え、室温にて7時間反応させた。サンプルはその後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィーにより精製し、金粒子修飾したRecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を調製した。
金粒子修飾したRecAフィラメントを含む溶液に対してグルタルアルデヒドを最終濃度0.5%になるように加え、8分間インキュベートすることによってRecAフィラメントを架橋安定化した。
サンプルはその後、アミノシラン処理した雲母上に広げた。雲母上を原子間力顕微鏡によって観察し、目的とする金粒子修飾したRecAフィラメントが分解することなく、きちんと雲母上に広げられていることを確認した。
次いで、還元剤を含む銀イオン溶液[商品名:LI Silver(Nanoprobes社製)]20μlをサンプル上に加えて、3分間静置し、銀を金粒子上に析出させて、目的の金属ナノワイヤーを得た。
反応後(静置3分後)のサンプルの原子間力顕微鏡像を図1に示す。
得られた銀ナノワイヤーの直径は約20nm、長さは約2μmであった。
Large-scale expression of a mutant E. coli recA gene introduced with a cysteine residue site-specifically by gene manipulation experiment (the 317th lysine substituted with cysteine: K317C, or RecA with cysteine added to the C-terminus: 353C) A product incorporated into a system vector was prepared and expressed in E. coli, and the cysteine-mutated RecA protein was isolated and purified by polyethyleneimine fractionation, ion exchange chromatography, and hydrophobic column chromatography.
An oligonucleotide complementary to the partial sequence of the multicloning site of M13mp18 DNA (containing a SmaI cleavage site in the center) was synthesized. This was annealed with M13mp18 circular single-stranded DNA and then cleaved with restriction enzyme SmaI. The reaction solution containing the DNA product was purified by ion exchange chromatography to prepare M13mp18 linear single-stranded DNA.
In a solution containing 20 mM Tris-acetate buffer (pH 7.5), 1 mM magnesium acetate, 1 mM adenosine-5′-O- (3-thiotriphosphate), the above-mentioned M13mp18 linear single-stranded DNA and K317C RecA protein Were added so that the final concentrations were 0.72 μM (DNA concentration was equivalent to nucleotide, hereinafter the same) and 1.92 μM, and this reaction solution was incubated at 37 ° C. for 15 minutes. To this reaction solution, 0.06 mM of monomaleimide-modified gold particles were added and reacted at room temperature for 7 hours. The sample was then purified by gel filtration column chromatography to prepare a gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament).
To the solution containing the gold particle-modified RecA filament, glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5%, and the RecA filament was crosslinked and stabilized by incubating for 8 minutes.
The sample was then spread on the aminosilane treated mica. The mica was observed with an atomic force microscope, and it was confirmed that the target RecA filament modified with gold particles was properly spread on the mica without being decomposed.
Next, 20 μl of a silver ion solution containing a reducing agent [trade name: LI Silver (manufactured by Nanoprobes)] is added onto the sample and allowed to stand for 3 minutes to precipitate silver on the gold particles, and the target metal nanowire. Got.
FIG. 1 shows an atomic force microscope image of the sample after the reaction (after 3 minutes of standing).
The obtained silver nanowire had a diameter of about 20 nm and a length of about 2 μm.

20mMトリス−酢酸バッファー(pH7.5)、1mM酢酸マグネシウム、1mMアデノシン−5’−O−(3−チオ三燐酸)を含んだ溶液中に、実施例1と同様にして調製したM13mp18線状一本鎖DNA及びK317C RecA蛋白質をそれぞれ最終濃度が0.72μM及び1.92μMになるように加え、この反応液を37℃にて15分間インキュベートした。この反応液にモノマレイミド修飾された金粒子0.06mMを加え、室温にて7時間反応させた。サンプルはその後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィーにより精製し、金粒子修飾したRecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を調製した。
金粒子修飾したRecAフィラメントを含む溶液に対してグルタルアルデヒドを最終濃度0.5%になるように加え、8分間インキュベートすることによってRecAフィラメントを架橋安定化した。
上記の如くして調製した金粒子修飾RecAフィラメント(核蛋白フィラメント)をアミノシラン処理した雲母上に広げた。この後、0.55mg/mlのハイドロキノン及び21mg/mlのKAu(SCN)2を含む0.8M燐酸ナトリウム溶液(pH5.5)20μlをサンプル上に加えて、3分間静置し、金を金粒子上に析出させて、目的の金属ナノワイヤーを得た(図2)。得られた金ナノワイヤーの直径は約200nm、長さは約2μmであった。
M13mp18 linear one prepared in the same manner as in Example 1 in a solution containing 20 mM Tris-acetate buffer (pH 7.5), 1 mM magnesium acetate, 1 mM adenosine-5′-O- (3-thiotriphosphate) Double-stranded DNA and K317C RecA protein were added to final concentrations of 0.72 μM and 1.92 μM, respectively, and the reaction was incubated at 37 ° C. for 15 minutes. To this reaction solution, 0.06 mM of monomaleimide-modified gold particles were added and reacted at room temperature for 7 hours. The sample was then purified by gel filtration column chromatography to prepare a gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament).
