ナノスケール分子合成
本発明はナノスケール分子合成に関し、３次元で利用可能な生体高分子性の核酸アレイ、及びこのようなアレイを製造するためのプロセスを含む。このようなアレイは相補的な化学反応性のプローブで官能性を持たせて、触媒性の酵素を提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノスケール分子合成に関し、３次元で利用可能な生体高分子性の核酸アレイ、及びこのようなアレイを製造するためのプロセスを含む。このようなアレイは相補的な化学反応性のプローブで官能性を持たせて、触媒性の酵素を提供できる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、以下の出願：２００７年３月１５日提出の米国仮特許出願第６０／９１８，１４４号；２００７年８月３０日提出の米国仮特許出願第６０／９６９，１５４号；２００７年１１月６日提出の米国仮特許出願第６０／９８５，９６１号；２００７年１１月６日提出の米国特許出願第１１／９３６，０４５号；２００８年２月２８日提出の米国仮特許出願第６１／０３２，１１８号；２００８年３月１４日提出の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／５７０１３号；２００８日４月１０日提出の米国仮特許出願第６１／０４３，９８１号；２００８年４月２３日提出の米国仮特許出願第６１／０４７，２０１号；２００８年４月２９日提出の米国仮特許出願第６１／０４８，５９９号；２００８年６月１３日提出の米国仮特許出願第６１／０６１，５５５号；２００８年８月６日提出の米国仮特許出願第６１／０８６，６３３号；２００９年８月２７日提出の米国仮特許出願第６１／２３７，３５３号；に関連づけられ、その各々が引用によって本明細書に取り込まれる。
【０００３】
広範で多様な産業の科学者及び技術者が近年多様な性能を生成するのにナノメートル又はナノメートル以下の構成プロセスを生成することに焦点を当てている。例えば、材料の科学者は構成がナノスケールで制御できる場合にのみ生成できる、特異的な特性を呈示する新規の材料を生成することを所望している。化学者及び医薬品の研究者はオングストロームの部分を含む、ベクトルで規定される分子間の相互作用を制御することに強く依存する新しい反応を探している。有効な医薬品に関する成功と失敗との間の差異は多くの場合、これらと同一計量で測定できる。半導体の技術者は電磁的な非共振を超える高い制御とともに、更にコンパクトな設計を探している。バイオ燃料産業においては、触媒のナノスケールでの製造は完全に新しい分類のプロセスの生成を可能にし、多様なバイオマス資源を燃料に変換できる。これらの用途の各々は、他の大多数とともに、特異的に要求される機能：３次元アレイにおける多様な分子の官能性の配置を制御し、ナノメートル以下又はオングストローム以下のスケールで正確に位置決めする能力；に依存している。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、ポリ核酸塩基の生体高分子組織への更なる成分又は分子の結合を可能にするための方法であって、更なる化学結合を前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織内に組み込むステップを具える方法を提供する。本発明は更に、少なくとも１の更なる化学結合がアミド結合、エステル結合、又はジスルフィド結合のうちの１以上を含むような方法を具える。本発明は更に、ポリ核酸塩基の生体高分子組織が核酸を含むような方法を具える。本発明は更に、核酸がＰＮＡ（ペプチド核酸）、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）、ＬＮＡ（ロックド核酸）、ＧＮＡ（グリコール核酸）、又はＴＮＡ（トレオース核酸）のうちの少なくとも１つを含むような方法を具える。
【０００５】
本発明は更に、ポリ核酸塩基の誘導体を生成する方法であって、ワトソン・クリック塩基対結合又は主鎖結合以外の更なる化学結合を提供するステップを具える方法を提供する。本発明は更に、ポリ核酸塩基がチミン、ウラシル、シトシン、グアニン、又はアデニンのうちの少なくとも１つを含むような方法を具える。
【０００６】
本発明は更に、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いて、約１０ナノメートル未満の許容差で相互に関連づけて配置した分子配列を生成する方法を提供する。本発明は更に、触媒を生成する方法を提供し、既知の酵素変換反応を模倣するが、ｐＨ、温度、触媒作用を促進することで知られる添加剤の存在、又はその組合せに関し、同類の自然系よりも優れた特性を有する触媒を生成するために、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いるステップを具える。本発明は更に、マイクロプロセッサといった電気回路を生成する方法を提供し、現行でフォトリソグラフィ技術による縮尺製造に供されうる形状の約１／１６未満の形状を有する、３Ｄで利用可能なポリ核酸塩基のアセンブリを生成するために、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いるステップを具える。
【０００７】
本発明は「核酸−リンカー−触媒残基」といった形態の標的分子の剛性に関し：核酸はシチジン、ウリジン、アデノシン、グアノシン、及びチミジン、ならびにこの酸化、還元又はアルキル化された任意の誘導体を含み；リンカーは窒素、酸素、硫黄、炭素又はリンを含む規定長の有機的に係留する任意の構造を含み；触媒残基は、酸性、塩基性、求核性、求電子性、又はラジカル性の機構を通して、触媒作用を可能にする任意の有機的又は有機金属の成分を含む。
【０００８】
本発明は限定しないが、アミド結合、付加環化、エステル結合、及びジスルフィド結合を含むいくつかの型の共通の方法を通して「核酸−リンカー−触媒残基」を結合する方法を提供する。主要な結合はアミド結合であり、アミドの方向、及びアミドの方向に対し可撓性の変異体を有する。
【０００９】
本発明はアミド結合の生成用のペプチド化学の技術分野で既知の方法、すなわち：その構造中にカルボジイミド基、ベンゾトリアゾール基、ヒドロキシスクシンイミド基、あるいは任意の関連するカルボン酸の活性化因子を含む活性化した結合試薬の選択；溶剤、特にＤＭＦ、ＤＣＭ、水、ＴＨＦの選択；トリエチルアミン又はジイソプロピルエチルアミンと言った有機アミンの塩基の選択；を利用する。本発明は更に、アジ化物、酸塩化物、又は無水物を含むほとんど既知ではない結合方法を利用する。
【００１０】
本発明は更に、安定した３次元ナノスケール生成の構築基盤の構成を可能にする本発明者が「生体ナノ格子（ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称するものを生成する技術に関する。生体ナノ格子によって、原子スケールで測定される誤差の限度で、制御可能で予測可能な多様な分子官能基の配置を可能にする。このような構造は、無数の産業において、広範で多様な新規の製品の生成を可能にする新規のナノスケールの生成方法として供されうる。実施例としては、生体ナノ格子は固有の３次元方向にアミノ酸の側鎖の官能基を特異的に配置するのに用いられて、触媒作用を可能にし、酵素の官能性を模倣する。これらの合成酵素は生体ナノ格子上で構築され、天然酵素よりも高い活性を呈示し、良好な工業上の応力への耐性があり、燃料を生成するのに広範で多様なバイオマス型（生体廃棄物のような）の変換に適用できる。本発明は生体ナノ格子の使用可能性として、特に、ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築から治療性能、ワクチン供給、物質構成までの範囲の広範で多様な用途を意図する。
【００１１】
本発明は更に、安定した３次元ナノスケールの構築基盤に関する方法及び機構を提供し、この構築基盤、この構築基盤の生成方法、及びこの構築基盤の使用方法を含む。前述のいずれも本明細書中では「ＤＮＡ Ｉｎｔｅｒｗｅａｖｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ」、「ＤＩＤＡ」と称され、その双方がＩｎｃｉｔｏｒ ＬＬＣ社の商標である。ＤＩＤＡによって、ナノメートル未満の許容差でこれらの３次元構築基盤上に多様な分子、化合物、及び／又は物質を配置できるため、ＤＩＤＡの構築基盤に官能性を持たせて、広範で多様な作業を実行することができる。例えば、主要アミノ酸残基をＤＩＤＡに一体化し、その残基を相互に好適な３次元方向に配置することによって、ＤＩＤＡの構築基盤は酵素と同様の触媒活性を呈示することができる。ＤＩＤＡは更に複雑な化学化合物の構築を可能にし、ＤＩＤＡの構築基盤は所定の位置で関連する化合物を「維持（ｈｏｌｄ）」して、生産される収量を改善できる。他のＤＩＤＡの用途はＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築、診断性能、ワクチン供給等を含む。
【００１２】
本発明は更に、エネルギー、半導体、医薬品、化学物質、食物及び薬剤を含む多数の産業に適用可能な廉価なナノスケール生成方法を提供する。実施例としては、本発明はほとんどの任意の現存の植物に見出されるセルロースのバイオ燃料への変換に有用な酵素を提供できる。本発明は、金属化した３次元組織に硬化した合成ＤＮＡらせんを用いて、広範な範囲のナノスケール構造を開発及び製造でき、治療用分子、工業化学用の触媒、及びタンパク質ワクチンを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
添付の図面は本明細書の一部に取り込まれてそれを形成し、本発明を例示し、本記載と共に本発明を説明する。図面においては同様の要素は同様の番号が付される。
【００１４】
【図１】図１は、ペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。
【図２】図２は、ペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。
【図３】図３は、ＤＮＡで構成された３次元立方体の概略図であり、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合している（往々にして、「Ｃｈｕｎ／Ｓｅｅｍａｎ ＤＮＡ Ｃｕｂｅ」と称される）。
【図４】図４は、線維束状のストランドの組み込みによって所望の方向に形成される骨格ストランドの概念の概略図である。
【図５】図５Ａ（等角投影図）及び５Ｂ（正面図及び側面図）は、実施例の構造の概略的な例示であり、最初に発明者によって開発され、酵素様触媒のための塩基として用いることができる。
【図６】図６は、実施例のチミジン類似体の単量体の概略図であり、３の異なる側鎖型式を有する。
【図７】図７は、構造の実施例の全体図であり、酵素様触媒のための塩基として用いられる。
【図８】図８は、サンプルのセリン類似体のＰＮＡ前駆体の概略図である。
【図９】図９は、最終的な実施例のＰＮＡ単量体の概略図である。
【図１０】図１０は、ＤＮＡとＰＮＡとの間の相違性と類似性の概略図である。
【図１１】図１１は、原子間力顕微鏡のＤＮＡ組織の画像である。
【図１２】図１２は、折り畳まれたＤＮＡ／ＰＮＡ組織の概略図である。
【図１３】図１３は、ＤＮＡ／ＰＮＡ組織の金属化の概略図である。
【図１４】図１４は、本発明のある実施形態による実施例のエタノール生成プロセスの概略的な例示である。
【図１５】図１５は、本発明のある実施形態による改良した酵素でのセルロース性エタノールの生成の概略的な例示である。
【図１６】図１６は、本発明のある実施形態による改良した酵素でのコーンエタノール生成の概略的な例示である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１はペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。図１に示すような機構１においては、標的化合物１は標準的なペプチド結合状態（ＨＯＢｔ、ＥＤＣＩ、ＤＩＰＥＡ）を経て符号２及び３から生成できる。機構１における実験は明らかに困難であったが、注意深いクロマトグラフ法と反応条件を経てその解決がなされた。代替的な保護基の処置はこれらの問題を軽減することを示した。代替的なアプローチは以下の文章及び図面に示す。
【００１６】
図２はペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。青色のアミドを転化することによって、符号４に示すように、符号１に示すようなイミダゾールとチミジンとの間で同じ距離が維持できる。異性体化合物５も更に可能であり、その合成におけるレトロンとして天然物のヒスタミン１０を有するという利点があり、イミダゾール酢酸２より実質的に廉価である。符号４及び５は符号１を生成するのに現行で用いられている同一で共通の中間体のアミンを利用するが、これは無水物７又は９と反応しうる。このことで各々がカルボン酸を生成し（図示せず）、次いで５−（メチルアミノ）−イミダゾール８又はヒスタミン１０と反応しうる。このアプローチは更に保護基を必要としない。
【００１７】
［生体ナノ格子］
生体ナノ格子の構築は５のステップで記載できる。
・架橋結合された、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）といった生体高分子のストランドで構成された３次元構造（本明細書中では「生体ナノ格子（ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称される）を生成するステップ
