DNA折り紙

DNA折り紙は、 DNAをナノスケールで折り畳んで、ナノスケールで任意の2次元および3次元の形状を作成することです。相補的な塩基対間の相互作用の特異性により、DNAは塩基配列の設計を通じて有用な建築材料になります。^[2] DNAは、他の分子を所定の位置に保持する足場を作成したり、独自の構造を作成したりするのに適した、よく理解されている材料です。

DNA折り紙は、2006年3月16日のネイチャー誌の表紙を飾りました。^[3]それ以来、DNA折り紙は芸術の域を超え、薬物送達システムからプラズモニックデバイスの回路まで、さまざまな用途に使用されていますが、商業的な用途のほとんどはまだコンセプト段階またはテスト段階にあります。^[4]

DNAを建築材料として使用するというアイデアは、1980年代初頭にナドリアン・シーマンによって初めて導入されました。^[5] DNA折り紙の方法は、カリフォルニア工科大学のポール・ロセムンドによって開発されました。^[6]ツールを介して材料を配置または除去する3Dプリントやリソグラフィーなどの一般的なトップダウンの製造方法とは対照的に、DNAナノテクノロジー、およびそのサブセットとしてのDNA折り紙は、ボトムアップの製造方法です。 DNAポリマーの構成サブユニットを合理的に設計することにより、DNAはさまざまな形状に自己組織化できます。 DNA折り紙を構築するプロセスでは、ウイルスDNAの長い1本鎖（通常はM13バクテリオファージの7,249 bpのゲノムDNA ）を、複数の小さな「ステープル」鎖の助けを借りて折り畳みます。これらの短い鎖はさまざまな場所で長い鎖に結合し、事前に定義された2次元または3次元の形状を形成します。^[7]例としては、スマイリーフェイスや中国とアメリカ大陸の大まかな地図、立方体などの多くの3次元構造などがあります。^[8]

DNA 分子が DNA 折り紙の理想的な材料となる理由は、DNA の特性にあります。DNA 鎖は、ワトソン・クリック塩基対形成によって相補的な配列に結合する自然な傾向があります。これにより、ステープル鎖は外部からの操作なしに足場鎖上の位置を特定し、目的の構造を自己組織化することができます。

DNAの特定の塩基配列は、その結合挙動を決定することで、材料にプログラム可能な要素を与えます。ステープル鎖の配列を慎重に設計することで、科学者は足場鎖を所定の形状に正確に折り畳むことができます。^[9]

化学的なレベルでは、相補的な塩基対の間に存在する水素結合が、折り畳まれたDNA折り紙構造に強度と安定性をもたらします。さらに、DNAは比較的安定した分子であり、生理学的条件下で回復力を発揮します。^[9]

DNA 折り紙ナノ構造を他の分類の DNA ナノ構造よりも使用する利点の 1 つは、有限構造の定義が容易なことです。^[10]他の DNA ナノ構造の設計では、構造全体がより小さな鎖で構成されている場合、非常に多数の個別の鎖を設計することは非現実的です。膨大な数の異なる鎖の必要性を回避する 1 つの方法は、繰り返し単位を使用することですが、これにはサイズや場合によっては形状の分布という欠点があります。しかし、DNA 折り紙は個別の構造を形成します。^[10]

DNA 折り紙の用途は、主に DNA 折り紙ナノ構造への付着によって分子の位置を制約することにより、システムを細かく制御する能力を中心にしています。現在の用途は主にセンシングと薬物送達に焦点が当てられていますが、他にも多くの用途が研究されています。

DNA 折り紙オブジェクトの製造には、3 次元 DNA 構造設計の予備的な直感が必要です。出力鎖が独自の望ましい形状を生成するように、アデニン-チミン対とグアニン-シトシン対のみを使用して二重らせん DNA 分子を折り畳んだり解いたりする複雑さのため、これを把握することは困難です。

設計ソフトウェアと塩基対配列の選択は、複雑な2Dまたは3Dの形状を作成するために重要になります。DNA折り紙の鍵は、この技術の2つの構成要素であるステープル鎖とスキャフォールド間の正確な塩基対形成にあります。これにより、特定の結合と正確な折り畳みが保証されます。スキャフォールド鎖は、多くの場合ウイルスから得られる長い一本鎖DNA分子です。ステープル鎖は、スキャフォールド鎖上の特定の配列に結合するように設計された短いDNA鎖であり、その折り畳みを指示します。^[9]

望ましい形状を作り出すために、単一の長い DNA分子のラスター塗りつぶしで画像が描かれる。次に、このデザインがコンピュータ プログラムに入力され、個々のステープル ストランドの配置が計算される。各ステープルは DNA テンプレートの特定の領域に結合するため、ワトソン・クリック塩基対のおかげで、すべてのステープル ストランドの必要な配列がわかって表示される。DNA を混ぜ、加熱して冷却する。DNA が冷却されると、さまざまなステープルが長いストランドを望ましい形状に引っ張る。デザインは、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、またはDNA が蛍光物質に結合されている場合は蛍光顕微鏡など、いくつかの方法で直接観察できる。 ^[6]

