DNAの分子モデル

水を入れたフラスコの中で沈殿したこの精製DNA（左）は、肉眼では形のない塊のように見えるが、ナノスケールでは核酸は複雑な構造を持っている（右）。

DNA構造の分子モデルは、生体内または試験管内におけるDNA分子構造の本質的な物理的および化学的特性を簡略化して提示することを目的として、いくつかの方法のいずれかを使用してデオキシリボ核酸（DNA）分子の分子幾何学とトポロジーを表現したものです。これらの表現には、プラスチック製の密に詰まった球体（CPKモデル）、骨格モデル用の金属線、コンピュータによるグラフィック計算とアニメーション、芸術的なレンダリングなどが含まれます。コンピュータ分子モデルは、生体内でのDNAの機能を理解する上で非常に重要なアニメーションや分子動力学シミュレーションも可能にします。

より高度なコンピュータベースのDNA分子モデルには、振動回転、非局在化分子軌道（MO）、電気双極子モーメント、水素結合などの分子動力学シミュレーションと量子力学計算が含まれます。DNA分子動力学モデリングには、DNAの分子内および分子間相互作用の結果として、デオキシリボ核酸（DNA）の分子形状とトポロジーが時間とともに変化するシミュレーションが含まれます。プラスチックまたは金属ワイヤーで作られた密に詰まった球体（CPKモデル）などのDNA分子の分子モデルは、静的なDNA構造の有用な表現ですが、複雑なDNAダイナミクスを表現するにはその有用性は非常に限られています。コンピュータ分子モデリングは、DNAが生体内でどのように機能するかを理解する上で非常に重要なアニメーションと分子動力学シミュレーションの両方を可能にします。

X線回折や生化学的手法によるDNAの構造研究のごく初期の段階から、ワトソン・クリック核酸二重らせんモデルなどの分子モデルが、DNA構造の「謎」を解き明かし、また、DNAが生細胞における主要な機能とどのように関連しているかを解明するためにうまく利用されてきた。A-DNAの最初の高品質のX線回折パターンは、1953年にロザリンド・フランクリンとレイモンド・ゴスリングによって報告された。 ^{[ 1 ]}ロザリンド・フランクリンは、DNAがAとBの2つの異なる形態で存在するという重要な観察を行い、X線回折技術によって両方の最も鮮明な画像を作成した。^{[ 2 ]}原子らせんのフーリエ変換の最初の計算は、1年前にコックラン、クリック、ヴァンドによって報告され、^{[ 3 ]} 1953年にはクリックによってコイルドコイルのフーリエ変換が計算された。^{[ 4 ]}

構造情報は、配向させたDNA繊維のX線回折研究から、DNAの分子モデルとX線回折パターンの結晶学的および数学的解析を組み合わせることによって得られる。

B-DNA構造の二重らせん分子モデルに関する最初の報告は、1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによってなされた。^{[ 5 ] [ 6 ]}同年、モーリス・F・ウィルキンス、A・ストークス、HR・ウィルソンは、部分的に配向したサケの精子頭部における生体内B-DNAの最初のX線パターンを報告した。^{[ 7 ]}

クリックとワトソンによる最初の正しい二重らせんDNA分子モデルの開発は、ヌクレオチド塩基対形成（[A---T]; [C---G]）、すなわちシャルガフの法則の生化学的証拠なしには不可能であったかもしれない。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}分子モデルを用いたDNA構造の初期の研究は本質的に静的であったが、 DNAの生体内機能の説明に対するその影響は、タンパク質生合成と遺伝暗号の準普遍性の分野で重要であった。しかし、発生学、形態形成、および癌研究にとって重要であるにもかかわらず、生体内におけるDNAのエピジェネティック変換の研究は、はるかにゆっくりと発展した。このようなDNAの化学的ダイナミクスと生化学的反応は、生細胞内の水、イオン、タンパク質/酵素との物理的相互作用のDNAの分子ダイナミクスよりもはるかに複雑である。

