Rational design of DNA molecular machines based on supramolecular coordination chemistry

基于超分子配位化学的DNA分子机器的合理设计

基本信息

批准号：
21H02055
负责人：
竹澤悠典
金额：
$ 11.07万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02055/
关键词：
DNA 超分子化学核酸化学金属錯体分子機械

项目摘要

本研究では、配列設計によりプログラムできるDNAのナノスケール自己組織化と、超分子金属錯体の動的化学の双方に立脚し、金属錯体形成を駆動力として構造・機能のスイッチングが可能なDNA分子機械素子の創製を目的とした。本年度は主に、(1) 金属錯体形成によりペアを作る新規人工核酸塩基の開発、(2) 金属配位性修飾ピリミジン塩基を用いた金属イオン応答性DNA鎖交換反応の開発、および (3) 金属錯体形成により構造変換可能なDNA三叉路分岐モチーフの開発を行った。(1) 金属錯体形成によりペアを作る新規人工核酸塩基の開発：新たに2-オキソ-4-イミダゾールカルボン酸(ImOC)を核酸塩基として有する人工ヌクレオシドを合成し、DNA二重鎖中での金属錯体型塩基対の形成の評価を行った。一対のImOC-ImOC塩基対を導入したDNA二重鎖の融解実験や質量分析測定から、二重鎖中でImOC-Cu(II)-ImOCおよびImOC-Hg(II)-ImOC塩基対を形成することを見出した。(2) 金属配位性修飾ピリミジン塩基を用いた金属イオン応答性DNA鎖交換反応の開発：5-ヒドロキシウラシル(UOH)塩基を導入したDNA鎖を用いて、Gd(III)イオンとの金属錯体形成をトリガーとしたDNA鎖交換反応を開発した。さらに、DNAヘアピン構造やDNA分子ピンセット構造の構造制御への応用を検討した。(3) 金属錯体形成により構造変換可能なDNA三叉路分岐モチーフの開発：ヌクレオシドの2’位にアミド結合を介してビピリジン配位子やフェナントロリン配位子を導入したDNA鎖を合成し、3:1金属錯体形成に基づくDNA三叉路分岐構造の安定化を行った。また、ビピリジン修飾DNAについては、金属イオン添加・除去による「DNA二重鎖⇔三叉路分岐構造」の可逆な相互変換や、セルフソーティングを実現した。

这项研究基于可通过序列设计进行编程的 DNA 纳米级自组装和超分子金属复合物的动态化学，目的是创建设备。今年，我们主要关注（1）开发通过金属络合物形成配对的新型人工核碱基，（2）开发使用金属配位修饰的嘧啶碱基的金属离子响应性DNA链交换反应，以及（3）我们开发了一种 DNA 三联分支基序，可以通过形成金属复合物进行结构转变。 (1)开发通过金属络合物形成成对的新型人工核苷：我们新合成了具有2-氧代-4-咪唑甲酸(ImOC)作为核碱基的人工核苷，评价了络合物型碱基对的形成。我发现，通过熔解实验和对引入一对 ImOC-ImOC 碱基对的 DNA 双链体的质谱测量，在双链体中形成 ImOC-Cu(II)-ImOC 和 ImOC-Hg(II)-ImOC 碱基对。 (2)使用金属配位修饰的嘧啶碱基开发金属离子响应性DNA链交换反应：使用引入了5-羟基尿嘧啶(UOH)碱基的DNA链，开发了与Gd(III)离子的金属络合物。我们开发了一种 DNA 链交换反应，利用这种形成作为触发因素。此外，我们还研究了DNA发夹结构和DNA分子镊子结构在结构控制中的应用。 (3)可通过形成金属络合物进行结构改造的DNA三向分支基序的开发：合成通过酰胺键在核苷的2'位置引入联吡啶或菲咯啉配体的DNA链，以及a 3:1 我们基于金属络合物的形成稳定了 DNA 三连接分支结构。此外，对于联吡啶修饰的DNA，我们通过添加和去除金属离子实现了“DNA双链⇔三连接分支结构”的可逆相互转换和自排序。