To the solution containing the gold particle-modified RecA filament, glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5%, and the RecA filament was crosslinked and stabilized by incubating for 8 minutes.
The gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament) prepared as described above was spread on mica treated with aminosilane. After that, 20 μl of 0.8 M sodium phosphate solution (pH 5.5) containing 0.55 mg / ml hydroquinone and 21 mg / ml KAu (SCN) 2 was added onto the sample and allowed to stand for 3 minutes. The target metal nanowire was obtained by depositing on the particles (FIG. 2). The obtained gold nanowire had a diameter of about 200 nm and a length of about 2 μm.

20mMトリス−酢酸バッファー(pH7.5)、1mM酢酸マグネシウム、1mMアデノシン−5’−O−(3−チオ三燐酸)を含んだ溶液中に、実施例1と同様にして調製したM13mp18線状一本鎖DNA及びK317C RecA蛋白質をそれぞれ最終濃度が0.72μM及び1.92μMになるように加え、この反応液を37℃にて15分間インキュベートした。この反応液にモノマレイミド修飾された金粒子0.06mMを加え、室温にて7時間反応させた。サンプルはその後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィーにより精製し、金粒子修飾したRecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を調製した。
金粒子修飾したRecAフィラメントを含む溶液に対してグルタルアルデヒドを最終濃度0.5%になるように加え、8分間インキュベートすることによってRecAフィラメントを架橋安定化した。
上記の如くして調製した金粒子修飾RecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を金のストライプとそれらにつながる金の端子とを施したシリコンウエハー上に広げた。このシリコンウエハーには漏電流を防止するために予め絶縁膜を施し、その上に金ストライプを形成しておいた。2本の金のストライプのそれぞれに、その端部のそれぞれが乗ったワイヤーを探し出し、それぞれのストライプに繋がる端子間の直流抵抗を測定した。10μVの電圧に対してほぼ100nAの電流が流れ、抵抗は約100Ω、電導度は10,000ジーメンス/cmであった。
M13mp18 linear one prepared in the same manner as in Example 1 in a solution containing 20 mM Tris-acetate buffer (pH 7.5), 1 mM magnesium acetate, 1 mM adenosine-5′-O- (3-thiotriphosphate) Double-stranded DNA and K317C RecA protein were added to final concentrations of 0.72 μM and 1.92 μM, respectively, and the reaction was incubated at 37 ° C. for 15 minutes. To this reaction solution, 0.06 mM of monomaleimide-modified gold particles were added and reacted at room temperature for 7 hours. The sample was then purified by gel filtration column chromatography to prepare a gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament).
To the solution containing the gold particle-modified RecA filament, glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5%, and the RecA filament was crosslinked and stabilized by incubating for 8 minutes.
The gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament) prepared as described above was spread on a silicon wafer provided with gold stripes and gold terminals connected to them. This silicon wafer was previously provided with an insulating film to prevent leakage current, and a gold stripe was formed thereon. A wire on each of the two gold stripes was found, and the DC resistance between the terminals connected to each stripe was measured. A current of approximately 100 nA flowed with respect to a voltage of 10 μV, the resistance was about 100Ω, and the conductivity was 10,000 Siemens / cm.