・化学結合可能な官能基を呈示する共有結合された側鎖を含む、ＤＮＡ又はペプチド核酸（ＰＮＡ）といった生体高分子の複合型単量体（本明細書中では「単量体スタッド（ｍｏｎｏｍｅｒ ｓｔｕｄ）」と称される）を生成するステップ
・合成されるか、あるいは商業上取得され、ナノスケールで間隔、方向、静電特性、立体科学的な運動制御の範囲を提供する化学的なリンカーを、単量体スタッドの側鎖に結合する（本明細書中では「リンカー（ｌｉｎｋｅｒ）」と称される）ステップ
・酸、塩基、求電子剤、求核剤、又は単一の電子受容体若しくはドナーとして作用する対象の触媒活性の官能基を各々のリンカーに共有結合するステップ。非触媒活性の官能基は更に水素結合、πスタッキング、又は他の非結合性相互作用を支持するか、あるいは支持しないように用いてもよい。
・結合した対象のリンカー及び触媒分子を含んだ各々の単量体スタッドを生体ナノ格子に組み込む（本明細書中では「装填型の生体ナノ格子（ｌｏａｄｅｄ ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称される）ステップ
【００１８】
本記載のために、酵素と類似する機能を呈示する触媒を構成するサンプル処理が用いられる。更に、用語「分子（ｍｏｌｅｃｕｌｅ）」は一般的な意味での分子、化合物又は他の物質を参照するように用いられる。しかしながら、この酵素処理は生体ナノ格子の広範な適用性の実施例にすぎない。
【００１９】
［生体ナノ格子の生成］
生体ナノ格子の構成は、ＤＮＡといった特定の生体高分子の天然特性に基づいており、生体高分子は各々のらせん体内の核酸塩基のワトソン・クリック塩基対によって説明される最低エネルギーの熱力学的な考察に基づいて二重らせん（又は他の多重らせん）を形成する。この塩基対の特性は異なるらせん領域（単一の二重らせん又は多重らせんのストランドを意味する）間の接合部及び架橋結合を生成するのに利用して、複雑な幾何学的設計を形成する。多数の接合型が発見されており、ホリデイ接合部（４の単鎖ＤＮＡ配列が正方形の架橋結合を形成する）のように、異なる数のＤＮＡの単鎖が予測可能な方法で結合することが可能であり、３次元構造設計のための構成ブロックを形成する（通常「組織化する（ｗｅａｖｉｎｇ）」と称される）。図３は実施例として、ＤＮＡで構成された３次元立方体を示し、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合して、「Ｃｈｅｎ／Ｓｅｅｍａｎ ＤＮＡ Ｃｕｂｅ」と称される構造を形成する（Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ ＤＮＡ ｏｆ ａ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａ Ｃｕｂｅ，Ｎａｔｕｒｅ ３５０，６３１−６３３（１９９１））。
【００２０】
ＤＮＡ折り紙と称される生体高分子組織の修飾の概念は、カリフォルニア工科大学のＰａｕｌ Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄによって一般化された（Ｐ．Ｗ．Ｋ．Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄ，Ｆｏｌｄｉｎｇ ＤＮＡ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ，Ｎａｔｕｒｅ，４４０，２９７−３０２（２００６））。ＤＮＡ折り紙は生体高分子の組織化の基本概念に従うが、二重らせん内の２のらせんのうちの１つが対応する合成由来の「線維束状のストランド（ｓｔａｐｌｅ ｓｔｒａｎｄ）」によって、多様な形状に「折り畳まれる（ｆｏｌｄｅｄ）」単一の長いＤＮＡの単鎖（「骨格ストランド（ｓｃａｆｆｏｌｄ ｓｔｒａｎｄ）」と称される）であるとの概念を組み込んでいる。図４は、線維束状のストランドの組み込みによって所望の方向に形成される骨格ストランドの概念を示す。
【００２１】
図４における黒色のストランドは、７又は８の塩基対配列にわたって反復されないヌクレオチド配列からなる単一の長い骨格ストランドである。青色及び赤色のストランドは線維束状のストランドである。固有の塩基対配列のために、線維束状のストランドは、骨格ストランドを採択された所望の形状に強制する。この概念は３次元に拡張され、対費用効果の高い、複雑な３次元構造を構成できる。しかしながら、３次元の生体高分子組織の単体はわずかな有用性しかないため、これまでは生産規模では商業上の用途にあまり適用されなかった。
【００２２】
本発明は３次元のＤＮＡ組織及びＤＮＡ折り紙の概念上に構築され、それらに官能性を持たせて多様な対象の分子を構造内の多様な位置に結合する性能が付加される。発明者によって最初に開発された、酵素様触媒のための塩基として用いるためのこのような構造の一実施例は、図５Ａ及び５Ｂに示される。
【００２３】
図５Ａ及び５Ｂに例示されたＤＮＡ設計は、単鎖で雄性特異的な糸状のＤＮＡバクテリオファージＭ１３によるＭ１３ｍｐ１８ウイルスゲノム由来の立体構造的なＤＮＡ鎖を含み、立体構造のストランドを所望の構成に結合する多数の合成された２００塩基長の線維束状のストランドを有する。その設計は、立体構造のストランド及び線維束状のストランドが溶液中に置かれたときに、その構造は平衡熱力学の結果として採用されるように最適化される。図５Ａ及び５Ｂによる構造の実施例は２の重要な特性：剛性及び予測性；を組み込む。二重壁型の設計は形状が広範な周囲条件の範囲内で静的状態を維持するのを保証する。ＤＮＡ配列が既知である場合に構造は予測可能であり、３次元構造内の任意の配列位置は総ての３軸上でナノメートル単位で既知である。構造は、正面図で５０ナノメートル未満の幅及び３０ｎｍの奥行きであり、側面図で４０ｎｍの長さである。
【００２４】
リンカー及び生体模倣型の官能基でその設計の内部を支持することによって、本発明は酵素活性部位の触媒性能を模倣可能であると予測する。更なる生体ナノ格子の構築基盤設計を生成するか、あるいはサンプル設計上の分子の型又は位置を変更することによって、限定しないが広範で多様な酵素模倣性、診断液、医薬品、電磁材料、又は他の新規の用途を含む、異なる機能が得られうる。その概念は生体高分子としてのＤＮＡを必要としないが、ＤＮＡは現行では比較的廉価であるため、一般的な可能性の実施例として用いられる。
【００２５】
［単量体スタッドの生成］
生体ナノ格子の構築基盤は、組織化された生体高分子に基づくものであり、ナノ単位で正確な所望の分子の３次元配置を可能にするのに必要な予測性及び安定性を提供する。構造の性質が予測可能である場合、正確なアミノ酸の側鎖の官能基の位置はコンピュータによる設計及び分子モデリングによって大きく補助されうる。しかしながら更なる性能が要求されうる。対象の分子を生体ナノ格子に結合し、これによって所望の機能を得るために、元の生体高分子構造は側鎖を含む単量体の外側に構成して、対象の官能基を結合するための位置を提供しうるか、あるいは生体高分子構造の一部が側鎖の官能基を含む単量体と置換されうる。必要な側鎖を含むＰＮＡ類似体を用いることは選択的である。しかしながら、ＰＮＡ鎖を合成することは一般的にはＤＮＡといった代替物よりも高価である。
【００２６】
代替例は合成するのが廉価なＤＮＡといった生体高分子の外側に生体ナノ格子を構成し、次いでＤＮＡの一部を短いＰＮＡ鎖で置換することである。それでも、より小さいものであるにも拘わらず、ＰＮＡ合成の要求による費用の懸念がまだ存在する。更に、ＰＮＡのらせん構造は天然で１回転につき１５の塩基対で形成される一方、ＤＮＡは天然で１回転につき１０．５の塩基対で形成される。この差異は生体ナノ格子構造の全体に応力をかけ、その一体性を低減する可能性がある。本発明者はセリンによってＰＮＡ単量体を生成して、側鎖を提供することを調査し、本発明者はＤＮＡのヌクレオチド誘導体を生成し、必要な側鎖をチミジンに付加した。これによって１回転に対する塩基対の問題を解消し、活性化した生体ナノ格子の費用を強力に劇的に低くすることができる。
【００２７】
このアプローチは線維束状のストランド内の選択したチミジンのヌクレオチドを、設計した合成チミジン誘導体で置換する。このことによって、任意のチミジンの位置がスタッド型の単量体として作用でき、リンカー及び対象の分子が結合できる。合成酵素の実施例の場合においては、対象の分子はアミノ酸又は金属イオンにできる。
【００２８】
図６は、実施例のチミジン類似体の単量体の概略図であり、３の異なる側鎖型式を有する。黒色の各々の分子区画は核となるチミジン成分を示す。青色の区画は必要なリンカーの型によって変化しうる。緑色の成分は新規の側鎖の官能基を示し、チミジン類似体で構成され、次いで所望される触媒活性の官能基を含む所望の分子成分に結合される。生体ナノ格子内の各々のチミジンの位置が既知の場合、リンカーのパラメータ（長さ、可撓性等）を変えることによって、所望の官能基は生体ナノ格子の構造に関連する３次元空間における特定の位置に配置される。対象の官能基は生体ナノ格子への挿入前に、あるいは後に側鎖に付加できる。前である場合、スタッド型の単量体は分子及びリンカーが結合されて、ＤＮＡの単鎖で合成して、生体ナノ格子内の配置においては選択的に提供できる。代替的に、異なる保護基はスタッド型の単量体（チミジン）の側鎖に適用されて、生体ナノ格子への挿入後の脱保護と分子の側鎖への合成を可能にする。意すれの場合においても、その技術は：
１）多様な官能基が結合する生体ナノ格子内の位置；
２）位置の予測性；
３）位置の選択性；
を提供する。
【００２９】
ＰＮＡ又はチミジン類似体のいずれのアプローチも、単量体の側鎖を有する他の生体高分子にとともにこの結果を実現できるか、あるいは単量体の側鎖を有するように誘導体化できるかである。ＤＮＡを用いる場合、側鎖を付加するアプローチはチミジンに限定されるのではなく、必要に応じてアデノシン（又はデオキシアデノシン）、グアノシン（又はデオキシグアノシン）、シチジン（又はデオキシシチジン）、あるいはウリジン（デオキシウリジン）に適用できる。上述のチミジンの記載は単なる実施例として用いられる。
【００３０】
次いで、予測可能な生体ナノ格子内の分子の配置が生じうる位置を生成する概念は３通りで記載できる：
１）側鎖を含む修飾型の生体高分子の単量体（スタッド型の単量体）を生成する；
２）化学的なリンカー及び対象の分子を側鎖に結合する；
３）生体ナノ格子の線維束状のストランド（又は、一部の場合における立体構造のストランド）の区画をスタッド型の単量体で置換する
【００３１】
スタッド型の単量体はＰＮＡ、ＤＮＡ、又は他の生体高分子上で合成された変異体にできる。生体ナノ格子内のスタッド型の単量体の配置の選択は、合成中のスタッド型の単量体の線維束状のストランドへの挿入を介して実現できる。コード化された線維束状のストランドのの配列の固有性によって、スタッド型の単量体が生体ナノ格子に予測可能に配置されることが保証される。位置決めの詳細はコンピュータによる分子設計プログラムを用いて容易に補助されうる。各々のスタッド型の単量体に結合した分子の選択性は、線維束状のストランドの合成前に分子をスタッド型の単量体に結合するか、あるいは問題となっているスタッド型の単量体のために固有の保護型を生成するかのいずれかによって実現できる。
【００３２】
ＤＮＡ架橋結合型構造内でＤＮＡをＰＮＡと置換する概念は、ＮＹＵのＮｅｄ Ｓｅｅｍａｎ博士によって成功裏に調査され、このアプローチの可能性を強調している。Ｐ．Ｓ．Ｌｕｋｅｍａｎ，Ａ．Ｍｉｔｔａｌ，＆ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＰＮＡ／ＤＮＡ Ａｒｒａｙｓ：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｕｓｕａｌ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１６９４−１６９５（２００４）。多数の官能基が由来のヌクレオチドのバージョンを生成した。Ｕ．Ａｓｓｅｌｉｎｅ，Ｖ．Ｒｏａｇ，Ｏｌｉｇｏ−２’−ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｕｒａｃｉｌ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ａｔ ｔｈｅ ５−ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｉｎｋｅｒｓ ｅｎｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ ｇｒｏｕｐｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１２５，４４１６−４４１７（２００３）。
【００３３】
［組合せ化学の開発］
塩分、ｐＨ、及び／又は温度における極端例といった周囲の応力により耐性のある構造に由来する商業上の生成物の利益とは別に、連続的な所望の機能の改善に関連する特定の利益が出現する。活性化した生体ナノ格子によって、３次元空間内の各々の分子の配置で特定の制御を可能にすることで、研究者が新しい機能をより迅速に生成することができる。合成酵素の実施例を用いた場合、研究者は定方向の、あるいは無作為化した塩基上で、生体ナノ格子内のアミノ酸の３Ｄ方向、選択又は他の特性を容易に変更して、改良した触媒特性を呈示できる新規の酵素を生成できる。更には、生体ナノ格子は微生物で産生される選択で必要な天然のアミノ酸に限定されないため、新規の合成酵素、金属イオン、又は他の触媒性の転写促進因子は最初に、商業上実行可能な酵素に組み込むことができる。
【００３４】
