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任意のパターンのマイクロスケールDNA折り紙アレイのフラクタルアセンブリー

Nature 552, 7683 |  Published: |  doi: 10.1038/nature24655


自己集合DNAナノ構造体によって、ナノメートルの精密さのパターン形成が可能になり、これを用いてプログラム可能な分子機械や機能性材料アレイを作ることができる。これに関連して、DNA折り紙は、折り紙ナノ構造体の個々のDNA鎖が特異な位置を占め、一意的にアドレス可能なピクセルとして機能し得るため、特に汎用性が高い。しかし、そうした構造体のスケールは0.05 μm2程度に限られているため、より大きなレイアウトを必要とする応用やより古いタイプのパターン形成方法との融合が阻まれてきた。原理的には、単純なタイルセットの階層的多段階集合によってこの限界を克服できるが、これまでこの方法は、DNA折り紙タイルを用いて構造の大型化をうまく実現できるほどロバストではなかった。今回我々は、階層的多段階集合過程全体を通して再帰的に変更・適用される単純な局所的集合規則を用いて、少数の特異なDNA鎖からなる一定のセットから、より大型で任意のパターンのDNA折り紙アレイを作製できることを示す。我々は、最大で8704個のピクセルを含む0.5 μm2のDNA折り紙アレイを作製して、モナ・リザや雄鶏などの画像を描くことによって、我々が「フラクタルアセンブリー(fractal assembly)」と名付けたこの方法を例証する。我々は、タイルの自己集合によるアレイ形成がタイルの表面パターンの変化に影響されないこと、また、m個のタイルを含むアレイではフラクタルアセンブリー過程の収率が約0.95m−1に相当することを見いだした。任意のパターンをDNA配列と実験プロトコルに変換する独自開発のソフトウエアツールと併用すると、今回の集合方法は容易に利用でき、DNAナノ構造体を用いて細菌と同等のサイズの精巧な材料やデバイスの構築が容易になる。

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