JP4052544B2 - 線状高分子物質のネットワーク構造からなるフィルム、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し単位を有する線状高分子物質、好ましくはポリヌクレオチド、さらに好ましくはＤＮＡ分子束が網目状にネットワーク構造を展開できるように成形されてなるフィルム、その製造方法、およびそれからなる機能性材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＮＡなどのポリヌクレオチドは、遺伝子工学や分子生物学の分野においては広く研究されてきている。これらの分野においてはポリヌクレオチド中の塩基の配列に多大な興味がもたれ、その塩基配列の解明や、特定の塩基配列を有するポリヌクレオチドを用いたタンパク質の製造や、診断薬の開発などが行われてきている。しかし、このようなポリヌクレオチドを生体高分子物質の１種としての研究開発はあまり行われてきていない。
【０００３】
ＤＮＡなどのポリヌクレオチドからなる生体高分子物質は、生分解性を有する線状高分子物質であり地球環境にやさしい材料であるばかりでなく、各種の生体機能を有している。例えば、ＤＮＡ鎖を用いて内分泌撹乱物質（環境ホルモン）を補足することができるし（M.Yamada, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 42(1999) 103）、抗ＤＮＡ抗体を検出するための抗原として利用することができるし（K.Iwata, et al., Int. J. Biol. Macromol., 18(1996) 149 ; H.Kitamura, et al., Int. J. Biol. Macromol., 20(1997) 75 ; H.Kitamura, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 37(1997) 145）、また抗菌フィルムとして使用することもできる（H.Kitamura, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 37(1997) 273）ことが知られている。
【０００４】
しかし、ＤＮＡは水溶性であり、かつＤＮＡ鎖自体では機械的強度、特にせん断力に弱くこれを構造体として使用することは困難であった。ＤＮＡを単純な鎖状ではなく、これを網目状に構成することができれば生体機能を有するフィルムやシートとして利用することが可能となる。また、このような網目状とすることにより微細な網目、ナノメートル（ｎｍ）単位の網目を有する構造体とすることができ、分子のフィルターとしての機能を有することにもなる。
【０００５】
ＤＮＡを網目状に形成する方法としてはシーマン（Seeman）らの方法が知られている（C.Seeman, et al., J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 5437-5443）。この方法は、真菌類の遺伝子変換のホリデイモデル（Holliday model）に基づくものであり、縦横２本ずつの合計４本の１本鎖ＤＮＡからなる菱形の格子を基本格子として、これに縦−横−縦−横の順、又はその逆の順に相補的なＤＮＡを組み合わせてハイブリダイズさせ、各々の交点が前記ホリデイモデル（Holliday model）の遺伝子のヘテロ二本鎖の交点のように配置したものである。この方法により菱形の格子を基本格子としたネットワーク状のＤＮＡ構造体を得ることができるとされているが、この方法では特定の塩基配列でないと網目が形成されないというＤＮＡにおける制限と、形成された網目状物が小さい（最大で２０００ｎｍ２以下）という点で、機能材料としての利用は困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＤＮＡの塩基配列に関係なく、簡単な方法で基板全体にわたりＤＮＡ分子束からなる網目状のネットワーク構造を有するフィルムを提供するものである。また、本発明は、ＤＮＡ溶液への無機イオン添加、網目状物の溶剤処理により、網目を密にしたり、変化したりする制御法を提供するものである。
さらに、本発明は、簡便な方法で得られる生体高分子からなる網目状のネットワーク構造を有する構造物及びその製造方法を提供するものであり、したがって、本発明は各種の生体線状高分子物質の網目状物を種々の機能材料として利用する道を開いたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＤＮＡなどの線状高分子物質の適度な濃度の水溶液を、基板上へ滴下し、その後、その溶液を吹き飛ばすだけという簡単な方法で、ＤＮＡの塩基配列に関係なく、基板全体にわたりＤＮＡ分子束などの線状高分子物質からなる網目状物が得られるということを見出した。さらに、本発明者らは、ＤＮＡ溶液への無機イオン添加、網目状物の溶剤処理により、網目を密にしたり、変化したりする制御法も可能であることも見いだした。
【０００８】
本発明は、線状高分子物質が網目状にネットワーク構造を有するように展開され、当該ネットワーク構造のスケールが２０００ｎｍ２を越えていることを特徴とするフィルムに関する。また、本発明は、ポリヌクレオチドが網目状にネットワーク構造を有するように展開されてなるフィルムからなる機能性材料に関する。
さらに、本発明は、線状高分子物質を含有する溶液を基板上にコーティングし、溶媒を吹き飛ばすことからなる、前記のフィルムを製造する方法に関する。また、本発明は、前記フィルムを製造するための線状高分子物質を含有する溶液に関する。
【０００９】
シーマンらが提案した従来のＤＮＡネットワークは、特定の塩基配列を有するＤＮＡを特定の部分でハイブリダイズさせて製造されるものであり、ネットワーク構造の大きさに制限があり、大きなものであっても２０００ｎｍ２を越えることはできなかった。したがって、本発明のフィルムは、ネットワーク構造のスケールが２０００ｎｍ２を越えていることを特徴のひとつとするものである。
また、シーマンらが提案した従来のＤＮＡネットワークは、真菌類の遺伝子交換のホリデイモデルを基礎とするものであり、ホリデイモデルによる特定の塩基配列を有することを必須とするものである。他方、本発明は、ホリデイモデルのように２本以上の複数のＤＮＡ鎖にハイブリダイズするＤＮＡにより格子構造を形成するということに基づくものではなく、詳細な原理は不明であるが、長鎖の線状高分子物質が溶液中の当該線状高分子物質の密度やイオンの存在などの要因によって基板上に展延されたときに、当該線状高分子物質がネットワーク状に構築されるという現象を見出したことに起因するものである。したがって、本発明のフィルムは、網目状のネットワーク構造を形成する線状高分子物質が特定の塩基配列や化学構造に制限されるものではなく、線状構造を有している高分子物質を用いることを特徴のひとつとするものである。
【００１０】
本発明の線状高分子物質としては、線状の高分子で生体機能を有しているものが好ましい。さらに、生分解性の高分子物質であるのが好ましい。
本発明の線状高分子物質は、前記の特性を有するものであればよく、繰り返し単位はあっても無くてもよいが、入手の容易性からは繰り返し単位を有するものが好ましい。本発明の線状高分子物質の具体例としては、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドが挙げられる。入手の容易なＤＮＡが好ましい。
ＤＮＡは容易に２本鎖とすることができ、かつ複製が容易であり、その塩基配列に基づく生体機能を有しており、さらに生分解性であり、水溶性であることから、本発明の好ましい線状高分子物質である。
【００１１】