［３次元ナノスケールの構築基盤］
本発明は更に、安定した３次元ナノスケールの構築基盤に関する方法及び機構を提供し、この構築基盤、この構築基盤の生成方法、及びこの構築基盤の使用方法を含む。前述のいずれも本明細書中では「ＤＮＡ Ｉｎｔｅｒｗｅａｖｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ」、「ＤＩＤＡ」と称され、その双方がＩｎｃｉｔｏｒ ＬＬＣ社の商標である。ＤＩＤＡによって、ナノメートル未満の許容差でこれらの３次元構築基盤上に多様な分子、化合物、及び／又は物質を配置できるため、ＤＩＤＡの構築基盤に官能性を持たせて、広範で多様な作業を実行することができる。例えば、主要アミノ酸残基をＤＩＤＡに一体化し、その残基を相互に好適な３次元方向に配置することによって、ＤＩＤＡの構築基盤は酵素と同様の触媒活性を呈示することができる。ＤＩＤＡは更に複雑な化学化合物の構築を可能にし、ＤＩＤＡの構築基盤は所定の位置で関連する化合物を「保持（ｈｏｌｄ）」して、生産される収量を改善できる。他のＤＩＤＡの用途はＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築、診断性能、ワクチン供給等を含む。
【００３５】
ＤＩＤＡアレイの構築ステップは３のステップを含む：
・架橋結合されたＤＮＡ鎖で構成され３次元構造を生成するステップ；
・化学的なリンカーに結合され、次いで多様な対象の分子、化合物、又は物質に結合されるペプチド核酸（ＰＮＡ）の単量体を生成するステップ；
・ＰＮＡ鎖を３Ｄに組織化されたＤＮＡ構造に組み込むステップ
【００３６】
本記載のために、酵素のものと類似する機能を呈示する触媒を構成するサンプル処理が用いられる。更に、用語「分子」は一般的な意味での分子、化合物又は他の物質を参照するように用いられる。しかしながら、この酵素処理はＤＩＤＡの広範な適用性の実施例にすぎず、本明細書中に記載の１以上の本発明は、記載の方法、記載の構築基盤、この構築基盤の使用、及び当該技術分野の当業者が本開示を読むことで理解する前述の任意のものに対する総ての部分集合、変形物、及び外延を含む。
【００３７】
［３ＤのＤＮＡ構造の生成］
ＤＩＤＡ技術はＤＮＡの天然特性を用いており、特定のＤＮＡ配列は天然に接合部及び架橋結合を呈示して、複雑な幾何学的設計を形成する。多数の接合型が発見されており、ホリデイ接合部（４の単鎖ＤＮＡ配列が正方形の架橋結合を形成する）のように、異なる数のＤＮＡの単鎖が予測可能な方法で結合することが可能であり、３次元構造設計のための構成ブロックを形成する。図３は実施例として、ＤＮＡで構成された３次元立方体を示し、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合している。
【００３８】
ＤＮＡから３次元構造を生成するための技術は既存であるが、今日まで商業上の用途にあまり適用されなかった。ＤＩＤＡは３次元のＤＮＡ組織又はＤＮＡ折り紙の一般概念を用いて、それらを多様な官能性のための骨格として作用しうる構造の生成に適用する。酵素様触媒のための塩基として用いるべきこのような構造の一実施例は図７の全体図に示されている。
【００３９】
図７のＤＮＡ設計は、単鎖で雄性特異的な糸状のＤＮＡバクテリオファージＭ１３によるＭ１３ｍｐ１８ウイルスゲノム由来の立体構造的なＤＮＡ鎖を含み、立体構造のストランドを所望の構成に結合する多数の合成された２００塩基長の「線維束状のストランド」を有する。その設計は、立体構造のストランド及び線維束状のストランドが溶液中に置かれたときに、その構造は天然に形成される。図２による構造の実施例は２の重要な特性：剛性及び予測性；を組み込む。二重壁型の設計は形状が広範な周囲条件の範囲内で静的状態を維持するのを保証する。ＤＮＡ配列が既知である場合に構造は予測可能であり、３次元構造内の任意の配列位置は総ての３軸上でナノメートル単位で既知である。構造は、正面図で５０ナノメートル未満の幅及び３０ｎｍの奥行きであり、頂面図で４０ｎｍの長さである。
【００４０】
アミノ酸及び化学的なリンカーでその設計の内部を「支持（ｓｔｕｄ）」することによって、その構造は酵素活性部位の官能性を模倣して用いることができる。更なるＤＩＤＡの構築基盤設計によって、あるいはサンプル設計上の「支持」された分子の型又は位置を変更することによって、広範で多様な酵素模倣性、診断液、医薬品、又は他の新規の用途を含む、異なる機能を提供できる。
【００４１】
［ＰＮＡ単量体の生成］
ＤＩＤＡの構築基盤内でのＤＮＡの使用は、ナノ単位で正確な所望の分子の３次元配置を可能にするのに所望される予測性及び安定性を提供する。しかしながら実際には、これらの対象の分子を結合するステップはＤＮＡ配列の一部の修飾を要求する。実施例は特化されたＤＮＡ単量体を修飾された主鎖で生成して、化学反応のための「自由な（ｆｒｅｅ）」結合開口部を提供するステップか、あるいは特に、特定のＤＮＡ配列の代わりにペプチド核酸の特化した単量体を導入するステップを含む。
【００４２】
ＰＮＡはＤＮＡの官能基を模倣し、更に広範なｐＨにわたる大きな安定性を有し、更には配列特異的な結合剤である。有用性は病気に関連する遺伝子の修飾で発見され、グリシンによるＰＮＡが通常の使途である。本文書の実施例にあるような触媒設計の場合においては、化学的な安定性が所望されるが、アミノ酸の側鎖から得られるＰＮＡの一部は主要な分子特性において決定的役割を採用している。
【００４３】
ＤＩＤＡは更なるヒドロキシル基を含む２の保護された側鎖を有する特化したセリン類似体のＰＮＡ前駆体を構成するのに用いることができる（故に類似体としてのセリンの使用）。更なるヒドロキシル基は分子が単量体に結合するのを可能にし、単量体は「標準的（ｓｔａｎｄａｒｄ）」な側鎖を用いてＤＩＤＡの構築基盤内の特異的な位置に配置される。サンプルの単量体の前駆体は図８に示される。
【００４４】
３の側鎖を有する特化したＰＮＡ単量体を生成することによって、ＤＮＡ／ＰＮＡ組織自体と必ずしも関連しない分子に結合されうる、ＤＩＤＡの構築基盤内の予測可能な位置を提供する。例えば、保護されないヒドロキシルの側鎖は長さ、角度、可撓性及び他の特性を変更する化学的なリンカーに結合できる。これらの化学的なリンカーは次いで対象の分子に結合しうる。リンカーは間隔及び方向を提供して、対象の分子が所望の方法で反応し、必要に応じて相互に空間的定位を維持することを保証できる。酵素模倣性の実施例においては、分子は所定の酵素活性部位内のアミノ酸と等価なアミノ酸にできる。リンカーは相互にアミノ酸の３次元方向を好適に維持すべくステロイド性にでき、代替的な合成酵素設計に固有の「折り畳み（ｆｏｌｄｉｎｇ）」の問題を解決する。改良した酵素はリンカー、リンカーに結合されるアミノ酸、あるいは核となる構築基盤上のヒドロキシル基の位置を変更することによって生成できる。
【００４５】
引き続きの合成酵素の構成の実施例においては、リンカー及び触媒残基は遊離ヒドロキシルに結合されるとすぐに、前駆体は保護されずに、図９に示すような最終的なＰＮＡ単量体を形成できる。これらの単量体はＰＮＡの単鎖に合成され、その一部の単量体は更に従来のグリシン類似体のＰＮＡになり、その一部は対象の分子が事前結合された上述のセリン類似体のＰＮＡになりうる。
【００４６】
従って、ＤＩＤＡは位置の生成を可能にし、ＤＩＤＡ構造内の予測可能な分子の配置が３ステップで生じうる：
１）更なる側鎖を含む、修飾型の核酸の単量体を生成する；
２）化学的なリンカー及び対象の分子を側鎖に結合する；
３）ＤＩＤＡ構造の線維束状のストランド（又は、一部の場合における立体構造のストランド）の区画を対象の分子が結合した修飾型の単量体を含む単鎖ＰＮＡで置換する。ＤＩＤＡの構築基盤内のＰＮＡ単量体の位置は化学的なリンカーの特性を有し、３次元空間内の対象の分子の配置を規定する。
【００４７】
ＤＮＡ架橋結合型構造内のＤＮＡをＰＮＡで置換する概念はＮＹＵのＮｅｄ Ｓｅｅｍａｎ博士によって成功裏に調査された。
【００４８】
［ＰＮＡのＤＩＤＡの構築基盤への組み込み］
最初のＤＩＤＡの構築基盤のＤＮＡ設計は、長さが１８ないし２０塩基長のＰＮＡ鎖で置換されるように計画された位置を組み込む。官能性を有するＤＩＤＡ構造全体を完成するために、ＰＮＡ単量体は対象の分子（合成酵素の実施例においては、これらの分子はアミノ酸にできる）に結合されるとすぐに、グリシン又は他の類似体のＰＮＡ単量体を有する単量体からなるＰＮＡ鎖は、業界標準の方法を用いて合成できる。これらのＰＮＡ鎖はＤＮＡの線維束状及び立体構造のストランドを有する溶液中に配置できる。設計の性質はストランドが所望の構成に天然に自己形成されることである。官能性のあるＤＩＤＡ構造が構築された。
【００４９】
［組合せ化学の開発］
塩分、ｐＨ、及び／又は温度における極端例といった周囲の応力により耐性のある構造に由来する商業上の生成物の利益とは別に、連続的な所望の機能の改善に関連する特定の利益がＤＩＤＡによって可能になる。ＤＩＤＡによって、３次元空間内の各々の分子の配置で特定の制御を可能にすることで、研究者が新しい機能をより迅速に生成することができる。合成酵素の実施例を用いた場合、研究者は定方向の、あるいは無作為化した塩基上で、ＤＩＤＡ構造内のアミノ酸の３Ｄ方向、選択又は他の特性を容易に変更して、改良した触媒特性を呈示できる新規の酵素を生成できる。更には、ＤＩＤＡは微生物で産生される選択で必要な天然のアミノ酸に限定されないため、新規の合成酵素、金属イオン、又は他の触媒性の転写促進因子は最初に、商業上実行可能な酵素に組み込むことができる。ＤＩＤＡは広範で多様な産業に影響を与えうるナノスケールでの調査、開発、及び大量生産の方法を提供する。
【００５０】
以下の文献：Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ ＤＮＡ ｏｆ ａ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａ Ｃｕｂｅ，Ｎａｔｕｒｅ ３５０，６３１−６３３（１９９１）；Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄ，Ｐ．Ｗ．Ｋ．，Ｆｏｌｄｉｎｇ ＤＮＡ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ，Ｎａｔｕｒｅ，４４０，２９７−３０２（２００６）；Ｎｉｅｌｓｅｎ，Ｐ．Ｅ．；Ｈａａｉｍａ，Ｇ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ（ＰＮＡ）．Ａ ＤＮＡ ｍｉｍｉｃ ｗｉｔｈ ａ ｐｓｅｕｄｏｐｅｐｔｉｄｅ ｂａｃｋｂｏｎｅ，Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．，２６，７３−７８（１９９７）；Ｖｅｎｋａｔｅｓａｎ，Ｎ．；Ｋｉｍ，Ｂ．Ｈ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｅｓ ｏｆ ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ：Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．，１０６，３７１２−３７６１（２００６）；Ｐｏｒｃｈｅｄｄｕ，Ａ．；Ｇｉａｃｏｍｅｌｌｉ，Ｇ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ（ＰＮＡｓ），Ａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ，Ｃｕｒｒ．Ｍｅｄ．Ｃｈｅｍ．，１２，２５６１−２５９９ ２００５）；Ｐ．Ｓ．Ｌｕｋｅｍａｎ，Ａ．Ｍｉｔｔａｌ，＆ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＰＮＡ／ＤＮＡ Ａｒｒａｙｓ：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｕｓｕａｌ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００４，１６９４−１６９５（２００４）；は各々が引用によって本明細書中に組み込まれ、前述の記載の理解を容易にしよう。
【００５１】
［ＤＮＡ組織でのナノスケール生成］
本発明は更に、エネルギー、半導体、医薬品、化学物質、食物及び薬剤を含む多数の産業に適用可能な廉価なナノスケール生成方法を提供する。実施例としては、本発明はほとんどの任意の現存の植物に見出されるセルロースのバイオ燃料への変換に有用な酵素を提供できる。本発明は、金属化した３次元組織に硬化した合成ＤＮＡらせんを用いて、広範な範囲のナノスケール構造を開発及び製造でき、治療用分子、工業化学用の触媒、及びタンパク質ワクチンを含んでいる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態においては、酵素の構築ブロックであるアミノ酸は組織化されたＤＮＡ構造内の特異的な位置に結合される。これらの組織は３次元形態に影響を与えるように化学修飾され、次いでＤＮＡに結合する金属イオンの適用で硬化される。金属化したＤＮＡ組織はその形状を保持し、特異的な３次元方向にアミノ酸を保持して、酵素の触媒構造を模倣する。生成時に、１兆の酵素が数時間で本方法を用いて同時に生成されうる。無作為な又は定方向のアミノ酸の変異体は組織に付加できる。
【００５３】
酵素を合成的に構築することで提供される生成費用及び良好な活性の双方における可能性に利益があるため、多くの主体は合成酵素を生成するために異なる方法で実験してきた。誰も以下の３の原理的な難題のために（いくつかの特異的な小さな酵素は生成されてきたものの）高レベルの触媒活性を呈示する合成酵素を生成するための一般的な技術を提供できなかった：
