コロナウイルス・ワクチンにおけるパターン識別：DNA-オリガミの自己組織化効果　Mik Andersen　２

ソフトエピタキシャル成長による自己組織化

自己組織化効果が根拠のある仮説と見なされるなら、「ソフトエピタキシャル成長による自己組織化」は、さらに強力な証拠となる。図4は、科学文献と医師が分析したファイザー製ワクチンのサンプルの間に正確な等価性があることを示している（Campra, P. 2021）。より多数の四角形やピラミッド型のものは、実際には「集積回路製造のプロセスの一つ」であるエピタキシャル自己組織化技術の結果であろう(Shen, J.; Sun, W.; Liu, D.; Schaus, T.; Yin, P. 2021 | Burns, M.A.; Mastrangelo, C.H.; Sammarco, T.S.; Man, F.P.; Webster, J.R.; Johnsons, B.N.; Burke, D.T. 1996 | Esener, S.C.; Hartmann, D.M.; Heller, M.J.; Cable, J.M. 1998 | Krahne, R.; Yacoby, A.; Shtrikman, H.; Bar-Joseph, I.; Dadosh, T.; Sperling, J. 2002 | Chen, Y.; Pepin, A. 2001)。エピタキシーとは、一次核形成基板上に材料（グラフェン量子ドット、酸化グラフェン、ハイドロゲルなど）の層を成膜することである。しかし、従来の成長プロセスとは異なり、この場合はDNAのハイブリダイゼーションによって実現される。この時点で、(Liu, J.; Wei, J.; Yang, Z. 2021)は研究対象の一つを開発することになる。

図4．ソフトエピタキシャル成長で自己組織化した科学文献の物体（Liu, J.; Wei, J.; Yang, Z. 2021）とファイザーワクチンで観察した物体（Campra, P. 2021）が完全に一致している。

(Liu, J.; Wei, J.; Yang, Z. 2021)によると、「無機ナノ粒子をメゾスコピックあるいはマクロスコピックなナノ粒子集合体に自己組織化することは、ナノスケールで新たな機能を持つ先進デバイスを作製するための効率的戦略である」という。また、基板上でナノ粒子を集合させることで、基板上での原子結晶の成長と同様に、基板一体型のデバイスを作製することが可能である。最近のナノ粒子集合体の進歩は、エピタキシャルソフトグロースと呼ばれる、選択した基板上に秩序あるナノ粒子集合体を良好に作製できることを示唆している。この定義により、マイクロ/ナノ電子デバイス（集積回路）の作製が、DNA基板またはテンプレート上でのガイド付き結晶成長によって実現できることが確認された。これは、「DNAのハイブリダイゼーションを応用して、ナノ粒子を超格子に組み立て、驚くほど豊かな結晶構造を実現した」という説明からも明らかである。DNAの三次元二重らせん構造（固定ピッチ、固定直径）は、ナノ粒子を秩序ある三次元集合体に導く上で、他の材料よりも有利であることがわかった（Nykypanchuk, D.; Maye, M.M.; Van-Der-Lelie, D.; Gang, O. 2008）。塩基対の間を特異的に認識し、DNA鎖の長さや塩基配列を制御できることから、ナノスケールの組み立てのための強力な武器となる。DNAのプログラム可能性は、構造指向のリガンドとして非常に魅力的である。これは、DNAの自己組織化が2次元構造だけでなく、DNAの二重らせん結合を利用して3次元構造を生成できることを裏付けており、図4のような立方体やプリズムなど、あらゆる形状を構成することが可能である。

(Liu, J.; Wei, J.; Yang, Z. 2021)が引用した経験の中に、エピタキシャル自己組織化に関する以下のパラグラフがあり、DNAベースの結晶構築物の実験において、誤差（ミスマッチ）がわずか1％という豊富な経験があることが明らかにされている。