本発明のＤＮＡは、任意の塩基配列を有することができるが、１〜１０塩基、好ましくは１〜５塩基、より好ましくは１、２又は３塩基程度の繰り返し単位を有するＤＮＡが、入手が容易であり好ましい。好ましいＤＮＡとしては、ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＧ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、又はポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）などが挙げられる。ここで、「・」はその前後のポリヌクレオチドが相互に２本鎖を形成していることを示している。これらのＤＮＡの１種又は２種以上を、本発明の線状高分子物質として用いることができる。
【００１２】
これらのＤＮＡは、さらに特定の生体機能を付与するために、その前後、又はその中程に特定の塩基配列を有するＤＮＡを挿入することもできる。このようなＤＮＡを用いた本発明のフィルムは、その特定の塩基配列を有するＤＮＡによる選択的な機能を付与することもできる。例えば、ＲＮＡポリメラーゼが特異的に認識することができる塩基配列を、本発明のＤＮＡの中に挿入しておくことにより、ＲＮＡポリメラーゼを特異的に認識することができるフィルムを製造することもできる。
【００１３】
本発明のフィルムは、フィルム自体として使用することもできるが、本発明のフィルムが薄い、例えば分子の厚さ程度（数十〜数百ｎｍ程度）である場合には基板上に固定化されているものが好ましい。このような基板としては、シリコン、ガラス、マイカなどが挙げられる。
固定化する方法としては、溶媒を除去するなどの方法で物理的に固定化してもよく、またＤＮＡチップやマイクロアレイなどの技術に準じて化学的に固定化することもできる。
【００１４】
本発明のフィルムは、前記した線状高分子物質がランダムに絡み合ってネットワークを形成して、直径が１０〜１０００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍ程度の空孔を有する、好ましくは２次元的な網目状のネットワーク構造を展開しているものである。当該空孔の形状は任意であり、円形、三角形、四角形、六角形などのいずれの形態であってもよく、これらの形状が混合したものでものでもよいが、このような空孔が整然とネットワーク構造ほぼ全体に亘って形成されているのが好ましい。
本発明のフィルムのネットワーク構造は、少なくとも２０００ｎｍ２を越えているものであればよく、好ましくは１辺が５００ｎｍ以上、即ち５００×５００ｎｍ２以上、より好ましくは１辺が１０００ｎｍ以上、即ち１０００×１０００ｎｍ２以上、さらに好ましくは１辺が３０００ｎｍ以上、即ち３０００×３０００ｎｍ２以上のものである。また、形成されたネットワーク構造を有する部分を連続的又は非連続的に繋げることにより１辺が１ｍｍ以上、１ｃｍ以上のフィルムとすることもできる。
【００１５】
本発明のフィルムの厚さは、線状高分子物質が１層以上であり、１〜５０層、好ましくは１〜１０層、さらに好ましくは１〜３層程度にすることも可能である。また、これらの層を適宜重ねて、さらに厚いフィルムとすることもできる。
このように本発明のフィルムは、ネットワーク構造を有する最少部分が２０００ｎｍ２を越えているものであれば、その大きさや厚さに格別の制限はなく、ｎｍ単位の大きさから１ｃｍ以上の大きさの構造体をも包含するものである。
【００１６】
本発明のフィルムは、前記した線状高分子物質を含有する溶液を基板上にコーティングし、溶媒を吹き飛ばすことにより製造することができる。本発明は線状高分子物質からなる網目状のネットワーク構造をこのような簡便な方法によって製造し得ることを見出したことを特徴とするものであり、より詳細には線状高分子物質を含有する溶液の濃度を適宜調整することにより網目状のネットワーク構造をこのような簡便な方法によって製造し得ることを見出したことを特徴とするものである。
前記した線状高分子物質を含有する溶液の溶媒としては、当該線状高分子物質を溶解し得るものであればよく、容易に揮発することができる溶媒が好ましい。また、溶媒は２種以上のものを組み合わせて使用することもでき、この場合には可溶性の溶媒のみならず不溶性の溶媒との組み合わせであってもよい。溶媒としては、例えば線状高分子物質がＤＮＡの場合には、水、好ましくは脱イオン水、含水アルコールなどが挙げられる。環境保全の観点から水が好ましい。
【００１７】
前記した線状高分子物質を含有する溶液の濃度としては、当該線状高分子物質からなるネットワーク構造を展開することができる濃度であればよく、例えば、１００〜１０００μｇ／ｍｌ、好ましくは１００〜５００μｇ／ｍｌ、より好ましくは１００〜３００μｇ／ｍｌ程度である。
溶液の濃度によりネットワーク構造の網目の大きさを制御することもできる。網目の大きさを密したければ、濃度の濃い溶液を使用し、網目の大きさを荒くする場合には濃度を比較的薄くするとよい。しかし、濃度があまり薄くなりすぎるとネットワーク構造が構築されない。
また、線状高分子物質が極性を有している場合には、溶液に食塩のようなイオン性の物質を添加することにより網目の大きさを調整することもできる。例えば、線状高分子物質がＤＮＡのような陰イオン性の物質である場合には、ナトリウムイオンを存在させることにより比較的密なネットワーク構造を構築することができる。
また、より揮発性の高い溶媒との混合溶媒により、揮発性の差を利用してネットワーク構造の網目の大きさを調整することも可能と考えられる。
【００１８】
得られた線状高分子物質の溶液を基板上にコーティングする方法としては、溶液の液滴を基板上に滴下して重力により薄く広げるだけでもよいし、刷毛のようなもので面状にコーティングしてもよいし、また必要に応じてスピンコーティングのように遠心力を利用して薄くコーティングしてもよい。コーティングの厚さは、得られるフィルムの厚さに応じて適宜調整することもできる。
【００１９】
本発明のフィルムの製造における処理温度としては、線状高分子物質が安定な溶液を形成し得る温度範囲であれば特に制限はないが、通常は室温付近が好ましい。また、基板上に溶媒が残存している間に処理温度を変化させることにより、網目の大きさやフィルムの厚さを調整することも可能である。
さらに、得られたネットワーク構造を有するフィルムの表面をさらに溶媒で処理して網目の大きさや、層の厚さを調整することができる。例えば、ＤＮＡを滴下した基板に、５０℃程度のエタノールを滴下することによりＤＮＡを基板上で自己組織化させることもできる。また基板上に得られたネットワーク構造の表面を室温でエタノール処理することにより２〜３層部分を除去することもできる。
【００２０】
本発明の前記フィルムを製造するための線状高分子物質を含有する溶液としては、前記した本発明のフィルムを製造し得る線状高分子物質を含有する溶液であり、溶媒としては前記した水などの線状高分子物質を溶解し得るものであればよい。本発明の当該溶液は、フィルムの網目の大きさを調整するための食塩などのイオン性の物質を含有していてもよいし、フィルムの製造に悪影響を及ぼさない範囲においてさらに他の成分を含有していてもよい。
【００２１】
次に、線状高分子物質としてＤＮＡを例にして、本発明をさらに詳細に説明する。
種々のＤＮＡを用いてネットワーク構造の形成を観察した。濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖（平均１５３４ｂｐ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）の４種類の脱イオン水の水溶液を調製した。これらをそれぞれ１０μｌずつマイカ基板上に滴下し、１分待った後、基板上のＤＮＡ溶液を吹き飛ばした。