生細胞内でDNAの「自己複製」がどのように行われるかは、超らせん状DNA繊維の一時的な巻き戻しを伴うはずであり、これは長年の動的問題である。DNAは、繊維または鎖と呼ばれる比較的剛性の高い非常に大きな細長い生体高分子（ 4種類の基本ヌクレオチド単位がデオキシリボースとリン酸基に結合してできている）で構成されているが、生体内でのその分子構造は、動的に結合した水分子やイオンが関与する動的な構成変化を受ける。超らせん、染色体構造におけるヒストンとのパッキング、その他のこのような超分子的な側面も、DNA分子の幾何学よりもさらに複雑な生体内DNAトポロジーに関係しており、そのためDNAの分子モデリングは、分子生物学者とバイオテクノロジストの両方にとって特に困難な問題となっている。他の大きな分子や生体高分子と同様に、DNAはしばしば複数の安定な幾何学的構造（つまり、配座異性体を示す）と、DNA分子のポテンシャルエネルギー面上で互いにエネルギー的に近い配置量子状態をとる。

このような多様な分子構造は、少なくとも原理的には、小分子に対して高い精度を達成できるab initio量子化学法を用いることで計算できる。ただし、振動円二色性（VCD）スペクトルデータに基づいて、ポリヌクレオチドやDNA構造に対しても許容できる精度を達成できるという主張が最近なされた。このような量子構造は、特に溶液中のVCDによって得られた結果に関連して、まだ研究が始まったばかりのDNAのab initio分子モデルの重要なクラスを定義する。このようなab initio量子計算とのより詳細な比較は、原理的には、ポリヌクレオチド溶液または重水素標識などの特定の標識DNAの2D-FT NMR分光法および緩和研究によって得られる。

興味深いことに、DNA分子をDNAを介した量子コンピューティングに利用することが提案された。DNAナノ構造体とDNAコンピューティングバイオチップの両方が既に構築されている。

左図は、塩基対形成を示すDNAの化学構造図です。このDNA二重らせんの図には、右図に示す分子の三次元構造に関する情報は含まれていません。

DNAの化学構造だけでは、DNAの3D構造の複雑さを理解するには不十分です。それに対し、アニメーション分子モデルを用いることで、DNAの3次元（3D）構造を視覚的に探索することができます。右端に示されているDNAモデルは、DNA二重らせんの空間充填モデル、またはCPKモデルです。この記事の冒頭に示されているワイヤーモデルや骨格モデルなどのアニメーション分子モデルを用いることで、DNAの3次元（3D）構造を視覚的に探索することができます。DNAモデルのもう1つのタイプは、空間充填モデル、またはCPKモデルです。

水素結合のダイナミクスとプロトン交換は、完全に水和したDNAと氷中の水分子という2つのシステム間で、桁違いに大きく異なります。つまり、DNAのダイナミクスは複雑で、ナノ秒から数十ピコ秒の時間スケールに及ぶのに対し、液体氷のダイナミクスはピコ秒の時間スケールであり、氷中のプロトン交換はミリ秒の時間スケールです。DNAおよびそれに結合したタンパク質におけるプロトン交換速度は、大きな生体高分子における交換されるプロトンの正確な位置に応じて、ピコ秒からナノ秒、数分から数年まで変化する可能性があります。

単純な調和振動子の「振動」は、DNAの量子力学的シミュレーションでしばしば想定されているように調和振動ではなく非調和振動であることが判明した、絡み合ったDNAらせんの縦方向の振動を過度に単純化した動的表現にすぎません。

左図は、X線結晶構造解析によるDNA構造決定における主要なステップを示しており、この反復プロセスにおいてDNA構造の分子モデルが果たす重要な役割がわかる。右図は、配向・水和させたDNA繊維から得られた実際のA型およびB型DNAのX線回折パターン画像である（ハーバート・R・ウィルソン博士（FRS）提供、参考文献リスト参照）。

標準的な生化学的手法によってDNAを分離・精製した後、本記事冒頭の図のように、サンプルが瓶の中に得られます。以下では、DNAの分子モデルとX線回折パターンの結晶学的・数学的解析を組み合わせることで、水和したDNAサンプルから引き出された配向DNA繊維のX線回折研究から構造情報を生成する主な手順を示します。

準結晶格子、または準結晶とは、分子配列にかなりの量（例えば、数パーセント以上）の部分的な無秩序性を持つ分子格子または原子格子のことである。準結晶モデルの極限的な例としては、ガラスや液体などのナノ構造があり、これらは局所的な秩序のみを持ち、全体的な秩序を持たない場合がある。準結晶格子の簡単な例として、シリカガラスを次の図に示す。

