Rheology and Programmable Gelation of DNA Origami Polymer Tadpoles

技術的サマリー：DNA オリガミポリマータコプールのレオロジーとプログラム可能ゲル化

問題提起
数十年にわたる研究にもかかわらず、リング、タコプール、キメラ構造などの非自明なトポロジーを持つポリマーの合成は依然として困難です。従来の化学合成は、精密な構造制御の難しさ、直鎖状汚染物質からの困難な精製、および溶液のレオロジーを決定する上で直鎖状鎖の汚染物質が支配的であるという点で苦戦しています。一方、コンピュータシミュレーションと限定的な実験は、「スレッド（貫通）」制約により、タコプール（直鎖状の尾部と環状の頭部を持つ構造）のような「トポロジカル」ポリマーが特異的なダイナミクスを示すことを示唆していますが、レオロジー研究のためにこれらの構造のスケール可能な純粋な溶液を実現することは困難でした。本論文は、高密度かつ絡み合った領域におけるこれらのトポロジカルポリマーのレオロジカル挙動を調査するために、純粋なトポロジカルポリマーのスケール可能な量を合成するという課題に取り組んでいます。

手法
著者は、特定の複雑なトポロジーを持つポリマーを設計するために DNA オリガミを利用しました。

• 設計と合成: スキャフォールドとして M13mp18 ファージベクター（8064 bp）を使用し、直鎖状、環状、タコプールの 3 つの異なるトポロジーを設計しました。タコプールの設計では、環状の頭部と直鎖状の尾部の比率（1/4、1/2、3/4）を変化させました。
• 作製: 構造は、特定のスタプルセットを用いた標準的なプロトコルで折りたたみました。直鎖状スキャフォールドは、環状スキャフォールドの酵素切断によって生成されました。タコプール構造には、スキャフォールドを頭部として閉じながら尾部を残すための特定の「ループ形成」スタプルが必要でした。
• 濃縮: 絡み合い領域に達するために、サンプルを約 $10C^*$（重なり濃度の 10 倍）まで濃縮しました。直鎖状および環状のサンプルにはエタノール沈殿を用い、タコプールには凝集を防ぐために Amicon フィルターを使用しました。
• 特性評価:
  • ゲル電気泳動: トポロジーの分離を検証し、分子量ラダーとのバンド強度の比較により収量および質量を推定するために使用されました。
  • 原子間力顕微鏡（AFM）: 単一分子の折りたたみとトポロジーを確認するために、空気中および液中で実施されました。
  • マイクロレオロジー: 少量のサンプル体積を考慮し、粘弾性特性を測定するためにマイクロレオロジーが使用されました。トレーサー粒子（BSA 被覆、1.1 µm）を溶液中に埋め込み、そのブラウン運動をビデオ顕微鏡（短時間では 400 fps、長時間では 2 fps）で追跡し、平均二乗変位（MSD）、粘度（$\eta$）、および貯蔵・損失弾性率（$G', G''$）を計算しました。
• プログラム可能ゲル化: 再構成可能性をテストするために、サンプルを熱アニール（70°C まで加熱し冷却）にかけ、in situでの再折りたたみを誘発しました。さらに、タコプール溶液に「競合」直鎖状スタプルを添加し、鎖置換とネットワークの分解をテストしました。

主要な結果

1. 絡み合った溶液におけるトポロジー非依存レオロジー: スレッドによるタコプールポリマーが著しく遅いダイナミクスと高い粘度を示すと予測されたシミュレーションとは対照的に、マイクロレオロジーデータは、直鎖状、環状、およびタコプールの DNA オリガミ溶液が、普遍的なレオロジカルスケーリング則に従うことを示しました。
   • 粘度（$\eta$）および弾性プラトー弾性率（$G'_p$）は、絡み合い領域における直鎖状鎖の古典的ポリマー物理学と一致する濃度（$C$）に対してスケーリングしました（例：$\eta \sim C^{4.7}$）。
   • 著者は、このトポロジー依存性の欠如を、DNA オリガミスキャフォールドの長さが不十分であること（約 8 kbp）に帰因しています。これらの長さでは、ポリマーは最大でも 3〜4 回の絡み合いしか経験せず、巨視的レオロジーを変化させるために必要な深い「スレッド」状態を発達させるには不十分です。
2. 熱再構成によるプログラム可能ゲル化: 初期のレオロジーはトポロジー非依存でしたが、熱アニールはトポロジー依存性のゲル化経路を明らかにしました。
   • 直鎖状/環状: 加熱および冷却は構造やレオロジーを変化させませんでした。スタプルは元の位置に再ハイブリッド化しました。
   • タコプール: 70°C まで加熱すると「ループ形成」スタプルが融解しました。冷却すると、これらのスタプルは同じ分子内ではなく、異なるスキャフォールド分子間で再ハイブリッド化し、架橋ネットワークを形成しました。
   • レオロジカル影響: $C^*$ 以上の濃度でのタコプールのこの in situ再折りたたみは、粘度の劇的な増加（約 16 倍）と、サブ拡散的なゲル様挙動（弾性プラトー）の出現をもたらしました。一方、直鎖状サンプルは影響を受けませんでした。
3. 鎖置換による可逆的ゲル化: 架橋されたタコプールネットワークは、過剰な直鎖状競合スタプルを添加することで分解できました。これらの競合物は、より短く不安定な「ループ形成」スタプルを置換し、スキャフォールド間の架橋を切断しました。これにより、粘度の可逆的な低下（2 時間で約 3 倍の減少）と流体様挙動への回帰がもたらされ、ゲル化が室温でプログラム可能かつ可逆的であることを示しました。

意義と主張
本論文は、複雑なトポロジーを持つポリマーを DNA オリガミを用いて作成し、高濃度でそのレオロジーを研究した最初の実証を提供すると主張しています。

• 合成プラットフォーム: この研究は、従来のトポロジカルポリマーに必要な困難な合成経路を回避する viable なプラットフォームとして DNA オリガミを確立し、明確な構造を持つ「キメラ」構造の作成を可能にしました。
• レオロジカル洞察: この研究は、選択された DNA オリガミスキャフォールドが無限または非常に長いトポロジカルポリマーに対して予測された特異的な「スレッド」ダイナミクスを示すには短すぎましたが、普遍的なスケーリング則に従う古典的ポリマーとして機能することを示唆しています。これは、スキャフォールド長が十分であれば、DNA オリガミをポリマー物理学のモデルシステムとして使用することを検証するものです。
• 熱応答性材料: 主な機能的貢献は、「プログラム可能ゲル化」の実証です。特定のスタプル配列を設計することにより、著者は、熱履歴または競合鎖置換によって引き起こされる可逆的かつトポロジー依存性の相転移（ソル - ゲル）を DNA オリガミ流体に設計可能であることを示しました。これは、新しい化学合成経路を必要とせずに熱応答性複合流体を設計するための新たな道筋を提供します。

著者は、スキャフォールド長の制限により初期状態におけるトポロジー依存レオロジーの観察という特定の目標は達成されなかったと控えめに結論付けていますが、トポロジー依存性架橋を通じたゲル化のプログラム能力は、複雑で応答性の高いソフトマテリアルの設計に向けた重要な一歩を表しています。今後の研究としては、スレッド効果をよりよく誘起するために、複数のスキャフォールドを融合して長さを増やすか、構造を剛性化することが提案されています。