「（Lewis, D.J.; Zornberg, L.Z.; Carter, D.J.; Macfarlane, R.J. 2020）らによると、この技術とDNA機能化ナノ粒子およびDNA鎖機能化基板の組み合わせを用いて、エピタキシー組立プロセスを設計したとのことである。彼らは、結晶と流体、基板と結晶、基板と流体の間の界面エネルギーを制御することで、ナノ粒子結晶の単結晶ウィンターボトム型が形成されることを発見した。他の例では、2次元コロイド膜中の自己組織化DNAグラフトナノ粒子をソフトエピタキシャルアセンブリの基板として応用できることを示した。例えば、（Wang, M.X.; Seo, S.E.; Gabrys, P.A.; Fleischman, D.; Lee, B.; Kim, Y.; Mirkin, C.A. 2017）によれば、格子ミスマッチにうまく対応するため、より弾性的で可鍛性の高い構築ブロックとしてDNA被覆ナノ粒子を使用した。さらなる研究（Gabrys, P.A.; Seo, S.E.; Wang, M.X.; Oh, E.; Macfarlane, R.J.; Mirkin, C.A. 2018）により、DNA機能化ナノ粒子によって組み立てられた超格子薄膜は、変形や再編成時に弾性歪みを蓄え、格子不整合度は最大± 7.7% と原子薄膜が許す± 1% 格子不整合を大きく上回ることが示された。重要なことは、これらのDNAコーティングされたナノ粒子は、漸進的かつコヒーレントな緩和を起こし、転位や空孔の形成を通じて弾性的にかつ回復不能に歪みを消散させるということである。したがって、ソフトな圧縮性高分子材料で被覆された剛直なナノ結晶を用いて、プログラム可能な原子当量-ソフト-ナノメートルと微細構造を制御することにより、ヘテロエピタキシャルコロイド膜の成長が可能である。」 (Liu, J.; Wei, J.; Yang, Z. 2021)

折り紙自己組織化

最後に、最も独創的な自己組織化の方法として、DNAをテンプレートとする「折り紙法」がある。この場合、『Active generation of nano-holes in DNA origami scaffolds for programmed catalysis in nanocavities（DNA折り紙足場によるナノホールの能動的生成とナノキャビティにおけるプログラム触媒反応）』と題する（Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019）の研究成果に手がかりが見出されることになる。四角い構造の中に点や孔があるパターンは、形態学的に見ても印象的で特徴的である。このディテールは、カンプラ博士が得た画像から発見され、研究対象の自己組織化オブジェクトと合わせて、パズルのもう一つのピースであり、現実にはもっと大きなオブジェクトが折り紙の手法で自己組織化されているはずだと推論することができた。図5を参照すると、対象物の四角形構造、表面内に刻まれたナノホールの位置、ファイザー製ワクチンサンプルで観察されたその数や量などが一致しており、その類似性は明らかである。

図5．ファイザー製ワクチンのサンプルで観察された物体は、折り紙の自己組織化に関する科学文献と直接対応しており、ナノホールが紛れもない特徴的な要素であることがわかる。(Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019)

しかし、四角い物体の孔の問題を論じる前に、著者らが論文で紹介した技術の導入と現状を確認しておくことは、この技術の能力を位置づけ、ワクチンに使われているナノテクノロジーとの関連性を示すのに役立つ。実際、折り紙自己組織化は「2次元（2D）および3次元（3D）DNAナノ構造のプログラムされた組み立てであり、DNAナノテクノロジーにおける大きなブレークスルーを示す」(Hong, F.; Zhang, F.; Liu, Y.; Yan, H. 2017 | Rothemund, P. W. 2006 | Endo, M.; Sugiyama, H. 2014)として、驚くべき主張が記されている、これは、自己組織化の可能な次元や軸だけでなく、折り紙法がソフトエピテキシャル成長自己組織化と適合し、したがって指向性または誘導性自己組織化と適合することを確認するものであった。すべての場合において、適切に構成された合成DNA構造の使用は、ワクチンサンプルで観察される構造およびオブジェクトの開発に必要な前駆体である。

さらに、（Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019）は、DNA折り紙自己形成法により、人体中のナノネットワークの一部としてワクチンサンプルで以前に確認されたプラズモンアンテナを、他のデバイスと組み合わせて構成するための部品の固定化が可能になることを確認した。このことは、「プログラムされたDNAの折りたたみによって生成された折り紙構造の独創的な形状を作り出すことに加え、折り紙構造は、突出した核酸鎖や、縁を修正したオリゴヌクレオチド鎖で機能化されている」と逐一述べられている。この突出したストランド（DNA鎖）は、それぞれの折り紙の足場にポリマー、タンパク質、ナノ粒子を組織化するためのアンカーサイトとして使用された。折り紙足場上に組み立てられたナノ構造体が、酵素カスケードの機能、プラズモンアンテナの設計、キーロプラズモン構造の組み立てなど、ユニークな機能を持つことが実証された」。 この説明は、DNAパターンに導かれ、ナノ粒子（グラフェン量子ドットなど）で機能化されたビルディングブロックが突出した鎖を介して連結し、プラズモン特性や量子ホール特性をもたらし、トランジスタの自己組織化や必要な複雑さのマイクロ／ナノチップを実現する超構造の形成過程を理解する上で基本となるものだ。