結果を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope（ＡＦＭ））で観察し、その映像を図１〜４にそれぞれ示す。図１〜４は、それぞれポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の場合を図１に、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の場合を図２に、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の場合を図３に、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の場合を図４に示す。それぞれの図の下の段のヒストグラムはフィルムの厚さ（高さ）をヒストグラムとして示したものである。各図のヒストグラムの縦軸は度数、横軸の単位はｎｍである。
【００２２】
図１〜４は、それぞれ２０００ｎｍ２の範囲でスキャンしたときのＤＮＡネットワーク構造とここのネットワークの高さのヒストグラムである。ＤＮＡの種類に依らず、鎖状ならすべてのＤＮＡで基板上にネットワークを形成することがわかる。しかしネットワークの構造のディティールは、ＤＮＡの種類により違いが見られる。もっとも顕著な違いは、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）（図３参照）は他のものに比べ太いことと、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）（図３参照）とポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）（図１参照）のヒストグラムだけに０．３ｎｍのところにピークがみられることである。この値０．３ｎｍは、ＡＦＭで観測される一重鎖一本の高さに相当する。すべてのＤＮＡに関して観測されたＤＮＡの高さは、ＡＦＭで観測される二重鎖一本の高さ（０．５〜１．２ｎｍ）に比べ高いことから数本が束になっていると考えられる。高さに関してはポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の順で均一である。
【００２３】
ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）に関してはヘテロポリマーの三重鎖形成のためだと考えられる。ヘテロポリマーはポリプリン−ポリピリミジン二重鎖の主溝にもう一本のホモプリン鎖またはホモピリミジン鎖が結合することにより三重鎖を形成することが知られている。例えば、２ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、２ポリ（ｄＴ）・ポリ（ｄＡ）などが考えられる。ヘテロポリマーのポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の溶液では、一重鎖、二重鎖、三重鎖が混在し、さらにそれらが束になる場のために、ネットワーク構造の高さの分布は、三重鎖を形成しないホモポリマーのそれより不均一になると考えられる。ただしもう一つのヘテロポリマーであるポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）に関しては、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）に比べ二重螺旋構造が充分に安定であるため、一重鎖、三重鎖を形成しにくい結果、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）ほど高さが不均一にならないと考えられる。またネットワークの太さに関しては一重鎖が二重鎖に結合して三重鎖を形成するときに二重鎖ＤＮＡを架橋してしまうために太くなりやすいと考えられる。ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の高さの不均一さに関してはＤＮＡの長さが短いためＤＮＡ−ＤＮＡの相互作用が弱く、基板上でＤＮＡに吸着（絡まっていた）していたＤＮＡがはがれて基板に吸着するためだと考えられる。ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）のヒストグラムだけ０．７ｎｍあたりにピークがあり、この値はだいたい二重螺旋一本分に相当する。束になっているものと束が解けて基板に吸着しているものが混在するために高さの分布が不均一になっていると考えられる。以上のことから三重鎖をとりにくく、充分長い鎖状のＤＮＡは高さが均一なネットワーク構造を形成するといえる。
【００２４】
ＤＮＡは水溶性のため、形成後のＤＮＡネットワークに純水を滴下すると、ＤＮＡネットワークは瞬時に完全に消え去る。つまり、水を用いてＤＮＡネットワーク構造の極微な修正を行うことは難しい。一方、エタノールでは、ＤＮＡは僅かにしか溶けないので、極微な修正が可能かもしれない。そこですでにネットワークを形成した基板上に室温のエタノールを滴下乾燥させたのちＡＦＭ観察を行いＤＮＡネットワーク構造にどのような変化が生じるかを調べた。まずポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）でネットワークを形成した基板上に室温エタノールを１０μｌ、１０μｌ、２０μｌの三回に分け滴下乾燥した後ＡＦＭ観察を行った。
図５はＡＦＭ像と高さのヒストグラムである。図５からエタノールを加えてもＤＮＡがネットワークを形成したまま基板に残っていることがわかる。このヒストグラムと図１のポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のそれを比べると形状もシャープで１．９ｎｍあたりにピークがあり、２．５ｎｍ以上のものが極端に少なくなっていることがわかる。
【００２５】
一方、図６は基板の端のほうのＡＦＭ像と高さのヒストグラムである。このヒストグラムには２．９ｎｍあたりに新しいピークが見られる。このことから吸着力の強いＤＮＡ（基板に吸着しているＤＮＡ）は動かないが吸着力の弱かったＤＮＡ（ＤＮＡに吸着しているＤＮＡ）はエタノールの張力により中央から端のほうに動かされたと考えられる。
次に、さらに、６０℃に温めたエタノールを２０μｌ、２０μｌの二回に分けて滴下し乾燥させ、ＡＦＭで観察した。図７は図５と同じスキャンエリアのＡＦＭ像であり、図８は図７より広いスキャンエリアのＡＦＭ像である。
この結果、室温エタノールでは動かなかった、基板に直に吸着しているＤＮＡも、熱エタノールで動かされることがわかった。この図から６０℃エタノールを滴下することによりＤＮＡネットワークのあちこちに大きな溝ができることがわかる。このことから６０℃エタノールだと吸着力の強いＤＮＡまで動くことがわかる。
以上のことをまとめると、吸着力の弱いＤＮＡ（ＤＮＡに吸着しているＤＮＡ）は室温エタノールでも動かされ、吸着力の強いＤＮＡ（基板に吸着しているＤＮＡ）は６０℃エタノールにより動かされることがいえる。室温エタノールにより高さの制御ができ、６０℃エタノールによりネットワーク構造の網目の大きさの制御ができるといえる。
【００２６】
次に、ＤＮＡの濃度による影響を、ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のＤＮＡを用いて検討した。
前記と同様にして、２５μｇ／ｍｌ、１２５μｇ／ｍｌ、２５０μｇ／ｍｌの３種類の濃度のＤＮＡ水溶液を用いて、基板上のネットワーク構造を形成させた結果をＡＦＭで観察した。結果を図９（濃度２５μｇ／ｍｌの場合）、図１０（濃度１２５μｇ／ｍｌの場合）、図１１（濃度２５０μｇ／ｍｌの場合）に示す。なお、図９の視野は２０００ｎｍ×２０００ｎｍであり、図１０及び図１１の視野は５０００ｎｍ×５０００ｎｍである。