・配列構造：酵素は特異的な配列内に最大数千のアミノ酸を含む。アミノ酸を結合する現行の合成方法（Ｍｅｒｒｙｆｉｅｌｄのペプチド合成）は配列において、１００のアミノ酸を超える商業上の量を生成できない。
・折り畳み：触媒活性を呈示するため、アミノ酸配列は「折り畳む（ｆｏｌｄ）」か、３次元方向に配置しなければならない。誰もこれまで必要な長さのアミノ酸配列の折り畳みを制御できなかった。
・運動：アミノ酸配列が折り畳まれた場合でさえも、方向は触媒反応の間に変化する。誰もこれまで折り畳みの難題を解決できなかったため、合成アミノ酸でこれを研究できなかった。
【００５４】
本発明はこれらの３の問題を核となる問題に単純化して、生化学的技術の代わりにナノ技術の物理的技術を用いることによって、これらの問題を解決できる。本発明は所定の酵素でアミノ酸のほとんどを除去でき、触媒に含まれるそのアミノ酸活性のみで濃縮され、長い配列を構築する必要性を除去する。本発明は、ＤＮＡ及びＰＮＡ（ペプチド核酸）の硬化した組織を用いて３次元空間でこれらのアミノ酸の配置をナノメートル内で制御し、折り畳みの困難性を解決する。その技術はこれらの特異的なアミノ酸が予測可能な経路で運動するのを可能にし、運動の要求を解決する。
【００５５】
本発明は例えばエタノール市場で新規の酵素を生成及び産生するのに用いられうる。本発明は更に、正確な分子配置を要求するナノスケールレベルで多くの３次元構造を生成するのに用いることができ、治療用の生体分子、工業化学用の触媒、微小の電子部品を含み、現行のプロセスよりも有効である。
【００５６】
本発明はエタノール市場に以下の主要な利益を提供する：
・現行で利用可能な製品よりも数桁効果的な、有効性の高い酵素の迅速な開発を可能にする
・エタノール生成プロセスにおける多様な段階で酵素を導入するのを可能にし、生産効率を改善し、費用を低減する。
【００５７】
本発明はいくつかの基本的な生物学的法則を利用する：
・酵素はアミノ酸の高分子（ポリペプチド）及び他の分子からなる
・アミノ酸はペプチド核酸又はＰＮＡに結合できる
・ＰＮＡはＤＮＡに結合できる
・特異的なＤＮＡ配列は天然にナノスケールで組織化された構造を形成する
・酵素性能を呈示するために、酵素高分子は特異的な３次元方向に「折り畳む」必要がある
【００５８】
本発明はこれらの生物学的法則を利用する。このプロセスはペプチド核酸（ＰＮＡ）配列の生成で開始する。ＰＮＡはＤＮＡと同一のヌクレオチドからなる点でＤＮＡと関連づけられるが、ＤＮＡ内に存在するデオキシリボース（糖）の主鎖の代わりにペプチド（アミノ酸）の主鎖を有する。図１０はＤＮＡとＰＮＡとの間の相違性（及び類似性）を示す。
【００５９】
本発明の実施形態は図面で示されうるように、分子がＰＮＡの量側に結合できるため、ＰＮＡを用いることができる。一方の側はヌクレオチド塩基を含み、ＤＮＡ又は他のＰＮＡ分子に結合する。他方は多様な物質に化学結合でき、天然又は合成のアミノ酸、金属、又は他の有機又は無機化合物を含む。この固有の性能によって、本発明で触媒的に重要な分子を含むＰＮＡ配列を設計して、ＰＮＡ配列に沿ったこれらの分子配置を正確に制御するのに用いることが可能になる。
【００６０】
触媒分子が結合したＰＮＡを構築するとすぐに、二本鎖ＤＮＡの組織を構成できる。ＰＮＡは組織内に埋込むことができ、ＤＮＡ配列の一部を置換する。ＰＮＡのヌクレオチド配列を制御することによって、ＰＮＡ配列は組織内の２次元空間内に正確に配置できる。対象の分子は既知の構成でＰＮＡに結合するため、分子は更に２次元空間内に正確に配置される。図１１は原子間力顕微鏡のＤＮＡ組織の画像を示す。例えば引用によって本明細書中に組み込まれる、２００８年９月１３日に訪問した、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ．ｄｕｋｅ．ｅｄｕ／〜ｒｅｉｆ／ｐａｐｅｒ／ＳＥＬＦＡＳＳＥＭＢＬＥ／ＤＮＡｌａｔｔｉｃｅ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ．ｐｐｔ参照。
【００６１】
３次元配置を集めるために、互いに引き合う化合物を含むＰＮＡは、組織の外縁に配置でき、全体的な構造を半円筒状に折り畳む。図１２はこの概念を示す。
【００６２】
最終的な生成ステップは溶液中の金属イオンを組織に付加するステップを含み、それを持続的に半円筒状に硬化する。ＤＮＡの主鎖ならびにヌクレオチドは正味に負に帯電するため、アルミニウムイオンのような正に帯電した金属イオンと引き合い結合する。金属イオンはＤＮＡ格子を取り囲んで、剛性を付与する。図１３はそのプロセスを示す。引用によって本明細書中に組み込まれる、２００８年９月１３日に訪問した、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｎｏ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈ−ｃｏｒｅ−ｈｔｂｗ．ａｓｐ＃参照。
【００６３】
図１３の上部は標準的なＤＮＡの二本鎖を示す。図１３の中間部はＤＮＡ鎖の異なる成分の負電荷に引きつけられる金属イオンを示す。図１３の下部は更なる金属が初期の金属イオンにどのように化学結合するかを示し、剛性の金属化した覆いで元のＤＮＡ鎖を覆っている。
【００６４】
本発明によるプロセスの実施形態は、生物学的プロセスと比べると、化学的／物理学的方法にできる。本発明で考慮されるような３次元組織は所定の３Ｄ構造を提供するためだけに存在する生物学的に生成された酵素を除外しうるが、好適な３Ｄ構造を提供する。本発明で用いたアミノ酸は、アミノ酸の運動性能を制御する化学的な化合物で、組織の正確な位置に自動的に結合できるため、本発明によって生成される構造は、酵素が必要なことを明らかにする。本プロセスは従来の方法よりも迅速で、かつ対費用効果を大きくできる。
【００６５】
酵素を生成するために、迅速で、かつ対費用効果の高い方法を提供するのに加えて、本発明による非生物的な金属化プロセスは高い温度及び圧力、ならびに広範で極端なｐＨ、塩、及びせん断応力に耐性があり、産業上のプロセスを特徴づける酵素を固有に生成できる。
【００６６】
この生成方法の利益は広範である。本発明によって生成される酵素は：
・アミノ酸が物理的な金属化構成に持続的に固定されるため、一体性の損失なく触媒で多数回用いることができ；
・酵素を生成するのに細菌又は真菌を維持する必要性を排除し；
・わずかな時間でより活性のある酵素を生成し；
・工業上の応力に対し耐性のある酵素を生成し；
・任意の既知の酵素を生成及び改良でき、燃料生成に関連性のあるものに限定せず；
・現行のプロセス下で酵素を生成するのに必要なエネルギーコストを低減する
【００６７】
遺伝子配列を組織内で制御する性能は更に、他の処理産業に到達する広範な調査及び開発の利益を提供する。単一プロセスにおける数百万の同一の酵素を生成する場合を除き、本発明は更に数百万の異なる酵素を同時に生成可能である。従って、本発明は新規で更に有効な酵素を生成するのに用いられうる。既知の酵素のアミノ酸のＰＮＡ結合に微量の無作為な変化を導入することによって、既知の酵素の数百万の軽微な変異体を自動的に生成できる。これらの新規の変異体の多くは所定の作業での元の酵素よりも更に有効である。変異体は業界標準の自動試験及び品質保証プロセスを通してより有効な酵素を同定でき、生成に移ることができる。新規の酵素のための開発プロセス全体は３ないし６月の期間で実現でき、酵素の複雑性に依存する。
【００６８】
［エタノール生成の実施例］
図１４は、本発明のある実施形態による実施例のエタノール生成プロセスの概略的な例示である。本発明で生成される酵素を用いることによって、図１５に例示するような生成プロセスにいくつかの改良が可能となる。セルロースの加水分解の時間を低減することによって、加水分解ステップで必要な作業の数を低減し、主要な基盤の費用を劇的に低減する。リグニン除去のための酵素を用いることによって、更に主要なコストを低減し、特別なフィルタ又は管を必要としなくなる。酵素による発行プロセスに変更することによって、エネルギー、酵母、及び化学物質の運用経費を低減する。セルロースのエタノール生成酵素を改良することによって、更にコーンエタノール市場の現行の生産者に新規の機会を開放する。現行のコーンエタノールの生産者は、追加の供給材料として例えばトウモロコシ茎葉を用いて、セルロース生成の流れを強力に付加できる。このようなプロセスは図１６に例示され、更なる主要な最小経費で実現できる。
【００６９】
本発明の実施形態は更に、例としてワクチン又は薬剤送達の領域で用いることができる。ペプチドワクチンはＤＮＡ組織内のＰＮＡ分子に結合され、組織は構造の外側にペプチドを呈示するように反転される。これによって、体内への吸収率が増加して有効性を改善できる一方、製造費を低くし、医薬品会社に数億ドルの年間費用の節約を提供する。
【００７０】
本発明は本明細書中に説明のように記載されている。上述の記載は本発明の原理の適用の単なる例示であり、その範囲は明細書に照らして考察される請求項によって決定すべきことは理解されよう。本発明の他の変形物及び変更物は当該技術分野の当業者に明らかである。
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノスケール分子合成に関し、３次元で利用可能な生体高分子性の核酸アレイ、及びこのようなアレイを製造するためのプロセスを含む。このようなアレイは相補的な化学反応性のプローブで官能性を持たせて、触媒性の酵素を提供できる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、以下の出願：２００７年３月１５日提出の米国仮特許出願第６０／９１８，１４４号；２００７年８月３０日提出の米国仮特許出願第６０／９６９，１５４号；２００７年１１月６日提出の米国仮特許出願第６０／９８５，９６１号；２００７年１１月６日提出の米国特許出願第１１／９３６，０４５号；２００８年２月２８日提出の米国仮特許出願第６１／０３２，１１８号；２００８年３月１４日提出の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／５７０１３号；２００８日４月１０日提出の米国仮特許出願第６１／０４３，９８１号；２００８年４月２３日提出の米国仮特許出願第６１／０４７，２０１号；２００８年４月２９日提出の米国仮特許出願第６１／０４８，５９９号；２００８年６月１３日提出の米国仮特許出願第６１／０６１，５５５号；２００８年８月６日提出の米国仮特許出願第６１／０８６，６３３号；２００９年８月２７日提出の米国仮特許出願第６１／２３７，３５３号；に関連づけられ、その各々が引用によって本明細書に取り込まれる。
【０００３】
広範で多様な産業の科学者及び技術者が近年多様な性能を生成するのにナノメートル又はナノメートル以下の構成プロセスを生成することに焦点を当てている。例えば、材料の科学者は構成がナノスケールで制御できる場合にのみ生成できる、特異的な特性を呈示する新規の材料を生成することを所望している。化学者及び医薬品の研究者はオングストロームの部分を含む、ベクトルで規定される分子間の相互作用を制御することに強く依存する新しい反応を探している。有効な医薬品に関する成功と失敗との間の差異は多くの場合、これらと同一計量で測定できる。半導体の技術者は電磁的な非共振を超える高い制御とともに、更にコンパクトな設計を探している。バイオ燃料産業においては、触媒のナノスケールでの製造は完全に新しい分類のプロセスの生成を可能にし、多様なバイオマス資源を燃料に変換できる。これらの用途の各々は、他の大多数とともに、特異的に要求される機能：３次元アレイにおける多様な分子の官能性の配置を制御し、ナノメートル以下又はオングストローム以下のスケールで正確に位置決めする能力；に依存している。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、ポリ核酸塩基の生体高分子組織への更なる成分又は分子の結合を可能にするための方法であって、更なる化学結合を前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織内に組み込むステップを具える方法を提供する。本発明は更に、少なくとも１の更なる化学結合がアミド結合、エステル結合、又はジスルフィド結合のうちの１以上を含むような方法を具える。本発明は更に、ポリ核酸塩基の生体高分子組織が核酸を含むような方法を具える。本発明は更に、核酸がＰＮＡ（ペプチド核酸）、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）、ＬＮＡ（ロックド核酸）、ＧＮＡ（グリコール核酸）、又はＴＮＡ（トレオース核酸）のうちの少なくとも１つを含むような方法を具える。
【０００５】
本発明は更に、ポリ核酸塩基の誘導体を生成する方法であって、ワトソン・クリック塩基対結合又は主鎖結合以外の更なる化学結合を提供するステップを具える方法を提供する。本発明は更に、ポリ核酸塩基がチミン、ウラシル、シトシン、グアニン、又はアデニンのうちの少なくとも１つを含むような方法を具える。
【０００６】
