3D DNA-オリガミ　モデリング＆シミュレーション

DNAオリガミの全原子3次元モデリングには多くの課題が存在する。caDNAnoのような相補配列に基づくDNAオリガミ設計ツールは便利かつ有用であるが、配列設計通りにDNAオリガミ構造が作れることを必ずしも保障しているわけではない。特に、足場となるスキャフォールドDNA（1本鎖DNA）を短いステープルDNAでホッチキスのように留めて作るDNAオリガミ構造体では、物理的な制約により折り曲げられない場合、ステープルDNAが届かない場合、DNA鎖のらせんの向きにより立体障害が発生する場合などがある。全原子DNAオリガミモデルを構築する場合、DNA構造を維持しながら立体障害が起きないようにいかにしてステープルDNAの二重らせんを配置するかが課題となる。

また、立体障害が生じないようにDNAオリガミ全原子モデルを構築しても、原子数が20万～30万個と極めて多いためGromacsのような分子動力学シミュレーションでは計算時間がかかり過ぎるという課題が生じる。この課題を解決する一つの手法として、Elastic Network Restraints-Guided (ENRG) 分子動力学シミュレーションが知られている。ENRGでは、溶媒分子を使わず、分子モデルの立体構造を維持するための制約条件をElastic Network Restraintsとして与えることでシミュレーション時間を大幅に短縮している。

ENRG分子動力学シミュレーションをアングリー顔型DNAオリガミおよびハート型DNAオリガミに適用し、AFM画像に近いDNAオリガミ構造を維持できることを確認した。逆に言うと、このような制約条件を加えない限り、AFM画像で観測できるような立体構造はシミュレーションでは再現できないことを意味する。Gromacsでのシミュレーション結果と併せて考えると、DNAらせん構造の形成に関してはNa+、Cl-が、DNAオリガミの形成に関してはMg2+などの溶質が重要な働きをしており、AFM画像の再現には溶媒効果を含むシミュレーションが必要なことを示唆している。また、このような分子シミュレーションで観察できるのはDNAオリガミ構造の安定性についてであり、DNAオリガミを形成する自己組織化の過程が見えているわけではない点に注意が必要である。

参照先：
ENRG DNA Origami Structure Project:  http://bionano.physics.illinois.edu/origami-structure

CC BY 4.0
Ryuzo Azuma, Sae Kishi, Greg Gutmann, Akihiko Konagaya: All-atom molecular dynamics of film supported flat-shaped DNA origami in water, Chem-Bio Informatics Journal/Volume 18 (2018)
https://doi.org/10.1273/cbij.18.96
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