この結果、２５μｇ／ｍｌの濃度のものは、ＤＮＡ分子のクラスターが分散して、ネットワーク構造が構築されておらず、これに対して濃度が１２５μｇ／ｍｌ、及び２５０μｇ／ｍｌのものは整然としたほぼ均一なネットワークが構築されていることが分かる。また、濃度が濃いほうが（図１１参照）密なネットワークが形成されることもわかる。
【００２７】
図１２は、濃度１００μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）のＤＮＡを用いた場合のＡＦＭ像である。視野は５０００ｎｍ×５０００ｎｍである。この場合もきれいなネットワーク構造が形成されていることがわかる。
【００２８】
このように線状高分子物質であるＤＮＡを濃度１００μｇ／ｍｌ〜５００μｇ／ｍｌ程度に調整することにより簡便な方法により、基板上に広範囲かつ均一な線状高分子物質による網目状のネットワーク構造からなるフィルムを形成することが初めて見出されたのである。本発明によるフィルムは、線状生体高分子物質、好ましくはＤＮＡなどのポリヌクレオチドが分子デバイスとして利用し得ることを示すものであり、本発明のフィルムを利用して線状高分子物質の有する生体機能に基づく各種の機能性材料とすることができる。このような機能性材料としては、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドからなるフィルムが好ましい。
このような機能性材料としては、例えば、ＤＮＡの特性による抗ＤＮＡ抗体を検出するための抗原材料、網目を利用したＤＮＡフィルター、ＤＮＡチップ、ＤＮＡ親和性生体内物質の補足材料、内分泌撹乱物質の補足材料、ＤＮＡ回路などの機能性材料として広範囲に利用することができる。
【００２９】
また、ＤＮＡの水溶性や生体適合性を利用した各種の医療材料、例えば、手術用縫合糸、ガーゼ、オブラート、ステント、手術用手袋などにも応用することができる。さらに、本発明のポリヌクレオチドからなるフィルムや機能性材料は、生分解性であるために地球環境にもやさしいものであり、使用後の処分も簡便である。
【００３０】
【実施例】
次に実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３１】
実施例１ ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）を用いたフィルムの製造
平均長が１５３４ｂｐのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）（アマーシャム・ファーマシア・バイオテック（東京））を、電気抵抗が１７．４ＭΩの脱イオン水に、濃度が２５０μｇ／ｍｌとなるように溶解した。
この溶液の１０μｌを、新たに剥離したきれいなマイカ（ニラコ株式会社（日本））上に滴下し、直径が約１２ｍｍ程度になるように広げた。これを約１分間基板上で放置した後、空気により吹き飛ばした。
基板上に得られたポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のフィルムの構造をＡＦＭイメージング装置（セイコー株式会社、モデルＳＰＩ３７００−ＳＰＡ３００）を用いて観察した。結果を図１に示す。
【００３２】
実施例２〜４
実施例１と同様にして、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）ＤＮＡのネットワーク構造からなるフィルムを製造した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、簡便な方法により線状高分子物質が網目状にネットワーク構造を有するように展開されたフィルムを提供するものである。ＤＮＡなどの生体線状高分子物質が濃度を１００μｇ／ｍｌ〜５００μｇ／ｍｌ程度に調整することにより簡便な方法により、基板上に広範囲かつ均一な線状高分子物質による網目状のネットワーク構造からなるフィルムを形成することは本発明により初めて見出されたのである。本発明によるフィルムは、線状生体高分子物質、好ましくはＤＮＡなどのポリヌクレオチドが分子デバイスとして利用し得ることを示すものであり、本発明のフィルムを利用して線状高分子物質の有する生体機能に基づく各種の機能性材料とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖（平均１５３４ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図２】図２は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図３】図３は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図４】図４は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図５】図５は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造の表面を室温エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図５の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図６】図６は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造の表面を室温エタノールで処理した後の、基板の末端部分における網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図６の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図７】図７は、図５と同じ部分をさらに６０℃エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図７の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図８】図８は、図５と同じ部分をさらに６０℃エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図９】図９は、濃度２５μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のＤＮＡ分子のクラスタ構造を示す図面に代わる写真である。
【図１０】図１０は、濃度１２５μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図１１】図１１は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図１２】図１２は、濃度１００μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し単位を有する線状高分子物質、好ましくはポリヌクレオチド、さらに好ましくはＤＮＡ分子束が網目状にネットワーク構造を展開できるように成形されてなるフィルム、その製造方法、およびそれからなる機能性材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＮＡなどのポリヌクレオチドは、遺伝子工学や分子生物学の分野においては広く研究されてきている。これらの分野においてはポリヌクレオチド中の塩基の配列に多大な興味がもたれ、その塩基配列の解明や、特定の塩基配列を有するポリヌクレオチドを用いたタンパク質の製造や、診断薬の開発などが行われてきている。しかし、このようなポリヌクレオチドを生体高分子物質の１種としての研究開発はあまり行われてきていない。