本発明は更に、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いて、約１０ナノメートル未満の許容差で相互に関連づけて配置した分子配列を生成する方法を提供する。本発明は更に、触媒を生成する方法を提供し、既知の酵素変換反応を模倣するが、ｐＨ、温度、触媒作用を促進することで知られる添加剤の存在、又はその組合せに関し、同類の自然系よりも優れた特性を有する触媒を生成するために、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いるステップを具える。本発明は更に、マイクロプロセッサといった電気回路を生成する方法を提供し、現行でフォトリソグラフィ技術による縮尺製造に供されうる形状の約１／１６未満の形状を有する、３Ｄで利用可能なポリ核酸塩基のアセンブリを生成するために、本明細書中に記載の方法のいずれかを用いるステップを具える。
【０００７】
本発明は「核酸−リンカー−触媒残基」といった形態の標的分子の剛性に関し：核酸はシチジン、ウリジン、アデノシン、グアノシン、及びチミジン、ならびにこの酸化、還元又はアルキル化された任意の誘導体を含み；リンカーは窒素、酸素、硫黄、炭素又はリンを含む規定長の有機的に係留する任意の構造を含み；触媒残基は、酸性、塩基性、求核性、求電子性、又はラジカル性の機構を通して、触媒作用を可能にする任意の有機的又は有機金属の成分を含む。
【０００８】
本発明は限定しないが、アミド結合、付加環化、エステル結合、及びジスルフィド結合を含むいくつかの型の共通の方法を通して「核酸−リンカー−触媒残基」を結合する方法を提供する。主要な結合はアミド結合であり、アミドの方向、及びアミドの方向に対し可撓性の変異体を有する。
【０００９】
本発明はアミド結合の生成用のペプチド化学の技術分野で既知の方法、すなわち：その構造中にカルボジイミド基、ベンゾトリアゾール基、ヒドロキシスクシンイミド基、あるいは任意の関連するカルボン酸の活性化因子を含む活性化した結合試薬の選択；溶剤、特にＤＭＦ、ＤＣＭ、水、ＴＨＦの選択；トリエチルアミン又はジイソプロピルエチルアミンと言った有機アミンの塩基の選択；を利用する。本発明は更に、アジ化物、酸塩化物、又は無水物を含むほとんど既知ではない結合方法を利用する。
【００１０】
本発明は更に、安定した３次元ナノスケール生成の構築基盤の構成を可能にする本発明者が「生体ナノ格子（ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称するものを生成する技術に関する。生体ナノ格子によって、原子スケールで測定される誤差の限度で、制御可能で予測可能な多様な分子官能基の配置を可能にする。このような構造は、無数の産業において、広範で多様な新規の製品の生成を可能にする新規のナノスケールの生成方法として供されうる。実施例としては、生体ナノ格子は固有の３次元方向にアミノ酸の側鎖の官能基を特異的に配置するのに用いられて、触媒作用を可能にし、酵素の官能性を模倣する。これらの合成酵素は生体ナノ格子上で構築され、天然酵素よりも高い活性を呈示し、良好な工業上の応力への耐性があり、燃料を生成するのに広範で多様なバイオマス型（生体廃棄物のような）の変換に適用できる。本発明は生体ナノ格子の使用可能性として、特に、ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築から治療性能、ワクチン供給、物質構成までの範囲の広範で多様な用途を意図する。
【００１１】
本発明は更に、安定した３次元ナノスケールの構築基盤に関する方法及び機構を提供し、この構築基盤、この構築基盤の生成方法、及びこの構築基盤の使用方法を含む。前述のいずれも本明細書中では「ＤＮＡ Ｉｎｔｅｒｗｅａｖｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ」、「ＤＩＤＡ」と称され、その双方がＩｎｃｉｔｏｒ ＬＬＣ社の商標である。ＤＩＤＡによって、ナノメートル未満の許容差でこれらの３次元構築基盤上に多様な分子、化合物、及び／又は物質を配置できるため、ＤＩＤＡの構築基盤に官能性を持たせて、広範で多様な作業を実行することができる。例えば、主要アミノ酸残基をＤＩＤＡに一体化し、その残基を相互に好適な３次元方向に配置することによって、ＤＩＤＡの構築基盤は酵素と同様の触媒活性を呈示することができる。ＤＩＤＡは更に複雑な化学化合物の構築を可能にし、ＤＩＤＡの構築基盤は所定の位置で関連する化合物を「維持（ｈｏｌｄ）」して、生産される収量を改善できる。他のＤＩＤＡの用途はＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築、診断性能、ワクチン供給等を含む。
【００１２】
本発明は更に、エネルギー、半導体、医薬品、化学物質、食物及び薬剤を含む多数の産業に適用可能な廉価なナノスケール生成方法を提供する。実施例としては、本発明はほとんどの任意の現存の植物に見出されるセルロースのバイオ燃料への変換に有用な酵素を提供できる。本発明は、金属化した３次元組織に硬化した合成ＤＮＡらせんを用いて、広範な範囲のナノスケール構造を開発及び製造でき、治療用分子、工業化学用の触媒、及びタンパク質ワクチンを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
添付の図面は本明細書の一部に取り込まれてそれを形成し、本発明を例示し、本記載と共に本発明を説明する。図面においては同様の要素は同様の番号が付される。
【００１４】
【図１】図１は、ペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。
【図２】図２は、ペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。
【図３】図３は、ＤＮＡで構成された３次元立方体の概略図であり、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合している（往々にして、「Ｃｈｕｎ／Ｓｅｅｍａｎ ＤＮＡ Ｃｕｂｅ」と称される）。
【図４】図４は、線維束状のストランドの組み込みによって所望の方向に形成される骨格ストランドの概念の概略図である。
【図５】図５Ａ（等角投影図）及び５Ｂ（正面図及び側面図）は、実施例の構造の概略的な例示であり、最初に発明者によって開発され、酵素様触媒のための塩基として用いることができる。
【図６】図６は、実施例のチミジン類似体の単量体の概略図であり、３の異なる側鎖型式を有する。
【図７】図７は、構造の実施例の全体図であり、酵素様触媒のための塩基として用いられる。
【図８】図８は、サンプルのセリン類似体のＰＮＡ前駆体の概略図である。
【図９】図９は、最終的な実施例のＰＮＡ単量体の概略図である。
【図１０】図１０は、ＤＮＡとＰＮＡとの間の相違性と類似性の概略図である。
【図１１】図１１は、原子間力顕微鏡のＤＮＡ組織の画像である。
【図１２】図１２は、折り畳まれたＤＮＡ／ＰＮＡ組織の概略図である。
【図１３】図１３は、ＤＮＡ／ＰＮＡ組織の金属化の概略図である。
【図１４】図１４は、本発明のある実施形態による実施例のエタノール生成プロセスの概略的な例示である。
【図１５】図１５は、本発明のある実施形態による改良した酵素でのセルロース性エタノールの生成の概略的な例示である。
【図１６】図１６は、本発明のある実施形態による改良した酵素でのコーンエタノール生成の概略的な例示である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１はペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。図１に示すような機構１においては、標的化合物１は標準的なペプチド結合状態（ＨＯＢｔ、ＥＤＣＩ、ＤＩＰＥＡ）を経て符号２及び３から生成できる。機構１における実験は明らかに困難であったが、注意深いクロマトグラフ法と反応条件を経てその解決がなされた。代替的な保護基の処置はこれらの問題を軽減することを示した。代替的なアプローチは以下の文章及び図面に示す。
【００１６】
図２はペプチド合成を経た標的分子の合成の概略図である。青色のアミドを転化することによって、符号４に示すように、符号１に示すようなイミダゾールとチミジンとの間で同じ距離が維持できる。異性体化合物５も更に可能であり、その合成におけるレトロンとして天然物のヒスタミン１０を有するという利点があり、イミダゾール酢酸２より実質的に廉価である。符号４及び５は符号１を生成するのに現行で用いられている同一で共通の中間体のアミンを利用するが、これは無水物７又は９と反応しうる。このことで各々がカルボン酸を生成し（図示せず）、次いで５−（メチルアミノ）−イミダゾール８又はヒスタミン１０と反応しうる。このアプローチは更に保護基を必要としない。
【００１７】
［生体ナノ格子］
生体ナノ格子の構築は５のステップで記載できる。
・架橋結合された、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）といった生体高分子のストランドで構成された３次元構造（本明細書中では「生体ナノ格子（ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称される）を生成するステップ
・化学結合可能な官能基を呈示する共有結合された側鎖を含む、ＤＮＡ又はペプチド核酸（ＰＮＡ）といった生体高分子の複合型単量体（本明細書中では「単量体スタッド（ｍｏｎｏｍｅｒ ｓｔｕｄ）」と称される）を生成するステップ
・合成されるか、あるいは商業上取得され、ナノスケールで間隔、方向、静電特性、立体科学的な運動制御の範囲を提供する化学的なリンカーを、単量体スタッドの側鎖に結合する（本明細書中では「リンカー（ｌｉｎｋｅｒ）」と称される）ステップ
・酸、塩基、求電子剤、求核剤、又は単一の電子受容体若しくはドナーとして作用する対象の触媒活性の官能基を各々のリンカーに共有結合するステップ。非触媒活性の官能基は更に水素結合、πスタッキング、又は他の非結合性相互作用を支持するか、あるいは支持しないように用いてもよい。
・結合した対象のリンカー及び触媒分子を含んだ各々の単量体スタッドを生体ナノ格子に組み込む（本明細書中では「装填型の生体ナノ格子（ｌｏａｄｅｄ ｂｉｏｎａｎｏｌａｔｔｉｃｅ）」と称される）ステップ
【００１８】
本記載のために、酵素と類似する機能を呈示する触媒を構成するサンプル処理が用いられる。更に、用語「分子（ｍｏｌｅｃｕｌｅ）」は一般的な意味での分子、化合物又は他の物質を参照するように用いられる。しかしながら、この酵素処理は生体ナノ格子の広範な適用性の実施例にすぎない。
【００１９】
［生体ナノ格子の生成］
生体ナノ格子の構成は、ＤＮＡといった特定の生体高分子の天然特性に基づいており、生体高分子は各々のらせん体内の核酸塩基のワトソン・クリック塩基対によって説明される最低エネルギーの熱力学的な考察に基づいて二重らせん（又は他の多重らせん）を形成する。この塩基対の特性は異なるらせん領域（単一の二重らせん又は多重らせんのストランドを意味する）間の接合部及び架橋結合を生成するのに利用して、複雑な幾何学的設計を形成する。多数の接合型が発見されており、ホリデイ接合部（４の単鎖ＤＮＡ配列が正方形の架橋結合を形成する）のように、異なる数のＤＮＡの単鎖が予測可能な方法で結合することが可能であり、３次元構造設計のための構成ブロックを形成する（通常「組織化する（ｗｅａｖｉｎｇ）」と称される）。図３は実施例として、ＤＮＡで構成された３次元立方体を示し、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合して、「Ｃｈｅｎ／Ｓｅｅｍａｎ ＤＮＡ Ｃｕｂｅ」と称される構造を形成する（Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ ＤＮＡ ｏｆ ａ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａ Ｃｕｂｅ，Ｎａｔｕｒｅ ３５０，６３１−６３３（１９９１））。
【００２０】
ＤＮＡ折り紙と称される生体高分子組織の修飾の概念は、カリフォルニア工科大学のＰａｕｌ Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄによって一般化された（Ｐ．Ｗ．Ｋ．Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄ，Ｆｏｌｄｉｎｇ ＤＮＡ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ，Ｎａｔｕｒｅ，４４０，２９７−３０２（２００６））。ＤＮＡ折り紙は生体高分子の組織化の基本概念に従うが、二重らせん内の２のらせんのうちの１つが対応する合成由来の「線維束状のストランド（ｓｔａｐｌｅ ｓｔｒａｎｄ）」によって、多様な形状に「折り畳まれる（ｆｏｌｄｅｄ）」単一の長いＤＮＡの単鎖（「骨格ストランド（ｓｃａｆｆｏｌｄ ｓｔｒａｎｄ）」と称される）であるとの概念を組み込んでいる。図４は、線維束状のストランドの組み込みによって所望の方向に形成される骨格ストランドの概念を示す。
【００２１】
図４における黒色のストランドは、７又は８の塩基対配列にわたって反復されないヌクレオチド配列からなる単一の長い骨格ストランドである。青色及び赤色のストランドは線維束状のストランドである。固有の塩基対配列のために、線維束状のストランドは、骨格ストランドを採択された所望の形状に強制する。この概念は３次元に拡張され、対費用効果の高い、複雑な３次元構造を構成できる。しかしながら、３次元の生体高分子組織の単体はわずかな有用性しかないため、これまでは生産規模では商業上の用途にあまり適用されなかった。
【００２２】
本発明は３次元のＤＮＡ組織及びＤＮＡ折り紙の概念上に構築され、それらに官能性を持たせて多様な対象の分子を構造内の多様な位置に結合する性能が付加される。発明者によって最初に開発された、酵素様触媒のための塩基として用いるためのこのような構造の一実施例は、図５Ａ及び５Ｂに示される。
【００２３】
