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プラズモニックナノダイマーを用いた転写制御因子によるDNA構造変化のナノ解析

論文誌情報 ACS Nano 7, 10733-10740 (2013)
著者 森村皓之(1),田中慎一(2),石飛秀和(1,2),三上智之(2),蒲池雄介(2),近藤寿人(2),井上康志(1,2,3)

  1. 大阪大学大学院工学研究科応用物理学専攻
  2. 大阪大学大学院生命機能研究科
  3. 大阪大学フォトニクスセンター
論文タイトル Nano-Analysis of DNA Conformation Changes Induced by Transcription Factor Complex Binding Using Plasmonic Nanodimers
PubMed 24195575
研究室HP ナノ・バイオフォトニクス研究室〈井上教授〉

解説

 大阪大学大学院生命機能研究科の井上康志 教授と近藤寿人 特任教授らの研究グループは、金ナノ粒子のペア構造(プラズモニックナノダイマー)を用いて、転写因子によるDNA構造変化をナノスケールで計測することに成功しました。本測定法は、様々な生体分子間の相互作用の計測に応用できます。この研究成果はACS nanoで公開されました。



研究背景と結果

 バルクの金属は主として光の反射による光沢を持ちますが、そのサイズを小さくして微粒子化すると金属の色が変化します。ナノサイズの金属微粒子(金属ナノ粒子)は古くから色材として用いられてきました。例えば中世の教会で使われている赤色のステンドガラスには、透明なガラス内部に金ナノ粒子が含まれています。金属ナノ粒子は、ある特定の波長の光と共鳴し、その波長の光を強く吸収(または散乱)します。この現象は局在表面プラズモン共鳴(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR)と呼ばれ、金属ナノ粒子内の自由電子と入射光の電場との共鳴効果に起因します。共鳴する光の波長はLSPR波長と呼ばれ、金属ナノ粒子のサイズや形状に依存します。先ほどの赤色のステンドガラスには直径数十ナノメートルの金ナノ粒子が含まれており、そのLSPR波長が~530 nm(緑色)であることから、この金ナノ粒子を含むガラスを透過した光(吸収も散乱もされずに直接目に入る光)は、赤色となるわけです。
 2つの金属ナノ粒子がナノスケールまでに近接したペア構造(プラズモニックナノダイマー)では、粒子間距離によってLSPR波長が変化します。一つの金属ナノ粒子内の自由電子と入射光との共鳴効果だけでなく、2つの金属ナノ粒子間に働くクーロン力により電子の分極が大きくなるので、共鳴効果が非常に大きくなります。さらに電子の分極が大きくなることから、LSPR周波数は低周波数側、LSPR波長は長波長側に移動します。つまり粒子間距離が短くなると、LSPR波長が長波長側に移動します。よって、プラズモニックナノダイマーのLSPR波長から、ナノスケールでの距離変化を高感度に測定することができます。
 本研究では、プラズモニックナノダイマーをDNAの相補性を用いて合成し、転写因子がDNA上に結合した際のDNA構造変化を、プラズモニックナノダイマーのLSPR波長から計測することに成功しました。直径50 nmの金ナノ粒子を50ベースペア(長さ18.8 nm)のDNAでダイマー化しました。転写因子を結合する前のLSPR波長は586.8 nmでしたが、転写因子であるSOX2をDNAと結合させると、LSPR波長は長波長側(中心波長604.1 nm)に移動することが分かりました。この結果はDNAの構造変化(屈曲)によって粒子間距離が短くなったことを示しており、計算結果との比較から粒子間距離が18.8 nmから9.3 nmへ短くなったことが分かりました。さらにこの距離変化からDNAが61.3 °屈曲したことが分かりました。SOX2などの多くの転写因子は、単独では転写活性が低く、他の転写因子(パートナー因子)と複合体を形成することで、転写がより活性化されることが分かっています。実際SOX2とパートナー因子であるPAX6の両方をDNAと結合させると、LSPR波長はさらに長波長側(中心波長611.6 nm)に移動することが分かりました(粒子間距離7.7 nm)。この実験結果から、転写因子によるDNA構造変化と転写活性の関連性が分かりました。今回開発した測定法は、今後実時間でのDNA構造変化の計測や、より高次の複合体によるDNA構造変化計測への発展が期待されます。

図1.(右図)プラズモニックナノダイマーの模式図(左図)LSPR波長の度数分布表(青:SOX2のみの場合 赤:SOX2とPAX6の場合)

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