【０００３】
ＤＮＡなどのポリヌクレオチドからなる生体高分子物質は、生分解性を有する線状高分子物質であり地球環境にやさしい材料であるばかりでなく、各種の生体機能を有している。例えば、ＤＮＡ鎖を用いて内分泌撹乱物質（環境ホルモン）を補足することができるし（M.Yamada, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 42(1999) 103）、抗ＤＮＡ抗体を検出するための抗原として利用することができるし（K.Iwata, et al., Int. J. Biol. Macromol., 18(1996) 149 ; H.Kitamura, et al., Int. J. Biol. Macromol., 20(1997) 75 ; H.Kitamura, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 37(1997) 145）、また抗菌フィルムとして使用することもできる（H.Kitamura, et al., Nucleic Acids Sympo., Series 37(1997) 273）ことが知られている。
【０００４】
しかし、ＤＮＡは水溶性であり、かつＤＮＡ鎖自体では機械的強度、特にせん断力に弱くこれを構造体として使用することは困難であった。ＤＮＡを単純な鎖状ではなく、これを網目状に構成することができれば生体機能を有するフィルムやシートとして利用することが可能となる。また、このような網目状とすることにより微細な網目、ナノメートル（ｎｍ）単位の網目を有する構造体とすることができ、分子のフィルターとしての機能を有することにもなる。
【０００５】
ＤＮＡを網目状に形成する方法としてはシーマン（Seeman）らの方法が知られている（C.Seeman, et al., J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 5437-5443）。この方法は、真菌類の遺伝子変換のホリデイモデル（Holliday model）に基づくものであり、縦横２本ずつの合計４本の１本鎖ＤＮＡからなる菱形の格子を基本格子として、これに縦−横−縦−横の順、又はその逆の順に相補的なＤＮＡを組み合わせてハイブリダイズさせ、各々の交点が前記ホリデイモデル（Holliday model）の遺伝子のヘテロ二本鎖の交点のように配置したものである。この方法により菱形の格子を基本格子としたネットワーク状のＤＮＡ構造体を得ることができるとされているが、この方法では特定の塩基配列でないと網目が形成されないというＤＮＡにおける制限と、形成された網目状物が小さい（最大で２０００ｎｍ２以下）という点で、機能材料としての利用は困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＤＮＡの塩基配列に関係なく、簡単な方法で基板全体にわたりＤＮＡ分子束からなる網目状のネットワーク構造を有するフィルムを提供するものである。また、本発明は、ＤＮＡ溶液への無機イオン添加、網目状物の溶剤処理により、網目を密にしたり、変化したりする制御法を提供するものである。
さらに、本発明は、簡便な方法で得られる生体高分子からなる網目状のネットワーク構造を有する構造物及びその製造方法を提供するものであり、したがって、本発明は各種の生体線状高分子物質の網目状物を種々の機能材料として利用する道を開いたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＤＮＡなどの線状高分子物質の適度な濃度の水溶液を、基板上へ滴下し、その後、その溶液を吹き飛ばすだけという簡単な方法で、ＤＮＡの塩基配列に関係なく、基板全体にわたりＤＮＡ分子束などの線状高分子物質からなる網目状物が得られるということを見出した。さらに、本発明者らは、ＤＮＡ溶液への無機イオン添加、網目状物の溶剤処理により、網目を密にしたり、変化したりする制御法も可能であることも見いだした。
【０００８】
本発明は、線状高分子物質が網目状にネットワーク構造を有するように展開され、当該ネットワーク構造のスケールが２０００ｎｍ２を越えていることを特徴とするフィルムに関する。また、本発明は、ポリヌクレオチドが網目状にネットワーク構造を有するように展開されてなるフィルムからなる機能性材料に関する。
さらに、本発明は、線状高分子物質を含有する溶液を基板上にコーティングし、溶媒を吹き飛ばすことからなる、前記のフィルムを製造する方法に関する。また、本発明は、前記フィルムを製造するための線状高分子物質を含有する溶液に関する。
【０００９】
シーマンらが提案した従来のＤＮＡネットワークは、特定の塩基配列を有するＤＮＡを特定の部分でハイブリダイズさせて製造されるものであり、ネットワーク構造の大きさに制限があり、大きなものであっても２０００ｎｍ２を越えることはできなかった。したがって、本発明のフィルムは、ネットワーク構造のスケールが２０００ｎｍ２を越えていることを特徴のひとつとするものである。
また、シーマンらが提案した従来のＤＮＡネットワークは、真菌類の遺伝子交換のホリデイモデルを基礎とするものであり、ホリデイモデルによる特定の塩基配列を有することを必須とするものである。他方、本発明は、ホリデイモデルのように２本以上の複数のＤＮＡ鎖にハイブリダイズするＤＮＡにより格子構造を形成するということに基づくものではなく、詳細な原理は不明であるが、長鎖の線状高分子物質が溶液中の当該線状高分子物質の密度やイオンの存在などの要因によって基板上に展延されたときに、当該線状高分子物質がネットワーク状に構築されるという現象を見出したことに起因するものである。したがって、本発明のフィルムは、網目状のネットワーク構造を形成する線状高分子物質が特定の塩基配列や化学構造に制限されるものではなく、線状構造を有している高分子物質を用いることを特徴のひとつとするものである。
【００１０】
本発明の線状高分子物質としては、線状の高分子で生体機能を有しているものが好ましい。さらに、生分解性の高分子物質であるのが好ましい。
本発明の線状高分子物質は、前記の特性を有するものであればよく、繰り返し単位はあっても無くてもよいが、入手の容易性からは繰り返し単位を有するものが好ましい。本発明の線状高分子物質の具体例としては、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドが挙げられる。入手の容易なＤＮＡが好ましい。
ＤＮＡは容易に２本鎖とすることができ、かつ複製が容易であり、その塩基配列に基づく生体機能を有しており、さらに生分解性であり、水溶性であることから、本発明の好ましい線状高分子物質である。
【００１１】
本発明のＤＮＡは、任意の塩基配列を有することができるが、１〜１０塩基、好ましくは１〜５塩基、より好ましくは１、２又は３塩基程度の繰り返し単位を有するＤＮＡが、入手が容易であり好ましい。好ましいＤＮＡとしては、ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＧ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、又はポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）などが挙げられる。ここで、「・」はその前後のポリヌクレオチドが相互に２本鎖を形成していることを示している。これらのＤＮＡの１種又は２種以上を、本発明の線状高分子物質として用いることができる。
【００１２】