20mMトリス−酢酸バッファー(pH7.5)、1mM酢酸マグネシウム、1mMアデノシン−5’−O−(3−チオ三燐酸)を含んだ溶液中に、ラムダ二重鎖DNA及び353C RecA蛋白質をそれぞれ最終濃度が5μM(塩基対)及び3.3μMになるように加え、この反応液を37℃にて8分間インキュベートした。この反応液にモノマレイミド修飾された金粒子0.06mMを加え、室温にて5分間反応させた。サンプルはその後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィーにより精製し、金粒子修飾したRecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を調製した。
金粒子修飾したRecAフィラメントを含む溶液に対してグルタルアルデヒドを最終濃度0.5%になるように加え、8分間インキュベートすることによってRecAフィラメントを架橋安定化した。
上記の如くして調製した金粒子修飾RecAフィラメント(核蛋白フィラメント)を金のストライプとそれらにつながる金の端子とを施したシリコンウエハー上に広げた。このシリコンウエハーには漏電流を防止するために予めシリコンナイトライドによる絶縁膜を施し、その上に金ストライプ電極を形成しておいた。電極間の距離は約2μmであった。この後、0.55mg/mlのハイドロキノン及び21mg/mlのKAu(SCN)を含む0.8M燐酸ナトリウム溶液(pH5.5)20μlをサンプル上に加えて、30分間静置し、金を金粒子上に析出させて、目的の金属ナノワイヤーを得た。2本の金のストライプのそれぞれに、その端部のそれぞれが乗ったワイヤーを探し出し、それぞれのストライプに繋がる端子間の直流抵抗を測定した。1.3μVの電圧に対してほぼ147nAの電流が流れ、抵抗は約8.9Ωであった(図3及び図4)。
In a solution containing 20 mM Tris-acetate buffer (pH 7.5), 1 mM magnesium acetate, and 1 mM adenosine-5′-O- (3-thiotriphosphate), the final concentrations of lambda double-stranded DNA and 353C RecA protein were respectively obtained. Of 5 μM (base pair) and 3.3 μM, and the reaction was incubated at 37 ° C. for 8 minutes. To this reaction solution, 0.06 mM of monomaleimide-modified gold particles were added and reacted at room temperature for 5 minutes. The sample was then purified by gel filtration column chromatography to prepare a gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament).
To the solution containing the gold particle-modified RecA filament, glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5%, and the RecA filament was crosslinked and stabilized by incubating for 8 minutes.
The gold particle-modified RecA filament (nucleoprotein filament) prepared as described above was spread on a silicon wafer provided with gold stripes and gold terminals connected to them. In order to prevent leakage current, this silicon wafer was previously provided with an insulating film made of silicon nitride, and a gold stripe electrode was formed thereon. The distance between the electrodes was about 2 μm. After that, 20 μl of 0.8 M sodium phosphate solution (pH 5.5) containing 0.55 mg / ml hydroquinone and 21 mg / ml KAu (SCN) 2 was added onto the sample and allowed to stand for 30 minutes. The target metal nanowire was obtained by depositing on the particles. A wire on each of the two gold stripes was found, and the DC resistance between the terminals connected to each stripe was measured. A current of approximately 147 nA flowed with respect to a voltage of 1.3 μV, and the resistance was about 8.9Ω (FIGS. 3 and 4).

本発明は、核酸結合蛋白質とDNAの自己集合能を利用したボトムアップ方式のアプローチによって作製される核蛋白フィラメントを利用した金属ナノワイヤーとその製造方法を提供するものであり、特に、核酸結合蛋白質として大腸菌RecAのような相同組換え蛋白質を用いることにより、DNA塩基配列非特異的に核蛋白フィラメントを形成することができる新規な技術を提供するものである。
本発明の金属ナノワイヤーは、例えば、ナノ電子デバイス等として利用可能であり、本発明の金属ナノワイヤーからなるナノ電子デバイスは、電子・情報・エレクトロニクス分野で利用されるほか、生体内に電子デバイスを組み込む応用技術に対しても利用可能である。
The present invention provides a metal nanowire using a nucleoprotein filament produced by a bottom-up approach utilizing the self-assembly ability of a nucleic acid binding protein and DNA, and a method for producing the same. By using a homologous recombination protein such as Escherichia coli RecA, a novel technique capable of forming a nucleoprotein filament in a non-specific DNA base sequence is provided.
