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　３

また、（Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019）はその紹介の中で、折り紙技術の可能性と、分子間相互作用パターンに従って、運動を開始し、旋回し、停止するモーター能力を持つDNAウォーカーの設計について興味深い注釈と引用を掲載している。実際、（Lund, K.; Manzo, A.J.; Dabby, N.; Michelotti, N.; Johnson-Buck, A.; Nangreave, J.; Yan, H. 2010）によれば、これらのDNAウォーカーは、本質的に、一連のDNA折り紙構造（テンプレート）の中で基質分子（前駆体）によって導かれる分子ロボットなのである。これは、Lundによる以下の全文引用で確認され、また、(Omabegho, T.; Sha, R.; Seeman, N.C. 2009 | Gu, H.; Chao, J.; Xiao, S.J.; Seeman, N.C. 2010)によって裏付けされている。

「ロボット工学を単一分子のレベルにまで引き上げることは先験的に可能であるが、単一分子が複雑な情報やプログラムを保存する能力の限界に取り組む必要がある。この問題を克服する一つの方策は、単純なロボットと環境との相互作用から複雑な振る舞いを導き出すことができるシステムを利用することである。その第一歩として開発されたのがDNAウォーカーである。DNAウォーカーは、非自律的な動きから、一次元の軌道上で指示された短い動きをすることができるようになった。この研究では、ストレプトアビジン分子を不活性な「本体」として、3つのデオキシリボザイムを触媒の「脚」として構成されるランダムウォーカー（分子クモとも呼ばれる）が、正確に定義された環境と相互作用する際に、初歩的なロボット動作をすることを実証している。1分子顕微鏡観察により、これらのウォーカーは、2次元DNA折り紙ランドスケープに配置された基質分子の足跡を検出し、修正することで方向性を持った動きをすることが確認された」（Lund, K.; Manzo, A.J.; Dabby, N.; Michelotti, N.; Johnson-Buck, A.; Nangreave, J.; Yan, H. 2010）。

これは、ビデオ1の観察から示唆されるように、合成DNAパターンやテンプレートに適合した、複雑な電子デバイスを構成するための自己集合、移動、配向、自己組織化能力を持つ分子やパーツが、ワクチン様溶液の中でより近接して存在していることを確認することができるかもしれない。

図6．ファイザー製ワクチンの分析試料に含まれるGQDグラフェン量子ドットの成分、粒子、クラスターの動きを説明する折り紙DNAウォーカーの機能を示す図。この動きは、動画1や参考文献（Delgado, R. 2021）で全体を観察することができる。

(Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019)の分析を続けると、「（DNAテンプレートの）折り紙モザイクのエッジ機能化、プログラムされた多成分折り紙構造の設計、特に、交換可能折り紙ダイマーの開発に応用した」と追加されている。つまり、DNAテンプレートは、あらかじめ決められたプログラムやパターンに従って、特定のパーツ（粒子、タンパク質、量子ドットなど）で構成されるように定義することができるのである。

しかし、DNA折り紙技術は他の分野もカバーできる。Wangらの最先端の経験が示すように、「独創的な3D折り紙システムが作製されている」。例えば、折り紙ボックスの自己組織化、ギガダルトンスケールのプログラマブルDNA構造の段階的な組み立て、3D折り紙パッケージの光駆動による可逆的なカイロプティック機能の発現などが実証されている。折り紙ナノ構造体は、プログラム触媒、薬物放出制御、論理ゲート動作、センシングなど、さまざまな応用が提案された。中でも、QCA（量子セルオートマトン）回路設計の特徴であり、ワクチンで観察されるパターンの中からナノルーターを特定する際に既に議論された、論理ゲートとセンシングの演算は、特筆すべき応用例である。これは、配線や回路の秩序ある構築を制御できることから、DNA折り紙の手法が量子ドットを用いた電子デバイスの開発にも有効であることを示す証拠といえる。