ボトムアップ自己組織化法は、比較的穏やかな条件下でナノ構造を安価に並行合成できる有望な代替手段と考えられています。

この方法が考案されて以来、 CADソフトウェアを使用してプロセスを支援するソフトウェアが開発されました。これにより、研究者はコンピュータを使用して、特定の形状を形成するために必要な正しいステープルを作成する方法を決定できます。そのようなソフトウェアの1つであるcaDNAnoは、DNAからそのような構造を作成するためのオープンソースソフトウェアです。ソフトウェアの使用により、プロセスが簡単になっただけでなく、手作業による計算によるエラーも大幅に削減されました。^{[11] [5]}

ソフトウェアを使用してステープル鎖の配列を綿密に計画し、意図したポイントでスキャフォールド鎖に結合するようにした後、設計されたステープル鎖配列は、自動DNA合成などの技術を使用して研究室で合成されます。最後に、スキャフォールド鎖とステープル鎖を緩衝液で混合し、特定の温度サイクルにかけます。このサイクルにより、ステープル鎖はスキャフォールド鎖上の相補的な配列を見つけ、水素結合を介して結合し、スキャフォールドが目的の形状に折り畳まれます。^[9]

DNAナノテクノロジーのより広い分野と同様に、DNA折り紙はさまざまな方法を使用することで本質的に動的にすることができます。動的なDNA折り紙マシンを作成するための3つの主な方法は、つま先を介した鎖の置換、酵素反応、および塩基スタッキングです。^[12]これらの方法が最も一般的に使用されていますが、方向性コンポーネントを設計し、ブラウン運動を使用して構造の回転運動を駆動する^[13]またはpHに敏感なG四重鎖またはiモチーフなどのあまり一般的ではないDNA自己組織化現象を活用するなど、動的なDNA折り紙マシンを作成するための追加の方法も存在します。^[14]

構造特性に影響を与えたり、ナノ構造に独自の化学特性を与えたり、ナノ構造に刺激反応を追加したりするために、変更を使用することもできます。構造の変更は、タンパク質などの分子の結合、または DNA 塩基自体の化学修飾によって行うことができます。pH 依存の反応、光依存の反応などが、変更されたシステムを通じて示されています。

動的構造を作り出すことの応用例としては、刺激に反応して薬剤を放出する能力があり、これはいくつかのグループによって発表されている。^{[15] [16]}他には、ヘリカーゼの巻き戻しなど、生体内での運動メカニズムを感知するという、あまり一般的ではない応用もある。^[17]

DNAオリガミは天然の生体ポリマーで作られており、塩分濃度が許せば生物学的環境によく適合し、^[1]システム内の分子や構造の配置を細かく制御できます。これにより、DNAオリガミはバイオメディカルエンジニアリングのさまざまなシナリオに適用できます。現在のバイオメディカルアプリケーションには、0次メカニズムによる薬物放出、^[2]ワクチン、^[3]細胞シグナリング、^[4]およびセンシングアプリケーションが含まれます。^[5]

DNAは八面体に折り畳まれ、リン脂質の単一二重層で覆われており、ウイルス粒子のエンベロープを模倣しています。それぞれがウイルス粒子とほぼ同じ大きさのDNAナノ粒子は、マウスに注入された後、数時間循環し続けることができます。また、コーティングされていない粒子よりも免疫反応がはるかに低くなります。ハーバード大学ワイス研究所の研究者は、薬物送達への潜在的な用途を報告しています。^{[18] [19]}

ハーバード大学 ワイス研究所の研究者らは、DNA折り紙を使った自己組織化・自己破壊型の薬物送達容器を実験室で報告した。彼らが作ったDNAナノロボットは、片側に閉じることができるヒンジが付いた開いたDNAチューブである。薬剤が詰まったDNAチューブはDNAアプタマーによって閉じられており、特定の病気の関連タンパク質を識別して探すように構成されている。折り紙ナノボットが感染細胞に到達すると、アプタマーが分解して薬剤を放出する。研究者らが使用した最初の疾患モデルは白血病とリンパ腫であった。^[20]

北京の国立ナノサイエンス技術センターとアリゾナ州立大学の研究者らは、よく知られた抗がん剤であるドキソルビシンの DNA 折り紙送達媒体を報告した。この薬剤はインターカレーションによって DNA 折り紙ナノ構造に非共有結合し、高い薬剤負荷が達成された。 DNA-ドキソルビシン複合体は、遊離型のドキソルビシンよりもはるかに高い効率で細胞内在化を介してヒト乳腺がん細胞 ( MCF-7 ) に取り込まれた。細胞殺傷活性の増強は、通常のMCF-7だけでなく、より重要なことに、ドキソルビシン耐性細胞でも観察された。科学者らは、ドキソルビシンを充填した DNA 折り紙がリソソームの酸性化を阻害し、薬剤の作用部位への細胞再分布をもたらし、腫瘍細胞に対する細胞毒性を増大させると理論づけた。 ^{[21] [22]}マウスでのさらなる生体内試験では、12日間にわたって、ドキソルビシンがDNA折り紙ナノ構造（DON）に含まれていた場合、マウスの腫瘍サイズを縮小する効果がより高かったことが示唆されました。^[23]