これらのＤＮＡは、さらに特定の生体機能を付与するために、その前後、又はその中程に特定の塩基配列を有するＤＮＡを挿入することもできる。このようなＤＮＡを用いた本発明のフィルムは、その特定の塩基配列を有するＤＮＡによる選択的な機能を付与することもできる。例えば、ＲＮＡポリメラーゼが特異的に認識することができる塩基配列を、本発明のＤＮＡの中に挿入しておくことにより、ＲＮＡポリメラーゼを特異的に認識することができるフィルムを製造することもできる。
【００１３】
本発明のフィルムは、フィルム自体として使用することもできるが、本発明のフィルムが薄い、例えば分子の厚さ程度（数十〜数百ｎｍ程度）である場合には基板上に固定化されているものが好ましい。このような基板としては、シリコン、ガラス、マイカなどが挙げられる。
固定化する方法としては、溶媒を除去するなどの方法で物理的に固定化してもよく、またＤＮＡチップやマイクロアレイなどの技術に準じて化学的に固定化することもできる。
【００１４】
本発明のフィルムは、前記した線状高分子物質がランダムに絡み合ってネットワークを形成して、直径が１０〜１０００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍ程度の空孔を有する、好ましくは２次元的な網目状のネットワーク構造を展開しているものである。当該空孔の形状は任意であり、円形、三角形、四角形、六角形などのいずれの形態であってもよく、これらの形状が混合したものでものでもよいが、このような空孔が整然とネットワーク構造ほぼ全体に亘って形成されているのが好ましい。
本発明のフィルムのネットワーク構造は、少なくとも２０００ｎｍ２を越えているものであればよく、好ましくは１辺が５００ｎｍ以上、即ち５００×５００ｎｍ２以上、より好ましくは１辺が１０００ｎｍ以上、即ち１０００×１０００ｎｍ２以上、さらに好ましくは１辺が３０００ｎｍ以上、即ち３０００×３０００ｎｍ２以上のものである。また、形成されたネットワーク構造を有する部分を連続的又は非連続的に繋げることにより１辺が１ｍｍ以上、１ｃｍ以上のフィルムとすることもできる。
【００１５】
本発明のフィルムの厚さは、線状高分子物質が１層以上であり、１〜５０層、好ましくは１〜１０層、さらに好ましくは１〜３層程度にすることも可能である。また、これらの層を適宜重ねて、さらに厚いフィルムとすることもできる。
このように本発明のフィルムは、ネットワーク構造を有する最少部分が２０００ｎｍ２を越えているものであれば、その大きさや厚さに格別の制限はなく、ｎｍ単位の大きさから１ｃｍ以上の大きさの構造体をも包含するものである。
【００１６】
本発明のフィルムは、前記した線状高分子物質を含有する溶液を基板上にコーティングし、溶媒を吹き飛ばすことにより製造することができる。本発明は線状高分子物質からなる網目状のネットワーク構造をこのような簡便な方法によって製造し得ることを見出したことを特徴とするものであり、より詳細には線状高分子物質を含有する溶液の濃度を適宜調整することにより網目状のネットワーク構造をこのような簡便な方法によって製造し得ることを見出したことを特徴とするものである。
前記した線状高分子物質を含有する溶液の溶媒としては、当該線状高分子物質を溶解し得るものであればよく、容易に揮発することができる溶媒が好ましい。また、溶媒は２種以上のものを組み合わせて使用することもでき、この場合には可溶性の溶媒のみならず不溶性の溶媒との組み合わせであってもよい。溶媒としては、例えば線状高分子物質がＤＮＡの場合には、水、好ましくは脱イオン水、含水アルコールなどが挙げられる。環境保全の観点から水が好ましい。
【００１７】
前記した線状高分子物質を含有する溶液の濃度としては、当該線状高分子物質からなるネットワーク構造を展開することができる濃度であればよく、例えば、１００〜１０００μｇ／ｍｌ、好ましくは１００〜５００μｇ／ｍｌ、より好ましくは１００〜３００μｇ／ｍｌ程度である。
溶液の濃度によりネットワーク構造の網目の大きさを制御することもできる。網目の大きさを密したければ、濃度の濃い溶液を使用し、網目の大きさを荒くする場合には濃度を比較的薄くするとよい。しかし、濃度があまり薄くなりすぎるとネットワーク構造が構築されない。
また、線状高分子物質が極性を有している場合には、溶液に食塩のようなイオン性の物質を添加することにより網目の大きさを調整することもできる。例えば、線状高分子物質がＤＮＡのような陰イオン性の物質である場合には、ナトリウムイオンを存在させることにより比較的密なネットワーク構造を構築することができる。
また、より揮発性の高い溶媒との混合溶媒により、揮発性の差を利用してネットワーク構造の網目の大きさを調整することも可能と考えられる。
【００１８】
得られた線状高分子物質の溶液を基板上にコーティングする方法としては、溶液の液滴を基板上に滴下して重力により薄く広げるだけでもよいし、刷毛のようなもので面状にコーティングしてもよいし、また必要に応じてスピンコーティングのように遠心力を利用して薄くコーティングしてもよい。コーティングの厚さは、得られるフィルムの厚さに応じて適宜調整することもできる。
【００１９】
本発明のフィルムの製造における処理温度としては、線状高分子物質が安定な溶液を形成し得る温度範囲であれば特に制限はないが、通常は室温付近が好ましい。また、基板上に溶媒が残存している間に処理温度を変化させることにより、網目の大きさやフィルムの厚さを調整することも可能である。
さらに、得られたネットワーク構造を有するフィルムの表面をさらに溶媒で処理して網目の大きさや、層の厚さを調整することができる。例えば、ＤＮＡを滴下した基板に、５０℃程度のエタノールを滴下することによりＤＮＡを基板上で自己組織化させることもできる。また基板上に得られたネットワーク構造の表面を室温でエタノール処理することにより２〜３層部分を除去することもできる。
【００２０】
本発明の前記フィルムを製造するための線状高分子物質を含有する溶液としては、前記した本発明のフィルムを製造し得る線状高分子物質を含有する溶液であり、溶媒としては前記した水などの線状高分子物質を溶解し得るものであればよい。本発明の当該溶液は、フィルムの網目の大きさを調整するための食塩などのイオン性の物質を含有していてもよいし、フィルムの製造に悪影響を及ぼさない範囲においてさらに他の成分を含有していてもよい。
【００２１】
次に、線状高分子物質としてＤＮＡを例にして、本発明をさらに詳細に説明する。
種々のＤＮＡを用いてネットワーク構造の形成を観察した。濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖（平均１５３４ｂｐ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）の４種類の脱イオン水の水溶液を調製した。これらをそれぞれ１０μｌずつマイカ基板上に滴下し、１分待った後、基板上のＤＮＡ溶液を吹き飛ばした。
結果を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope（ＡＦＭ））で観察し、その映像を図１〜４にそれぞれ示す。図１〜４は、それぞれポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の場合を図１に、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の場合を図２に、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の場合を図３に、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の場合を図４に示す。それぞれの図の下の段のヒストグラムはフィルムの厚さ（高さ）をヒストグラムとして示したものである。各図のヒストグラムの縦軸は度数、横軸の単位はｎｍである。
【００２２】