(Wang, J.; Yue, L.; Li, Z.; Zhang, J.; Tian, H.; Willner, I. 2019による論文の前文についての検討を終えたところで、科学的言説は、ワクチンではその領域内に点が内接する四角形の構造として示される「折り紙の筏」の空洞または孔の対象に焦点を当てている。これらの機能性折り紙構造物のほとんどは、折り紙の筏をボトムアップで改造するか、折り紙タイルの端を改造するか、タイルを筒状に折りたたむかのいずれかであった」と述べている。しかし、折り紙構造にナノキャビティ（孔またはバレル）を機能させることで、化学変換を誘導するための封じ込めやチャネルとして機能させることが考えられる。現在までに、このような空洞は折り紙タイルの受動的な組み立ての中で作製されており、これらの空洞は抗体の部位特異的ドッキング、膜タンパク質の再構成、選択的輸送のための固体孔の機能化などに利用されている。さらに、DNA構造体（折り紙ではない）を膜に導入し、これが膜を介した貨物種の潜在的な刺激輸送のチャネルとして機能するようになった。これに対して、本研究では、折り紙タイルにナノホールを能動的に作製するというコンセプトを導入している。折り紙足場におけるDNAザイム（DNAzyme、DNA酵素）誘導による能動的なナノホール形成と、被覆した窓ドメインを持ち上げることによるナノホールの分子力学的なブロッキング解除について報告する。2種類のDNAザイムを用いることで、折り紙構造のナノホールをプログラムにより活性化して作製することを実証した。さらに、さまざまな折り紙の足場にある空洞を、選択的かつ特異的な触媒作用のための閉じ込められたナノ環境として利用している。さらに、光で可逆的にナノホールを機械的に開閉する設計や、ナノキャビティ内での触媒反応のスイッチングにも注目したい」と述べている。このように、折り紙製造技術の意図的なものを疑う余地のない説明の中に、真剣に考えなければならない基本的なディテールがあるのである。これは、DNA折り紙構造の空洞が抗体を捕捉、固定化、付着させる能力である（Ouyang, X; De-Stefano, M; Krissanaprasit, A.; Bank-Kodal, A.L.; Bech-Rosen, C.; Liu, T.; Gothelf, K.V. 2017）、本来は血清学的な研究を目的としていたが、マイクロ／ナノスケールの体内電子デバイスの構築に適用すると、自己形成構造の貪食と固定化を防ぐという目的を達成することができた。また、図7の説明（Kurokawa, T; Kiyonaka, S; Nakata, E; Endo, M; Koyama, S; Mori, E.; Mori, Y. 2018）のように、これらの孔は他のDNA折り紙配列との相互作用に非常に重要な役割を果たし、（レゴピースのように）合わせて新しい建築足場を追加できることが明らかにされた。

図7．DNA折り紙構造体からなるプレートでもある四角いプレートの孔へのDNA折り紙の組み立て(Kurokawa, T.; Kiyonaka, S.; Nakata, E.; Endo, M.; Koyama, S.; Mori, E.; Mori, Y. 2018)。これは、DNAが事実上のビルディングブロックとして、他の分子成分やグラフェン量子ドットなどの材料を統合し、電子デバイスを構築するためのガイドとして機能していることを示している。　（蛇足：質問先：これは京大の森泰生研究室の論文です）

Wangらが挙げたポアの別の用途は、バイオセンサーを開発するためにDNA折り紙の板や構造体を貫くチャネルや孔として機能することであり、次のように裏付けられる(Seifert, A.; Göpfrich, K.; Burns, J.R.; Fertig, N.; Keyser, U.F.; Howorka, S. 2015 | Burns, J.R.; Seifert, A.; Fertig, N.; Howorka, S. 2016)。　実際、次のように記載されている、「折りたたみDNAからの膜横断ナノポアは、バイオセンサー、ドラッグデリバリー、ナノフルイディクスへの応用を可能にする人工的な生体模倣ナノ構造の最近の例である・・・我々はDNAポアが電圧依存の二つのコンダクタンス状態を示すことを立証した」。膜貫通電圧は低い方が安定した高コンダクタンスになり、DNAポアが塞がれていないことに対応する。予想される開口チャネルの内幅は、ポリ（エチレングリコール）（PEG）サイズの関数としてコンダクタンスの変化を測定することで確認され、それによってより小さいPEGが細孔に入ることが想定される。これは、ファイザー製ワクチンの賦形剤リストに記載されている成分の1つと一致するだけでなく、人体向けナノネットワーク部品に必要なコンダクタンスとも一致している(Yang, J.; Ma, M.; Li, L.; Zhang, Y.; Huang, W.; Dong, X. 2014 | Abbasi, Q. H.; Yang, K.; Chopra, N.; Jornet, J.M.; Abuali, N.A.; Qaraqe, K.A.; Alomainy, A. 2016 | Oukhatar, A.; Bakhouya, M.; El Ouadghiri, D. 2021)。