マサチューセッツ工科大学の研究者らは、さまざまなウイルス抗原をウイルスの形をしたDNA粒子に付着させてウイルスを模倣し、新しいワクチンの開発に利用する手法を開発している。^[24]これは、Batheの研究室が精密に制御された3次元形状のDNAを生成するDAEDALUS（ユーザー定義構造のDNA折り紙配列設計アルゴリズム）と呼ばれるアルゴリズムを作成した2016年に始まった。^[25]このツールを使用して、彼らはDNA足場の表面にさまざまな抗原をモジュール式に付着させることができるウイルス形の足場を設計した。現在、MITはB細胞がHIV抗原を認識するための最適な形状の開発に取り組んでいる。さらなる研究では、HIV抗原をSARS-CoV-2に置き換えることを試みており、ワクチンが単離されたB細胞およびマウスから適切な免疫反応を示すかどうかをテストしている。^[26]

同様に、ミュンヘン工科大学の研究者らは、抗原でコーティングされたDNA折り紙を使用して、T細胞が腫瘍細胞を標的にする方法を開発した。 ^[27]研究者らは、プログラム可能なT細胞エンゲージャー（PTE）と呼ばれるシャーシを作成する方法を開発した。これは、ナノ構造の表面にコーティングされた抗原に基づいて、ユーザーが定義した標的細胞とT細胞に結合するように構成できるDNA折り紙構造である。in vitroの結果では、24時間の曝露後、腫瘍細胞の90％が破壊されたことが示された。一方、in vivoテストでは、彼らのPTEが数時間にわたって標的タンパク質に結合できることが示され、彼らが設計したメカニズムが検証された。^[28]

文献では、酵素固定化、薬物送達システム、ナノテクノロジーによる材料の自己組織化など、多くの潜在的な用途が示唆されている。DNAは構造的および触媒的汎用性に欠けるため、ナノロボット用途の活性構造を構築するための自然な選択ではないが、いくつかの論文では、折り紙上の分子ウォーカーやアルゴリズムコンピューティング用のスイッチの可能性を検討している。^{[8] [29]} 次の段落では、臨床的可能性のある研究室で実施された報告された用途のいくつかをリストアップする。

オーフス大学のiNANOセンターとCDNAセンターの科学者グループが実施した研究では、研究者らは小型のマルチスイッチ可能な3D DNAボックス折り紙を構築することに成功した。提案されたナノ粒子は、AFM、TEM、FRETによって特性評価された。構築されたボックスには、独自の再閉鎖メカニズムがあり、独自のDNAまたはRNAキーセットに応じて繰り返し開閉できることが示された。著者らは、この「DNAデバイスは、単一分子の機能の制御、制御された薬物送達、分子コンピューティングなど、幅広い用途に使用できる可能性がある」と提案した。^[30]

ハーバード大学ワイス研究所とバーイラン大学ナノテクノロジー・先端材料研究所のバイオエンジニアのチームは、DNA折り紙で作られたナノロボットが計算能力を発揮し、生体内で事前にプログラムされたタスクを完了したと報告した。概念実証として、チームは生きたゴキブリにさまざまな種類のナノボット（蛍光マーカー付きの分子を包んだ巻き毛のDNA）を注入した。ゴキブリの体内のマーカーを追跡することで、チームは標的細胞への分子の送達の精度、ナノボット間の相互作用と制御がコンピュータシステムと同等であることを発見した。論理演算、決定、行動の複雑さは、ナノボットの数が増えるにつれて増加する。チームは、ゴキブリの計算能力を8ビットコンピュータにまで拡張できると推定した。^{[31] [32]}

インド科学研究所の研究グループは、ナノ構造を利用して、DNA塩基間の同軸スタッキングを解明するためのプラットフォームを開発した。このアプローチでは、DNA-PAINTベースの超解像顕微鏡を使用してこれらのDNAナノ構造を視覚化し、DNA結合速度論分析を実行して、DNA二重らせん構造を安定化させるのに役立つ塩基スタッキングの基本的な力を解明した。彼らはさらに、「三点星」と呼ばれる多量体DNA折り紙ナノ構造を四面体の3D折り紙構造に組み立てた。組み立ては主に各サブユニット間の塩基スタッキング相互作用に依存していた。グループはさらに、このような相互作用の知識を使用して、これらの多量体DNAナノ構造の相対的な安定性を予測し、調整できることを示した。^[33]

タンパク質設計を利用してDNA折り紙と同じ目的を達成するというアイデアも浮上している。スロベニア国立化学研究所の研究者は、タンパク質折り畳みの合理的な設計を利用してDNA折り紙に見られるような構造を作成することに取り組んでいる。タンパク質折り畳み設計に関する現在の研究の主な焦点は、タンパク質に付​​着した抗体を使用して標的を定めた媒体を作成する薬物送達分野である。^{[34] [35]}

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