転がるDNA、回るDNA、歩くDNA

「オリガミ」の上で分子を操る

藤崎慎吾

作家・サイエンスライター

プロフィール

動く折り紙と「オリガミ」

紙は多くの場合、文字や図を記すのに使われます。でも日本人は、それを折ることによって、様々な造形物へと変化させてきました。中には「羽ばたく鶴（パタパタ鶴）」のように、動かせる折り紙もあります。そうした手法は、宇宙で自動的に展開する太陽電池パネルなどに生かされています。

DNA（デオキシリボ核酸）もまた、数十億年の間、もっぱら遺伝情報を記す媒体として使われてきました。しかし今世紀に入って、DNAを「折る」ことにより、様々な構造物をつくる技術が誕生しました。これは「DNAオリガミ」と呼ばれます。その中には、やっぱり動かせるオリガミもあるのです。

DNAオリガミは、それ自体で医療分野などでの応用が考えられています。一方で、タンパク質や脂質など他の有機物を使った構造物と合わせて、ナノサイズの「分子ロボット」や「ケミカルAI（化学人工知能）」をつくる研究も始まっています。DNAオリガミは、そうしたロボットやAIのボディ（筐体）またはフレーム（骨格）に使えますが、動くものならアクチュエータ（駆動装置）にもなるでしょう。

金属や半導体などではなく、私たちの体と同じ物質でできた分子ロボットやケミカルAIは、脳の仕組みや、人間のような知性を生みだす方法について、多くの知見をもたらしてくれるかもしれません。

羽ばたく鶴の折り紙　photo by Shingo Fujisaki

さて、折り紙の「羽ばたく鶴」は手で動かします。尻尾の部分を引っぱると翼を振り下ろし、戻すと上げるのです。DNAオリガミでつくったものは、どのように動かせばいいのでしょう？　もちろん太さが髪の毛の5万分の1くらいしかないDNAを、手でつまむわけにはいきません。

それを説明する前に、DNAオリガミはどのようにつくられるのか、簡単に振り返っておきましょう。詳しくは本連載の第1回を参照してください。

ナノサイズの「電子掲示板」

DNAはたたいて延ばしても、紙のようにはなりません。そこで丸太を組んだ「いかだ」のようにするのが、DNAオリガミの基本です。つまり二重らせんになったDNA（二本鎖DNA）を丸太に見立てて、それを何本も隙間なく並べ、板状に固定したような状態にするわけです。

この「DNAいかだ」には、2種類の一本鎖DNAが使われています。一つは輪っかになった長いDNA、もう一つは直線状の短いDNAで、前者を「スキャッフォルド（足場）」、後者を「ステープル（留め金）」と呼びます。

スキャッフォルドをジグザグに折り畳み、必要な部分をステープルで束ねると、見た目は丸太を並べた「いかだ」に近くなります。折り畳む幅を一定にすれば四角くなり、細かく変えていけば、台形や六角形、星形などにすることもできます。

DNAを折り畳んで「いかだ」のようにした状態の模式図（上）と、実際につくられたDNAオリガミの模式図（中）、それらを原子間力顕微鏡（AFM）で観察した写真（下）　figure, photo by Msayuki Endo　拡大画像はこちら

スキャッフォルドをステープルで束ねられるのは、どうしてでしょう？

DNAは「A（アデニン）」「T（チミン）」「G（グアニン）」「C（シトシン）」という4種類の核酸塩基からできています。これらが文字の代わりになって、遺伝情報を記録しているわけです。そして一本鎖から二本鎖になる時には、「A」と「T」そして「G」と「C」が必ずペアになってくっつきます。このペアを「塩基対」と言います。「A−G」「A−C」や「T−G」「T−C」といった組み合わせは、ありません。

この「相補性」と呼ばれる性質を利用すると、スキャッフォルドの特定の場所を、特定のステープルで束ねられます。例えばスキャッフォルドの離れた2ヵ所に「TAAC」「GGCA」という塩基配列があり、一方で、それらと対になる「ATTGCCGT」という配列のステープル*があれば、両者はくっついて二本鎖を形成し、2ヵ所が束ねられるわけです。

＊DNAが二本鎖になる時には、お互いに逆向きとなるため、実際は「TGCCGTTA」という配列になる。

スキャッフォルドの配列は通常、決まっています。しかしステープルの配列は研究者が決めて人工的に合成できるため、そこを工夫すれば折り畳みかたを変えて、様々な形をつくることができます。

また、これは前回はっきりと触れませんでしたが、束ねた場所の塩基対の配列は、それぞれ異なっていますので、完成したDNAオリガミには「座標」があります。例えば上から3段目にある二本鎖の、左から「らせん」5周目はどのあたりか、というのを配列から特定できるのです。これを利用すると、オリガミ上の決まった場所に、別のDNAやタンパク質などを、くっつけることができます。

前回もご登場いただいた関西大学先端科学技術推進機構特別任命教授の遠藤政幸（えんどう・まさゆき）さんは、この座標を使ってDNAオリガミの上に文字を書きました。遠藤さんは、もう20年以上、DNAを使った「ナノテクノロジー」の研究を行っています。

DNAオリガミで、遠藤さんはまずジグソーパズルのピースのようなものを、何種類かつくりました。大きさは1辺が約100nm（ナノメートル）です。100nmは1mmの1万分の1で、平均的なウイルスの直径くらいです。

それぞれ微妙に形の異なるこれらのピースは、特定の方向と順番で自律的に並ぶようにできています。これには実際のジグソーパズルと同様、形状が合うかどうかといったことに加えて、やはりDNAの相補性が利用されています。

DNAオリガミのジグソーピースには、前述したような座標があります。それをもとに遠藤さんは、ヘアピン形に折り曲げた短いDNAを何個かくっつけて、電子掲示板のような文字にしました。原子間力顕微鏡（AFM）で見ると、ヘアピンDNAは白っぽい粒のように浮かび上がります。1ピースに書かれているのは1文字で、それらが並ぶと「D」「N」「A」とか、「N」「A」「N」「O」と読めるようになります。