The metal nanowire of the present invention can be used as, for example, a nanoelectronic device, and the nanoelectronic device comprising the metal nanowire of the present invention is used in the fields of electronics, information, and electronics, and is an electronic device in vivo. It can also be used for applied technology that incorporates.

金粒子を付着させた核蛋白フィラメントの上に、銀を析出させることによって得られた金属(銀)ナノワイヤーの原子間力顕微鏡像(図面に代わる写真)である。(実施例1)It is the atomic force microscope image (photograph replaced with drawing) of the metal (silver) nanowire obtained by depositing silver on the nucleoprotein filament to which the gold particle was adhered. Example 1 金粒子を付着させた核蛋白フィラメントの上に、金を析出させることによって得られた金属(金)ナノワイヤーの原子間力顕微鏡像(図面に代わる写真)である。(実施例2)It is an atomic force microscope image (photograph replaced with drawing) of a metal (gold) nanowire obtained by depositing gold on a nucleoprotein filament to which gold particles are attached. (Example 2) 金粒子を付着させた核蛋白フィラメントの上に、金を析出させることによって得られた金属(金)ナノワイヤーのSEM(走査電子顕微鏡)像(図面に代わる写真)である。ナノワイヤーは金のストライプでパターニングしたシリコンウエハー上で形成した。写真では1本のナノワイヤーが金のストライプ電極を架橋している。It is the SEM (scanning electron microscope) image (photograph replaced with drawing) of the metal (gold) nanowire obtained by depositing gold | metal | money on the nuclear protein filament to which the gold particle was adhered. Nanowires were formed on a silicon wafer patterned with gold stripes. In the photo, a single nanowire bridges a gold stripe electrode. 金粒子を付着させた核蛋白フィラメントの上に、金を析出させることによって得られた金属(金)ナノワイヤーの電流電圧曲線である。(実施例3)It is a current-voltage curve of a metal (gold) nanowire obtained by depositing gold on a nucleoprotein filament to which gold particles are attached. Example 3

Claims (21)

核蛋白フィラメントの蛋白表面に金属を付着又は結合させた金属ナノワイヤー。   Metal nanowires with metal attached or bound to the protein surface of the nucleoprotein filament. 核蛋白フィラメントが、核酸結合蛋白質とDNAとを含んでなる複合体である請求項1に記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to claim 1, wherein the nucleoprotein filament is a complex comprising a nucleic acid binding protein and DNA. 核酸結合蛋白質が相同組換え蛋白質である請求項2に記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to claim 2, wherein the nucleic acid binding protein is a homologous recombinant protein. 金属が貴金属である、請求項1〜3の何れかに記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal is a noble metal. 金属が金、銀、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、又はこれらの混合物若しくは合金である、請求項1〜4の何れかに記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal is gold, silver, platinum, iridium, ruthenium, rhodium, palladium, or a mixture or alloy thereof. ナノワイヤーを形成する金属の量がナノワイヤー全体の1〜99.999重量%である請求項1〜5の何れかに記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to any one of claims 1 to 5, wherein the amount of the metal forming the nanowire is 1 to 99.999% by weight of the whole nanowire. 太さが10〜500nm、長さが10nm以上であって、太さの数値よりも長さの数値の方が大きい、請求項1〜6の何れかに記載の金属ナノワイヤー。   The metal nanowire according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness is 10 to 500 nm, the length is 10 nm or more, and the numerical value of the length is larger than the numerical value of the thickness. 電導度が、10ジーメンス/cm以上である、請求項1〜7の何れかに記載の金属ナノワイヤー。   Metal nanowire in any one of Claims 1-7 whose electrical conductivity is 10 siemens / cm or more. 核酸結合蛋白質に金属粒子を付着又は結合させた後、DNAを作用させるか、又は核酸結合蛋白質にDNAを作用させた後、金属粒子を付着又は結合させることにより製造する、請求項1〜8の何れかに記載の金属ナノワイヤーの製造方法。   The metal particle is attached or bound to the nucleic acid binding protein and then the DNA is allowed to act, or the DNA is allowed to act on the nucleic acid binding protein and then the metal particle is attached or bound to the nucleic acid binding protein. The manufacturing method of the metal nanowire in any one. 核酸結合蛋白質が相同組換え蛋白質である、請求項9に記載の製造方法。   The production method according to claim 9, wherein the nucleic acid binding protein is a homologous recombinant protein. 