図１〜４は、それぞれ２０００ｎｍ２の範囲でスキャンしたときのＤＮＡネットワーク構造とここのネットワークの高さのヒストグラムである。ＤＮＡの種類に依らず、鎖状ならすべてのＤＮＡで基板上にネットワークを形成することがわかる。しかしネットワークの構造のディティールは、ＤＮＡの種類により違いが見られる。もっとも顕著な違いは、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）（図３参照）は他のものに比べ太いことと、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）（図３参照）とポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）（図１参照）のヒストグラムだけに０．３ｎｍのところにピークがみられることである。この値０．３ｎｍは、ＡＦＭで観測される一重鎖一本の高さに相当する。すべてのＤＮＡに関して観測されたＤＮＡの高さは、ＡＦＭで観測される二重鎖一本の高さ（０．５〜１．２ｎｍ）に比べ高いことから数本が束になっていると考えられる。高さに関してはポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の順で均一である。
【００２３】
ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）に関してはヘテロポリマーの三重鎖形成のためだと考えられる。ヘテロポリマーはポリプリン−ポリピリミジン二重鎖の主溝にもう一本のホモプリン鎖またはホモピリミジン鎖が結合することにより三重鎖を形成することが知られている。例えば、２ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）、２ポリ（ｄＴ）・ポリ（ｄＡ）などが考えられる。ヘテロポリマーのポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の溶液では、一重鎖、二重鎖、三重鎖が混在し、さらにそれらが束になる場のために、ネットワーク構造の高さの分布は、三重鎖を形成しないホモポリマーのそれより不均一になると考えられる。ただしもう一つのヘテロポリマーであるポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）に関しては、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）に比べ二重螺旋構造が充分に安定であるため、一重鎖、三重鎖を形成しにくい結果、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）ほど高さが不均一にならないと考えられる。またネットワークの太さに関しては一重鎖が二重鎖に結合して三重鎖を形成するときに二重鎖ＤＮＡを架橋してしまうために太くなりやすいと考えられる。ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の高さの不均一さに関してはＤＮＡの長さが短いためＤＮＡ−ＤＮＡの相互作用が弱く、基板上でＤＮＡに吸着（絡まっていた）していたＤＮＡがはがれて基板に吸着するためだと考えられる。ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）のヒストグラムだけ０．７ｎｍあたりにピークがあり、この値はだいたい二重螺旋一本分に相当する。束になっているものと束が解けて基板に吸着しているものが混在するために高さの分布が不均一になっていると考えられる。以上のことから三重鎖をとりにくく、充分長い鎖状のＤＮＡは高さが均一なネットワーク構造を形成するといえる。
【００２４】
ＤＮＡは水溶性のため、形成後のＤＮＡネットワークに純水を滴下すると、ＤＮＡネットワークは瞬時に完全に消え去る。つまり、水を用いてＤＮＡネットワーク構造の極微な修正を行うことは難しい。一方、エタノールでは、ＤＮＡは僅かにしか溶けないので、極微な修正が可能かもしれない。そこですでにネットワークを形成した基板上に室温のエタノールを滴下乾燥させたのちＡＦＭ観察を行いＤＮＡネットワーク構造にどのような変化が生じるかを調べた。まずポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）でネットワークを形成した基板上に室温エタノールを１０μｌ、１０μｌ、２０μｌの三回に分け滴下乾燥した後ＡＦＭ観察を行った。
図５はＡＦＭ像と高さのヒストグラムである。図５からエタノールを加えてもＤＮＡがネットワークを形成したまま基板に残っていることがわかる。このヒストグラムと図１のポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のそれを比べると形状もシャープで１．９ｎｍあたりにピークがあり、２．５ｎｍ以上のものが極端に少なくなっていることがわかる。
【００２５】
一方、図６は基板の端のほうのＡＦＭ像と高さのヒストグラムである。このヒストグラムには２．９ｎｍあたりに新しいピークが見られる。このことから吸着力の強いＤＮＡ（基板に吸着しているＤＮＡ）は動かないが吸着力の弱かったＤＮＡ（ＤＮＡに吸着しているＤＮＡ）はエタノールの張力により中央から端のほうに動かされたと考えられる。
次に、さらに、６０℃に温めたエタノールを２０μｌ、２０μｌの二回に分けて滴下し乾燥させ、ＡＦＭで観察した。図７は図５と同じスキャンエリアのＡＦＭ像であり、図８は図７より広いスキャンエリアのＡＦＭ像である。
この結果、室温エタノールでは動かなかった、基板に直に吸着しているＤＮＡも、熱エタノールで動かされることがわかった。この図から６０℃エタノールを滴下することによりＤＮＡネットワークのあちこちに大きな溝ができることがわかる。このことから６０℃エタノールだと吸着力の強いＤＮＡまで動くことがわかる。
以上のことをまとめると、吸着力の弱いＤＮＡ（ＤＮＡに吸着しているＤＮＡ）は室温エタノールでも動かされ、吸着力の強いＤＮＡ（基板に吸着しているＤＮＡ）は６０℃エタノールにより動かされることがいえる。室温エタノールにより高さの制御ができ、６０℃エタノールによりネットワーク構造の網目の大きさの制御ができるといえる。
【００２６】
次に、ＤＮＡの濃度による影響を、ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のＤＮＡを用いて検討した。
前記と同様にして、２５μｇ／ｍｌ、１２５μｇ／ｍｌ、２５０μｇ／ｍｌの３種類の濃度のＤＮＡ水溶液を用いて、基板上のネットワーク構造を形成させた結果をＡＦＭで観察した。結果を図９（濃度２５μｇ／ｍｌの場合）、図１０（濃度１２５μｇ／ｍｌの場合）、図１１（濃度２５０μｇ／ｍｌの場合）に示す。なお、図９の視野は２０００ｎｍ×２０００ｎｍであり、図１０及び図１１の視野は５０００ｎｍ×５０００ｎｍである。
この結果、２５μｇ／ｍｌの濃度のものは、ＤＮＡ分子のクラスターが分散して、ネットワーク構造が構築されておらず、これに対して濃度が１２５μｇ／ｍｌ、及び２５０μｇ／ｍｌのものは整然としたほぼ均一なネットワークが構築されていることが分かる。また、濃度が濃いほうが（図１１参照）密なネットワークが形成されることもわかる。
【００２７】
図１２は、濃度１００μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）のＤＮＡを用いた場合のＡＦＭ像である。視野は５０００ｎｍ×５０００ｎｍである。この場合もきれいなネットワーク構造が形成されていることがわかる。
【００２８】