図５Ａ及び５Ｂに例示されたＤＮＡ設計は、単鎖で雄性特異的な糸状のＤＮＡバクテリオファージＭ１３によるＭ１３ｍｐ１８ウイルスゲノム由来の立体構造的なＤＮＡ鎖を含み、立体構造のストランドを所望の構成に結合する多数の合成された２００塩基長の線維束状のストランドを有する。その設計は、立体構造のストランド及び線維束状のストランドが溶液中に置かれたときに、その構造は平衡熱力学の結果として採用されるように最適化される。図５Ａ及び５Ｂによる構造の実施例は２の重要な特性：剛性及び予測性；を組み込む。二重壁型の設計は形状が広範な周囲条件の範囲内で静的状態を維持するのを保証する。ＤＮＡ配列が既知である場合に構造は予測可能であり、３次元構造内の任意の配列位置は総ての３軸上でナノメートル単位で既知である。構造は、正面図で５０ナノメートル未満の幅及び３０ｎｍの奥行きであり、側面図で４０ｎｍの長さである。
【００２４】
リンカー及び生体模倣型の官能基でその設計の内部を支持することによって、本発明は酵素活性部位の触媒性能を模倣可能であると予測する。更なる生体ナノ格子の構築基盤設計を生成するか、あるいはサンプル設計上の分子の型又は位置を変更することによって、限定しないが広範で多様な酵素模倣性、診断液、医薬品、電磁材料、又は他の新規の用途を含む、異なる機能が得られうる。その概念は生体高分子としてのＤＮＡを必要としないが、ＤＮＡは現行では比較的廉価であるため、一般的な可能性の実施例として用いられる。
【００２５】
［単量体スタッドの生成］
生体ナノ格子の構築基盤は、組織化された生体高分子に基づくものであり、ナノ単位で正確な所望の分子の３次元配置を可能にするのに必要な予測性及び安定性を提供する。構造の性質が予測可能である場合、正確なアミノ酸の側鎖の官能基の位置はコンピュータによる設計及び分子モデリングによって大きく補助されうる。しかしながら更なる性能が要求されうる。対象の分子を生体ナノ格子に結合し、これによって所望の機能を得るために、元の生体高分子構造は側鎖を含む単量体の外側に構成して、対象の官能基を結合するための位置を提供しうるか、あるいは生体高分子構造の一部が側鎖の官能基を含む単量体と置換されうる。必要な側鎖を含むＰＮＡ類似体を用いることは選択的である。しかしながら、ＰＮＡ鎖を合成することは一般的にはＤＮＡといった代替物よりも高価である。
【００２６】
代替例は合成するのが廉価なＤＮＡといった生体高分子の外側に生体ナノ格子を構成し、次いでＤＮＡの一部を短いＰＮＡ鎖で置換することである。それでも、より小さいものであるにも拘わらず、ＰＮＡ合成の要求による費用の懸念がまだ存在する。更に、ＰＮＡのらせん構造は天然で１回転につき１５の塩基対で形成される一方、ＤＮＡは天然で１回転につき１０．５の塩基対で形成される。この差異は生体ナノ格子構造の全体に応力をかけ、その一体性を低減する可能性がある。本発明者はセリンによってＰＮＡ単量体を生成して、側鎖を提供することを調査し、本発明者はＤＮＡのヌクレオチド誘導体を生成し、必要な側鎖をチミジンに付加した。これによって１回転に対する塩基対の問題を解消し、活性化した生体ナノ格子の費用を強力に劇的に低くすることができる。
【００２７】
このアプローチは線維束状のストランド内の選択したチミジンのヌクレオチドを、設計した合成チミジン誘導体で置換する。このことによって、任意のチミジンの位置がスタッド型の単量体として作用でき、リンカー及び対象の分子が結合できる。合成酵素の実施例の場合においては、対象の分子はアミノ酸又は金属イオンにできる。
【００２８】
図６は、実施例のチミジン類似体の単量体の概略図であり、３の異なる側鎖型式を有する。黒色の各々の分子区画は核となるチミジン成分を示す。青色の区画は必要なリンカーの型によって変化しうる。緑色の成分は新規の側鎖の官能基を示し、チミジン類似体で構成され、次いで所望される触媒活性の官能基を含む所望の分子成分に結合される。生体ナノ格子内の各々のチミジンの位置が既知の場合、リンカーのパラメータ（長さ、可撓性等）を変えることによって、所望の官能基は生体ナノ格子の構造に関連する３次元空間における特定の位置に配置される。対象の官能基は生体ナノ格子への挿入前に、あるいは後に側鎖に付加できる。前である場合、スタッド型の単量体は分子及びリンカーが結合されて、ＤＮＡの単鎖で合成して、生体ナノ格子内の配置においては選択的に提供できる。代替的に、異なる保護基はスタッド型の単量体（チミジン）の側鎖に適用されて、生体ナノ格子への挿入後の脱保護と分子の側鎖への合成を可能にする。意すれの場合においても、その技術は：
１）多様な官能基が結合する生体ナノ格子内の位置；
２）位置の予測性；
３）位置の選択性；
を提供する。
【００２９】
ＰＮＡ又はチミジン類似体のいずれのアプローチも、単量体の側鎖を有する他の生体高分子にとともにこの結果を実現できるか、あるいは単量体の側鎖を有するように誘導体化できるかである。ＤＮＡを用いる場合、側鎖を付加するアプローチはチミジンに限定されるのではなく、必要に応じてアデノシン（又はデオキシアデノシン）、グアノシン（又はデオキシグアノシン）、シチジン（又はデオキシシチジン）、あるいはウリジン（デオキシウリジン）に適用できる。上述のチミジンの記載は単なる実施例として用いられる。
【００３０】
次いで、予測可能な生体ナノ格子内の分子の配置が生じうる位置を生成する概念は３通りで記載できる：
１）側鎖を含む修飾型の生体高分子の単量体（スタッド型の単量体）を生成する；
２）化学的なリンカー及び対象の分子を側鎖に結合する；
３）生体ナノ格子の線維束状のストランド（又は、一部の場合における立体構造のストランド）の区画をスタッド型の単量体で置換する
【００３１】
スタッド型の単量体はＰＮＡ、ＤＮＡ、又は他の生体高分子上で合成された変異体にできる。生体ナノ格子内のスタッド型の単量体の配置の選択は、合成中のスタッド型の単量体の線維束状のストランドへの挿入を介して実現できる。コード化された線維束状のストランドのの配列の固有性によって、スタッド型の単量体が生体ナノ格子に予測可能に配置されることが保証される。位置決めの詳細はコンピュータによる分子設計プログラムを用いて容易に補助されうる。各々のスタッド型の単量体に結合した分子の選択性は、線維束状のストランドの合成前に分子をスタッド型の単量体に結合するか、あるいは問題となっているスタッド型の単量体のために固有の保護型を生成するかのいずれかによって実現できる。
【００３２】
ＤＮＡ架橋結合型構造内でＤＮＡをＰＮＡと置換する概念は、ＮＹＵのＮｅｄ Ｓｅｅｍａｎ博士によって成功裏に調査され、このアプローチの可能性を強調している。Ｐ．Ｓ．Ｌｕｋｅｍａｎ，Ａ．Ｍｉｔｔａｌ，＆ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＰＮＡ／ＤＮＡ Ａｒｒａｙｓ：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｕｓｕａｌ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１６９４−１６９５（２００４）。多数の官能基が由来のヌクレオチドのバージョンを生成した。Ｕ．Ａｓｓｅｌｉｎｅ，Ｖ．Ｒｏａｇ，Ｏｌｉｇｏ−２’−ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｕｒａｃｉｌ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ａｔ ｔｈｅ ５−ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｉｎｋｅｒｓ ｅｎｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ ｇｒｏｕｐｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１２５，４４１６−４４１７（２００３）。
【００３３】
［組合せ化学の開発］
塩分、ｐＨ、及び／又は温度における極端例といった周囲の応力により耐性のある構造に由来する商業上の生成物の利益とは別に、連続的な所望の機能の改善に関連する特定の利益が出現する。活性化した生体ナノ格子によって、３次元空間内の各々の分子の配置で特定の制御を可能にすることで、研究者が新しい機能をより迅速に生成することができる。合成酵素の実施例を用いた場合、研究者は定方向の、あるいは無作為化した塩基上で、生体ナノ格子内のアミノ酸の３Ｄ方向、選択又は他の特性を容易に変更して、改良した触媒特性を呈示できる新規の酵素を生成できる。更には、生体ナノ格子は微生物で産生される選択で必要な天然のアミノ酸に限定されないため、新規の合成酵素、金属イオン、又は他の触媒性の転写促進因子は最初に、商業上実行可能な酵素に組み込むことができる。
【００３４】
［３次元ナノスケールの構築基盤］
本発明は更に、安定した３次元ナノスケールの構築基盤に関する方法及び機構を提供し、この構築基盤、この構築基盤の生成方法、及びこの構築基盤の使用方法を含む。前述のいずれも本明細書中では「ＤＮＡ Ｉｎｔｅｒｗｅａｖｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ」、「ＤＩＤＡ」と称され、その双方がＩｎｃｉｔｏｒ ＬＬＣ社の商標である。ＤＩＤＡによって、ナノメートル未満の許容差でこれらの３次元構築基盤上に多様な分子、化合物、及び／又は物質を配置できるため、ＤＩＤＡの構築基盤に官能性を持たせて、広範で多様な作業を実行することができる。例えば、主要アミノ酸残基をＤＩＤＡに一体化し、その残基を相互に好適な３次元方向に配置することによって、ＤＩＤＡの構築基盤は酵素と同様の触媒活性を呈示することができる。ＤＩＤＡは更に複雑な化学化合物の構築を可能にし、ＤＩＤＡの構築基盤は所定の位置で関連する化合物を「保持（ｈｏｌｄ）」して、生産される収量を改善できる。他のＤＩＤＡの用途はＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの構築、診断性能、ワクチン供給等を含む。
【００３５】
ＤＩＤＡアレイの構築ステップは３のステップを含む：
・架橋結合されたＤＮＡ鎖で構成され３次元構造を生成するステップ；
・化学的なリンカーに結合され、次いで多様な対象の分子、化合物、又は物質に結合されるペプチド核酸（ＰＮＡ）の単量体を生成するステップ；
・ＰＮＡ鎖を３Ｄに組織化されたＤＮＡ構造に組み込むステップ
【００３６】
本記載のために、酵素のものと類似する機能を呈示する触媒を構成するサンプル処理が用いられる。更に、用語「分子」は一般的な意味での分子、化合物又は他の物質を参照するように用いられる。しかしながら、この酵素処理はＤＩＤＡの広範な適用性の実施例にすぎず、本明細書中に記載の１以上の本発明は、記載の方法、記載の構築基盤、この構築基盤の使用、及び当該技術分野の当業者が本開示を読むことで理解する前述の任意のものに対する総ての部分集合、変形物、及び外延を含む。
【００３７】
［３ＤのＤＮＡ構造の生成］
ＤＩＤＡ技術はＤＮＡの天然特性を用いており、特定のＤＮＡ配列は天然に接合部及び架橋結合を呈示して、複雑な幾何学的設計を形成する。多数の接合型が発見されており、ホリデイ接合部（４の単鎖ＤＮＡ配列が正方形の架橋結合を形成する）のように、異なる数のＤＮＡの単鎖が予測可能な方法で結合することが可能であり、３次元構造設計のための構成ブロックを形成する。図３は実施例として、ＤＮＡで構成された３次元立方体を示し、３の異なる単鎖が立方体の各々の角に結合している。
【００３８】
ＤＮＡから３次元構造を生成するための技術は既存であるが、今日まで商業上の用途にあまり適用されなかった。ＤＩＤＡは３次元のＤＮＡ組織又はＤＮＡ折り紙の一般概念を用いて、それらを多様な官能性のための骨格として作用しうる構造の生成に適用する。酵素様触媒のための塩基として用いるべきこのような構造の一実施例は図７の全体図に示されている。
【００３９】
図７のＤＮＡ設計は、単鎖で雄性特異的な糸状のＤＮＡバクテリオファージＭ１３によるＭ１３ｍｐ１８ウイルスゲノム由来の立体構造的なＤＮＡ鎖を含み、立体構造のストランドを所望の構成に結合する多数の合成された２００塩基長の「線維束状のストランド」を有する。その設計は、立体構造のストランド及び線維束状のストランドが溶液中に置かれたときに、その構造は天然に形成される。図２による構造の実施例は２の重要な特性：剛性及び予測性；を組み込む。二重壁型の設計は形状が広範な周囲条件の範囲内で静的状態を維持するのを保証する。ＤＮＡ配列が既知である場合に構造は予測可能であり、３次元構造内の任意の配列位置は総ての３軸上でナノメートル単位で既知である。構造は、正面図で５０ナノメートル未満の幅及び３０ｎｍの奥行きであり、頂面図で４０ｎｍの長さである。
【００４０】
アミノ酸及び化学的なリンカーでその設計の内部を「支持（ｓｔｕｄ）」することによって、その構造は酵素活性部位の官能性を模倣して用いることができる。更なるＤＩＤＡの構築基盤設計によって、あるいはサンプル設計上の「支持」された分子の型又は位置を変更することによって、広範で多様な酵素模倣性、診断液、医薬品、又は他の新規の用途を含む、異なる機能を提供できる。
【００４１】
［ＰＮＡ単量体の生成］
ＤＩＤＡの構築基盤内でのＤＮＡの使用は、ナノ単位で正確な所望の分子の３次元配置を可能にするのに所望される予測性及び安定性を提供する。しかしながら実際には、これらの対象の分子を結合するステップはＤＮＡ配列の一部の修飾を要求する。実施例は特化されたＤＮＡ単量体を修飾された主鎖で生成して、化学反応のための「自由な（ｆｒｅｅ）」結合開口部を提供するステップか、あるいは特に、特定のＤＮＡ配列の代わりにペプチド核酸の特化した単量体を導入するステップを含む。