金属粒子の付着又は結合方法が、核酸結合蛋白質或いは核蛋白フィラメントの官能基と金属との化学的反応によるものである、請求項9又は10に記載の製造方法。   The production method according to claim 9 or 10, wherein the metal particle is attached or bound by a chemical reaction between a functional group of a nucleic acid binding protein or a nucleoprotein filament and a metal. 金属粒子を付着又は結合させた核蛋白フィラメントに、目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源を化学的又は物理的に作用させて、該核蛋白フィラメント上に目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源の粒子を成長せしめることにより製造する、請求項1〜8の何れかに記載の金属ナノワイヤーの製造方法。   A metal source for obtaining a target metal nanowire is chemically or physically acted on a nucleoprotein filament to which metal particles are attached or bound to obtain the target metal nanowire on the nucleoprotein filament. The manufacturing method of the metal nanowire in any one of Claims 1-8 manufactured by making the particle | grains of the metal source for it grow. 核酸結合蛋白質に金属粒子を付着又は結合させた後、DNAを作用させるか、又は核酸結合蛋白質にDNAを作用させた後、金属粒子を付着又は結合させて、金属粒子を付着又は結合させた核蛋白フィラメントとなし、更に、該核蛋白フィラメントに目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源を化学的又は物理的に作用させて、該核蛋白フィラメント上に目的とする金属ナノワイヤーを得るための金属源の粒子を成長せしめる、請求項12に記載の金属ナノワイヤーの製造方法。   A nucleus in which metal particles are attached or bound after attaching or binding metal particles to a nucleic acid binding protein, or after allowing DNA to act on the nucleic acid binding protein or after allowing DNA to act on a nucleic acid binding protein. In order to obtain a target metal nanowire on the nucleoprotein filament by chemically or physically acting a metal source for obtaining the target metal nanowire on the nucleoprotein filament. The method for producing metal nanowires according to claim 12, wherein particles of the metal source are grown. 核酸結合蛋白質が相同組換え蛋白質である、請求項13に記載の製造方法。   14. The production method according to claim 13, wherein the nucleic acid binding protein is a homologous recombinant protein. 最初に核蛋白フィラメントに付着又は結合させる金属粒子と、金属粒子を付着又は結合させた該核蛋白フィラメントに化学的又は物理的に作用させて金属粒子を成長せしめる金属源とが同じ金属である、請求項12〜14の何れかに記載の製造方法。   The metal particles that are first attached to or bound to the nucleoprotein filament and the metal source that causes the metal particles to grow chemically by physically or physically acting on the nucleoprotein filament to which the metal particles are attached or bound are the same metal. The manufacturing method in any one of Claims 12-14. 最初に核蛋白フィラメントに付着又は結合させる金属粒子と、金属粒子を付着又は結合させた該核蛋白フィラメントに化学的又は物理的に作用させて金属粒子を成長せしめる金属源とが異なる金属である、請求項12〜14の何れかに記載の製造方法。   The metal particles that are first attached or bound to the nucleoprotein filament are different from the metal source from which the metal particles are grown by chemically or physically acting on the nucleoprotein filament to which the metal particles are attached or bound. The manufacturing method in any one of Claims 12-14. 金属粒子の付着又は結合方法が、核酸結合蛋白質或いは核蛋白フィラメントの官能基と金属粒子との化学的反応によるものである、請求項12〜16の何れかに記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 12 to 16, wherein the metal particle is attached or bound by a chemical reaction between the functional group of the nucleic acid binding protein or nucleoprotein filament and the metal particle. 金属粒子の成長に還元性物質を使用する、請求項12〜17の何れかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 12-17 using a reducing substance for the growth of a metal particle. 還元性物質がアルデヒド類又はハイドロキノンである、請求項18に記載の製造方法。   The production method according to claim 18, wherein the reducing substance is an aldehyde or hydroquinone. 金属粒子の成長に物理的方法又は電気化学的方法を使用する、請求項12〜17の何れかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 12-17 using a physical method or an electrochemical method for the growth of a metal particle. 金属粒子の成長に電気メッキ法を使用する請求項20に記載の製造方法。
The manufacturing method according to claim 20, wherein an electroplating method is used for the growth of the metal particles.
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