このように線状高分子物質であるＤＮＡを濃度１００μｇ／ｍｌ〜５００μｇ／ｍｌ程度に調整することにより簡便な方法により、基板上に広範囲かつ均一な線状高分子物質による網目状のネットワーク構造からなるフィルムを形成することが初めて見出されたのである。本発明によるフィルムは、線状生体高分子物質、好ましくはＤＮＡなどのポリヌクレオチドが分子デバイスとして利用し得ることを示すものであり、本発明のフィルムを利用して線状高分子物質の有する生体機能に基づく各種の機能性材料とすることができる。このような機能性材料としては、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチドからなるフィルムが好ましい。
このような機能性材料としては、例えば、ＤＮＡの特性による抗ＤＮＡ抗体を検出するための抗原材料、網目を利用したＤＮＡフィルター、ＤＮＡチップ、ＤＮＡ親和性生体内物質の補足材料、内分泌撹乱物質の補足材料、ＤＮＡ回路などの機能性材料として広範囲に利用することができる。
【００２９】
また、ＤＮＡの水溶性や生体適合性を利用した各種の医療材料、例えば、手術用縫合糸、ガーゼ、オブラート、ステント、手術用手袋などにも応用することができる。さらに、本発明のポリヌクレオチドからなるフィルムや機能性材料は、生分解性であるために地球環境にもやさしいものであり、使用後の処分も簡便である。
【００３０】
【実施例】
次に実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３１】
実施例１ ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）を用いたフィルムの製造
平均長が１５３４ｂｐのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）（アマーシャム・ファーマシア・バイオテック（東京））を、電気抵抗が１７．４ＭΩの脱イオン水に、濃度が２５０μｇ／ｍｌとなるように溶解した。
この溶液の１０μｌを、新たに剥離したきれいなマイカ（ニラコ株式会社（日本））上に滴下し、直径が約１２ｍｍ程度になるように広げた。これを約１分間基板上で放置した後、空気により吹き飛ばした。
基板上に得られたポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）のフィルムの構造をＡＦＭイメージング装置（セイコー株式会社、モデルＳＰＩ３７００−ＳＰＡ３００）を用いて観察した。結果を図１に示す。
【００３２】
実施例２〜４
実施例１と同様にして、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）、ポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）ＤＮＡのネットワーク構造からなるフィルムを製造した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、簡便な方法により線状高分子物質が網目状にネットワーク構造を有するように展開されたフィルムを提供するものである。ＤＮＡなどの生体線状高分子物質が濃度を１００μｇ／ｍｌ〜５００μｇ／ｍｌ程度に調整することにより簡便な方法により、基板上に広範囲かつ均一な線状高分子物質による網目状のネットワーク構造からなるフィルムを形成することは本発明により初めて見出されたのである。本発明によるフィルムは、線状生体高分子物質、好ましくはＤＮＡなどのポリヌクレオチドが分子デバイスとして利用し得ることを示すものであり、本発明のフィルムを利用して線状高分子物質の有する生体機能に基づく各種の機能性材料とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖（平均１５３４ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図２】図２は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖（平均２４９ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図３】図３は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）の２本鎖（極めて長鎖）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図４】図４は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）の２本鎖（平均８５６０ｂｐ）ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図１の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図５】図５は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造の表面を室温エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図５の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図６】図６は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造の表面を室温エタノールで処理した後の、基板の末端部分における網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図６の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図７】図７は、図５と同じ部分をさらに６０℃エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。図７の下段は、当該ネットワーク構造の厚さのヒストグラムを示し、横軸の単位はｎｍである。
【図８】図８は、図５と同じ部分をさらに６０℃エタノールで処理した後の網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図９】図９は、濃度２５μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のＤＮＡ分子のクラスタ構造を示す図面に代わる写真である。
【図１０】図１０は、濃度１２５μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図１１】図１１は、濃度２５０μｇ／ｍｌのポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
【図１２】図１２は、濃度１００μｇ／ｍｌのポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）の２本鎖ＤＮＡを用いて形成された網目状のネットワーク構造を示す図面に代わる写真である。
Claims (3)
- ポリ（ｄＡ−ｄＴ）・ポリ（ｄＡ−ｄＴ）、ポリ（ｄＧ−ｄＣ）・ポリ（ｄＧ−ｄＣ）、ポリ（ｄＡ）・ポリ（ｄＴ）及びポリ（ｄＧ）・ポリ（ｄＣ）よりなる群から選ばれる１種又は２種以上の２本鎖状ＤＮＡである鎖状ポリヌクレオチドを１００μｇ／ｍＬ〜１０００μｇ／ｍＬとなるように溶媒に溶解した溶液を基板上にコーティングする工程、および該基板上の溶液に気流を吹き付ける工程を含む、鎖状ポリヌクレオチドがランダムに絡み合って形成されるＤＮＡ分子束からなる網目状のネットワーク構造を有するフィルムの製造方法。
- 溶液がさらにナトリウムイオンを含む、請求項１に記載の方法。
- 溶液に気流を吹き付ける工程の後に、エタノールを滴下する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
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