液晶は、結晶構造ではなく、準結晶構造を持つ。

高度に水和した B-DNA は、生細胞内で自然にこのような準結晶状態として存在し、2 つの相補的ならせん状 DNA 鎖のヌクレオチド塩基対間の平行水素結合によって安定化された比較的剛性の高い DNA 二重らせんにもかかわらず、動的な状態である (図を参照)。簡略化のため、ほとんどの DNA 分子モデルは、B-DNA に動的に結合する水とイオンの両方を省略しており、そのため、生体内でのB-DNA の動的な挙動を理解するのにあまり役立たない。準結晶 B-DNA の X 線^{[ 16 ] [ 17 ]}および分光データの物理的および数学的解析は、結晶性 A-DNA の X 線回折パターンのそれよりもはるかに複雑である。準結晶モデルは、DNA ナノテクノロジーなどの DNA 技術応用にも重要である。水和した生細胞内での DNA の X 線回折と X 線顕微鏡を組み合わせた新しい方法も現在開発されている。^{[ 18 ]}

DNA分子モデリングは、DNA修復からPCR、 DNAナノ構造まで、ゲノミクスおよびバイオテクノロジー研究アプリケーションにおいてさまざまな用途があります。2次元DNAジャンクションアレイは原子間力顕微鏡によって可視化されています。^{[ 19 ]}

DNA分子モデリングは、ゲノミクスやバイオテクノロジーにおいて様々な用途があり、DNA修復からPCR、DNAナノ構造に至るまで、幅広い研究応用例があります。これには、RNAポリメラーゼ、大腸菌の細菌DNAプライマーゼテンプレートなど、多様な分子のコンピューター分子モデルが含まれ、酵素とDNAテンプレート間の界面における非常に複雑な動態を示唆しています。また、強力な発がん性分子とDNAとの変異誘発性化学相互作用の分子モデルも存在します。これらはすべて、以下のギャラリーで紹介されています。

技術的応用には、 DNA コンピューティング用に設計された DNA バイオチップや DNA ナノ構造、およびDNA ナノテクノロジーのその他の動的応用が含まれます。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} 右の画像は、自己組織化された DNA ナノ構造です。この画像の DNA 「タイル」構造は、90° の角度で配向された 4 つの分岐ジャンクションで構成されています。各タイルは、図に示すように 9 つの DNA オリゴヌクレオチドで構成されています。このようなタイルは、AFM 顕微鏡写真に示されている DNA ナノグリッドを組み立てるための主要な「構成要素」として機能します。

四重鎖DNAは特定のがんに関与している可能性がある。^{[ 26 ] [ 27 ]}四重鎖DNAの画像は下のギャラリーにあります。

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  スピニングDNA汎用モデル。
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  A型DNAの二重らせん構造を簡略化した図。
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  二重らせん構造の概念に基づいたDNA複製モデル。
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  B型DNA二重らせんのアニメーション化された空間充填型分子モデル
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  プリンシペ・フェリペ博物館に展示されている、クリック＝ワトソンDNAの大型模型。
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  A型、B型、Z型DNAの分子モデルの側面図。
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  A型DNA二重らせんの過度に単純化されたモデル。
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  RNAポリメラーゼの分子モデリング。
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  細菌DNAプライマーゼ鋳型の分子モデリング。
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  DNAと発がん性分子MGMTとの相互作用の分子モデリング。
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  発がん性物質である2-アミノフルオレン(AF)によって損傷を受けたDNAの3D分子モデル。
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  図6. DNA修復の分子モデル
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  A-DNAの骨格モデル（アニメーション表示）。
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  クロマチンの簡略化モデル。
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  染色体構造の簡略化モデル。
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  がんに関与している可能性のある、グアニンを豊富に含むDNA構造の仮想的な四重らせん。
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  カリウム溶液中におけるヒトテロメアG四重鎖の分子内構造（3D分子構造）。
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  DNA空間充填分子モデル
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  設計されたDNA四面体のモデル。
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  全長15メートルのDNAモデル、ナチュラリス生物多様性センター

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• DNA二重らせんゲーム ノーベル賞公式サイトより
• MDDNA：DNAの構造バイオインフォマティクス
• ダブルヘリックス 1953–2003国立バイオテクノロジー教育センター
• DNAlive：DNAの物理的特性を計算するためのウェブインターフェース。UCSCゲノムブラウザやDNAダイナミクスとの連携も可能です。
• X線データに基づくDNA構造の数学的および分子解析の詳細
• 原子または分子のらせん構造のフーリエ変換に対応するベッセル関数。
• STM/AFM/SNOMの原理の概要を解説する教育ビデオ