【００４２】
ＰＮＡはＤＮＡの官能基を模倣し、更に広範なｐＨにわたる大きな安定性を有し、更には配列特異的な結合剤である。有用性は病気に関連する遺伝子の修飾で発見され、グリシンによるＰＮＡが通常の使途である。本文書の実施例にあるような触媒設計の場合においては、化学的な安定性が所望されるが、アミノ酸の側鎖から得られるＰＮＡの一部は主要な分子特性において決定的役割を採用している。
【００４３】
ＤＩＤＡは更なるヒドロキシル基を含む２の保護された側鎖を有する特化したセリン類似体のＰＮＡ前駆体を構成するのに用いることができる（故に類似体としてのセリンの使用）。更なるヒドロキシル基は分子が単量体に結合するのを可能にし、単量体は「標準的（ｓｔａｎｄａｒｄ）」な側鎖を用いてＤＩＤＡの構築基盤内の特異的な位置に配置される。サンプルの単量体の前駆体は図８に示される。
【００４４】
３の側鎖を有する特化したＰＮＡ単量体を生成することによって、ＤＮＡ／ＰＮＡ組織自体と必ずしも関連しない分子に結合されうる、ＤＩＤＡの構築基盤内の予測可能な位置を提供する。例えば、保護されないヒドロキシルの側鎖は長さ、角度、可撓性及び他の特性を変更する化学的なリンカーに結合できる。これらの化学的なリンカーは次いで対象の分子に結合しうる。リンカーは間隔及び方向を提供して、対象の分子が所望の方法で反応し、必要に応じて相互に空間的定位を維持することを保証できる。酵素模倣性の実施例においては、分子は所定の酵素活性部位内のアミノ酸と等価なアミノ酸にできる。リンカーは相互にアミノ酸の３次元方向を好適に維持すべくステロイド性にでき、代替的な合成酵素設計に固有の「折り畳み（ｆｏｌｄｉｎｇ）」の問題を解決する。改良した酵素はリンカー、リンカーに結合されるアミノ酸、あるいは核となる構築基盤上のヒドロキシル基の位置を変更することによって生成できる。
【００４５】
引き続きの合成酵素の構成の実施例においては、リンカー及び触媒残基は遊離ヒドロキシルに結合されるとすぐに、前駆体は保護されずに、図９に示すような最終的なＰＮＡ単量体を形成できる。これらの単量体はＰＮＡの単鎖に合成され、その一部の単量体は更に従来のグリシン類似体のＰＮＡになり、その一部は対象の分子が事前結合された上述のセリン類似体のＰＮＡになりうる。
【００４６】
従って、ＤＩＤＡは位置の生成を可能にし、ＤＩＤＡ構造内の予測可能な分子の配置が３ステップで生じうる：
１）更なる側鎖を含む、修飾型の核酸の単量体を生成する；
２）化学的なリンカー及び対象の分子を側鎖に結合する；
３）ＤＩＤＡ構造の線維束状のストランド（又は、一部の場合における立体構造のストランド）の区画を対象の分子が結合した修飾型の単量体を含む単鎖ＰＮＡで置換する。ＤＩＤＡの構築基盤内のＰＮＡ単量体の位置は化学的なリンカーの特性を有し、３次元空間内の対象の分子の配置を規定する。
【００４７】
ＤＮＡ架橋結合型構造内のＤＮＡをＰＮＡで置換する概念はＮＹＵのＮｅｄ Ｓｅｅｍａｎ博士によって成功裏に調査された。
【００４８】
［ＰＮＡのＤＩＤＡの構築基盤への組み込み］
最初のＤＩＤＡの構築基盤のＤＮＡ設計は、長さが１８ないし２０塩基長のＰＮＡ鎖で置換されるように計画された位置を組み込む。官能性を有するＤＩＤＡ構造全体を完成するために、ＰＮＡ単量体は対象の分子（合成酵素の実施例においては、これらの分子はアミノ酸にできる）に結合されるとすぐに、グリシン又は他の類似体のＰＮＡ単量体を有する単量体からなるＰＮＡ鎖は、業界標準の方法を用いて合成できる。これらのＰＮＡ鎖はＤＮＡの線維束状及び立体構造のストランドを有する溶液中に配置できる。設計の性質はストランドが所望の構成に天然に自己形成されることである。官能性のあるＤＩＤＡ構造が構築された。
【００４９】
［組合せ化学の開発］
塩分、ｐＨ、及び／又は温度における極端例といった周囲の応力により耐性のある構造に由来する商業上の生成物の利益とは別に、連続的な所望の機能の改善に関連する特定の利益がＤＩＤＡによって可能になる。ＤＩＤＡによって、３次元空間内の各々の分子の配置で特定の制御を可能にすることで、研究者が新しい機能をより迅速に生成することができる。合成酵素の実施例を用いた場合、研究者は定方向の、あるいは無作為化した塩基上で、ＤＩＤＡ構造内のアミノ酸の３Ｄ方向、選択又は他の特性を容易に変更して、改良した触媒特性を呈示できる新規の酵素を生成できる。更には、ＤＩＤＡは微生物で産生される選択で必要な天然のアミノ酸に限定されないため、新規の合成酵素、金属イオン、又は他の触媒性の転写促進因子は最初に、商業上実行可能な酵素に組み込むことができる。ＤＩＤＡは広範で多様な産業に影響を与えうるナノスケールでの調査、開発、及び大量生産の方法を提供する。
【００５０】
以下の文献：Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ ＤＮＡ ｏｆ ａ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａ Ｃｕｂｅ，Ｎａｔｕｒｅ ３５０，６３１−６３３（１９９１）；Ｒｏｔｈｅｍｕｎｄ，Ｐ．Ｗ．Ｋ．，Ｆｏｌｄｉｎｇ ＤＮＡ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ，Ｎａｔｕｒｅ，４４０，２９７−３０２（２００６）；Ｎｉｅｌｓｅｎ，Ｐ．Ｅ．；Ｈａａｉｍａ，Ｇ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ（ＰＮＡ）．Ａ ＤＮＡ ｍｉｍｉｃ ｗｉｔｈ ａ ｐｓｅｕｄｏｐｅｐｔｉｄｅ ｂａｃｋｂｏｎｅ，Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．，２６，７３−７８（１９９７）；Ｖｅｎｋａｔｅｓａｎ，Ｎ．；Ｋｉｍ，Ｂ．Ｈ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｅｓ ｏｆ ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ：Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．，１０６，３７１２−３７６１（２００６）；Ｐｏｒｃｈｅｄｄｕ，Ａ．；Ｇｉａｃｏｍｅｌｌｉ，Ｇ．，Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ（ＰＮＡｓ），Ａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ，Ｃｕｒｒ．Ｍｅｄ．Ｃｈｅｍ．，１２，２５６１−２５９９ ２００５）；Ｐ．Ｓ．Ｌｕｋｅｍａｎ，Ａ．Ｍｉｔｔａｌ，＆ Ｎ．Ｃ．Ｓｅｅｍａｎ，Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＰＮＡ／ＤＮＡ Ａｒｒａｙｓ：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｕｓｕａｌ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００４，１６９４−１６９５（２００４）；は各々が引用によって本明細書中に組み込まれ、前述の記載の理解を容易にしよう。
【００５１】
［ＤＮＡ組織でのナノスケール生成］
本発明は更に、エネルギー、半導体、医薬品、化学物質、食物及び薬剤を含む多数の産業に適用可能な廉価なナノスケール生成方法を提供する。実施例としては、本発明はほとんどの任意の現存の植物に見出されるセルロースのバイオ燃料への変換に有用な酵素を提供できる。本発明は、金属化した３次元組織に硬化した合成ＤＮＡらせんを用いて、広範な範囲のナノスケール構造を開発及び製造でき、治療用分子、工業化学用の触媒、及びタンパク質ワクチンを含んでいる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態においては、酵素の構築ブロックであるアミノ酸は組織化されたＤＮＡ構造内の特異的な位置に結合される。これらの組織は３次元形態に影響を与えるように化学修飾され、次いでＤＮＡに結合する金属イオンの適用で硬化される。金属化したＤＮＡ組織はその形状を保持し、特異的な３次元方向にアミノ酸を保持して、酵素の触媒構造を模倣する。生成時に、１兆の酵素が数時間で本方法を用いて同時に生成されうる。無作為な又は定方向のアミノ酸の変異体は組織に付加できる。
【００５３】
酵素を合成的に構築することで提供される生成費用及び良好な活性の双方における可能性に利益があるため、多くの主体は合成酵素を生成するために異なる方法で実験してきた。誰も以下の３の原理的な難題のために（いくつかの特異的な小さな酵素は生成されてきたものの）高レベルの触媒活性を呈示する合成酵素を生成するための一般的な技術を提供できなかった：
・配列構造：酵素は特異的な配列内に最大数千のアミノ酸を含む。アミノ酸を結合する現行の合成方法（Ｍｅｒｒｙｆｉｅｌｄのペプチド合成）は配列において、１００のアミノ酸を超える商業上の量を生成できない。
・折り畳み：触媒活性を呈示するため、アミノ酸配列は「折り畳む（ｆｏｌｄ）」か、３次元方向に配置しなければならない。誰もこれまで必要な長さのアミノ酸配列の折り畳みを制御できなかった。
・運動：アミノ酸配列が折り畳まれた場合でさえも、方向は触媒反応の間に変化する。誰もこれまで折り畳みの難題を解決できなかったため、合成アミノ酸でこれを研究できなかった。
【００５４】
本発明はこれらの３の問題を核となる問題に単純化して、生化学的技術の代わりにナノ技術の物理的技術を用いることによって、これらの問題を解決できる。本発明は所定の酵素でアミノ酸のほとんどを除去でき、触媒に含まれるそのアミノ酸活性のみで濃縮され、長い配列を構築する必要性を除去する。本発明は、ＤＮＡ及びＰＮＡ（ペプチド核酸）の硬化した組織を用いて３次元空間でこれらのアミノ酸の配置をナノメートル内で制御し、折り畳みの困難性を解決する。その技術はこれらの特異的なアミノ酸が予測可能な経路で運動するのを可能にし、運動の要求を解決する。
【００５５】
本発明は例えばエタノール市場で新規の酵素を生成及び産生するのに用いられうる。本発明は更に、正確な分子配置を要求するナノスケールレベルで多くの３次元構造を生成するのに用いることができ、治療用の生体分子、工業化学用の触媒、微小の電子部品を含み、現行のプロセスよりも有効である。
【００５６】
本発明はエタノール市場に以下の主要な利益を提供する：
・現行で利用可能な製品よりも数桁効果的な、有効性の高い酵素の迅速な開発を可能にする
・エタノール生成プロセスにおける多様な段階で酵素を導入するのを可能にし、生産効率を改善し、費用を低減する。
【００５７】
本発明はいくつかの基本的な生物学的法則を利用する：
・酵素はアミノ酸の高分子（ポリペプチド）及び他の分子からなる
・アミノ酸はペプチド核酸又はＰＮＡに結合できる
・ＰＮＡはＤＮＡに結合できる
・特異的なＤＮＡ配列は天然にナノスケールで組織化された構造を形成する
・酵素性能を呈示するために、酵素高分子は特異的な３次元方向に「折り畳む」必要がある
【００５８】
本発明はこれらの生物学的法則を利用する。このプロセスはペプチド核酸（ＰＮＡ）配列の生成で開始する。ＰＮＡはＤＮＡと同一のヌクレオチドからなる点でＤＮＡと関連づけられるが、ＤＮＡ内に存在するデオキシリボース（糖）の主鎖の代わりにペプチド（アミノ酸）の主鎖を有する。図１０はＤＮＡとＰＮＡとの間の相違性（及び類似性）を示す。
【００５９】
本発明の実施形態は図面で示されうるように、分子がＰＮＡの量側に結合できるため、ＰＮＡを用いることができる。一方の側はヌクレオチド塩基を含み、ＤＮＡ又は他のＰＮＡ分子に結合する。他方は多様な物質に化学結合でき、天然又は合成のアミノ酸、金属、又は他の有機又は無機化合物を含む。この固有の性能によって、本発明で触媒的に重要な分子を含むＰＮＡ配列を設計して、ＰＮＡ配列に沿ったこれらの分子配置を正確に制御するのに用いることが可能になる。
【００６０】
触媒分子が結合したＰＮＡを構築するとすぐに、二本鎖ＤＮＡの組織を構成できる。ＰＮＡは組織内に埋込むことができ、ＤＮＡ配列の一部を置換する。ＰＮＡのヌクレオチド配列を制御することによって、ＰＮＡ配列は組織内の２次元空間内に正確に配置できる。対象の分子は既知の構成でＰＮＡに結合するため、分子は更に２次元空間内に正確に配置される。図１１は原子間力顕微鏡のＤＮＡ組織の画像を示す。例えば引用によって本明細書中に組み込まれる、２００８年９月１３日に訪問した、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ．ｄｕｋｅ．ｅｄｕ／〜ｒｅｉｆ／ｐａｐｅｒ／ＳＥＬＦＡＳＳＥＭＢＬＥ／ＤＮＡｌａｔｔｉｃｅ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ．ｐｐｔ参照。
【００６１】
３次元配置を集めるために、互いに引き合う化合物を含むＰＮＡは、組織の外縁に配置でき、全体的な構造を半円筒状に折り畳む。図１２はこの概念を示す。
【００６２】
最終的な生成ステップは溶液中の金属イオンを組織に付加するステップを含み、それを持続的に半円筒状に硬化する。ＤＮＡの主鎖ならびにヌクレオチドは正味に負に帯電するため、アルミニウムイオンのような正に帯電した金属イオンと引き合い結合する。金属イオンはＤＮＡ格子を取り囲んで、剛性を付与する。図１３はそのプロセスを示す。引用によって本明細書中に組み込まれる、２００８年９月１３日に訪問した、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｎｏ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈ−ｃｏｒｅ−ｈｔｂｗ．ａｓｐ＃参照。
【００６３】
図１３の上部は標準的なＤＮＡの二本鎖を示す。図１３の中間部はＤＮＡ鎖の異なる成分の負電荷に引きつけられる金属イオンを示す。図１３の下部は更なる金属が初期の金属イオンにどのように化学結合するかを示し、剛性の金属化した覆いで元のＤＮＡ鎖を覆っている。
【００６４】
本発明によるプロセスの実施形態は、生物学的プロセスと比べると、化学的／物理学的方法にできる。本発明で考慮されるような３次元組織は所定の３Ｄ構造を提供するためだけに存在する生物学的に生成された酵素を除外しうるが、好適な３Ｄ構造を提供する。本発明で用いたアミノ酸は、アミノ酸の運動性能を制御する化学的な化合物で、組織の正確な位置に自動的に結合できるため、本発明によって生成される構造は、酵素が必要なことを明らかにする。本プロセスは従来の方法よりも迅速で、かつ対費用効果を大きくできる。
【００６５】
酵素を生成するために、迅速で、かつ対費用効果の高い方法を提供するのに加えて、本発明による非生物的な金属化プロセスは高い温度及び圧力、ならびに広範で極端なｐＨ、塩、及びせん断応力に耐性があり、産業上のプロセスを特徴づける酵素を固有に生成できる。
【００６６】
この生成方法の利益は広範である。本発明によって生成される酵素は：
・アミノ酸が物理的な金属化構成に持続的に固定されるため、一体性の損失なく触媒で多数回用いることができ；
・酵素を生成するのに細菌又は真菌を維持する必要性を排除し；
・わずかな時間でより活性のある酵素を生成し；
・工業上の応力に対し耐性のある酵素を生成し；
・任意の既知の酵素を生成及び改良でき、燃料生成に関連性のあるものに限定せず；
・現行のプロセス下で酵素を生成するのに必要なエネルギーコストを低減する
【００６７】
遺伝子配列を組織内で制御する性能は更に、他の処理産業に到達する広範な調査及び開発の利益を提供する。単一プロセスにおける数百万の同一の酵素を生成する場合を除き、本発明は更に数百万の異なる酵素を同時に生成可能である。従って、本発明は新規で更に有効な酵素を生成するのに用いられうる。既知の酵素のアミノ酸のＰＮＡ結合に微量の無作為な変化を導入することによって、既知の酵素の数百万の軽微な変異体を自動的に生成できる。これらの新規の変異体の多くは所定の作業での元の酵素よりも更に有効である。変異体は業界標準の自動試験及び品質保証プロセスを通してより有効な酵素を同定でき、生成に移ることができる。新規の酵素のための開発プロセス全体は３ないし６月の期間で実現でき、酵素の複雑性に依存する。
【００６８】
［エタノール生成の実施例］
図１４は、本発明のある実施形態による実施例のエタノール生成プロセスの概略的な例示である。本発明で生成される酵素を用いることによって、図１５に例示するような生成プロセスにいくつかの改良が可能となる。セルロースの加水分解の時間を低減することによって、加水分解ステップで必要な作業の数を低減し、主要な基盤の費用を劇的に低減する。リグニン除去のための酵素を用いることによって、更に主要なコストを低減し、特別なフィルタ又は管を必要としなくなる。酵素による発行プロセスに変更することによって、エネルギー、酵母、及び化学物質の運用経費を低減する。セルロースのエタノール生成酵素を改良することによって、更にコーンエタノール市場の現行の生産者に新規の機会を開放する。現行のコーンエタノールの生産者は、追加の供給材料として例えばトウモロコシ茎葉を用いて、セルロース生成の流れを強力に付加できる。このようなプロセスは図１６に例示され、更なる主要な最小経費で実現できる。
【００６９】
本発明の実施形態は更に、例としてワクチン又は薬剤送達の領域で用いることができる。ペプチドワクチンはＤＮＡ組織内のＰＮＡ分子に結合され、組織は構造の外側にペプチドを呈示するように反転される。これによって、体内への吸収率が増加して有効性を改善できる一方、製造費を低くし、医薬品会社に数億ドルの年間費用の節約を提供する。
【００７０】
本発明は本明細書中に説明のように記載されている。上述の記載は本発明の原理の適用の単なる例示であり、その範囲は明細書に照らして考察される請求項によって決定すべきことは理解されよう。本発明の他の変形物及び変更物は当該技術分野の当業者に明らかである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリ核酸塩基の生体高分子組織への更なる成分又は分子の結合を可能にするための方法であって、更なる化学結合を前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織内に組み込むステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がアミド結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合が付加環化を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がエステル結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がジスルフィド結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織が核酸を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＰＮＡ（ペプチド核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＲＮＡ（リボ核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＬＮＡ（ロックド核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＧＮＡ（グリコール核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＴＮＡ（トレオース核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
ポリ核酸塩基の誘導体を生成する方法であって、ワトソン・クリック塩基対結合又は主鎖結合以外の更なる化学結合を提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がチミンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がウラシルを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がシトシンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がグアニンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がアデニンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
約１０ナノメートル未満の許容差で相互に関連づけて配置した分子配列を生成する方法であって、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
触媒を生成する方法であって、既知の酵素変換反応を模倣するが、ｐＨ、温度、触媒作用を促進することで知られる添加剤の存在、又はその組合せに関し、同類の自然系よりも優れた特性を有する触媒を生成するために、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを用いるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
マイクロプロセッサといった電気回路を生成する方法であって、現行でフォトリソグラフィ技術による縮尺製造に供されうる形状の約１／１６未満の形状を有する、３Ｄで利用可能なポリ核酸塩基のアセンブリを生成するために、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを用いるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１】
ポリ核酸塩基の生体高分子組織への更なる成分又は分子の結合を可能にするための方法であって、更なる化学結合を前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織内に組み込むステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がアミド結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合が付加環化を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がエステル結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１の更なる化学結合がジスルフィド結合を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基の生体高分子組織が核酸を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＰＮＡ（ペプチド核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＲＮＡ（リボ核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＬＮＡ（ロックド核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＧＮＡ（グリコール核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の方法において、前記核酸がＴＮＡ（トレオース核酸）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
ポリ核酸塩基の誘導体を生成する方法であって、ワトソン・クリック塩基対結合又は主鎖結合以外の更なる化学結合を提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がチミンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がウラシルを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がシトシンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がグアニンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記ポリ核酸塩基がアデニンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
約１０ナノメートル未満の許容差で相互に関連づけて配置した分子配列を生成する方法であって、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
触媒を生成する方法であって、既知の酵素変換反応を模倣するが、ｐＨ、温度、触媒作用を促進することで知られる添加剤の存在、又はその組合せに関し、同類の自然系よりも優れた特性を有する触媒を生成するために、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを用いるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
マイクロプロセッサといった電気回路を生成する方法であって、現行でフォトリソグラフィ技術による縮尺製造に供されうる形状の約１／１６未満の形状を有する、３Ｄで利用可能なポリ核酸塩基のアセンブリを生成するために、請求項１ないし１８に記載の方法のいずれかを用いるステップを具えることを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１２−５０２９１１（Ｐ２０１２−５０２９１１Ａ）
【公表日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２７０２９（Ｐ２０１１−５２７０２９）
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５６８５８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３１００２
【国際公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（５１０２３２５７７）インサイター インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＣＩＴＯＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５６８５８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３１００２
【国際公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（５１０２３２５７７）インサイター インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＣＩＴＯＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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