[論文レビュー] Direct Base-to-Base Transitions in ssDNA Revealed by Tip-Enhanced Raman Scattering

Xiu-Mei Lin, Tanja Deckert‐Gaudig+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

DNA and Nucleic Acid Chemistry被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、アーゲニン（A）とシトシン（C）からなる単鎖DNA（ssDNA）配列をプローブすることで、顕微鏡的増強ラーマン分光法（TERS）における準ナノメートル空間分解能を実証した。TERSプローブをssDNAに沿って走査することで、アーゲニンとシトシンの間で明確な塩基対塩基の遷移が直接観察され、環境条件下でも1 nm未満の空間分解能を達成した。

ABSTRACT

In the present contribution, specifically designed single-stranded DNA (ssDNA) sequences composed of adenine and cytosine were used as nanometric rulers to target the maximum achievable spatial resolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) under ambient conditions. By stepping along a strand with a TERS tip, the obtained spectra allowed for a clear spectral discrimination including conformational information of the nucleobases, and even sharp adenine-cytosine transitions were detected repeatedly with a spatial resolution below 1 nm.

研究の動機と目的

• 環境条件下での生物学的分子における顕微鏡的増強ラーマン分光法（TERS）で可能な限り高い空間分解能を達成すること。
• TERSを用いて単鎖DNA（ssDNA）の個々の塩基を解像可能かどうかを検討すること。
• ラーマン分光法を用いてssDNAにおける直接的で塩基特異的なスペクトル分離を実現する手法を開発すること。
• ssDNAにおける隣接する塩基間の構造的および化学的遷移をナノスケールで解明すること。
• リアルタイムで環境条件下での核酸配列の高分解能分子マッピングの可能性を検証すること。

提案手法

• 分子定規として機能するように設計された、アーゲニン（A）およびシトシン（C）の塩基のみからなる特異的ssDNA配列を合成した。
• 金属製のプローブを用いてナノスケールの局所的電磁場増強を実現する顕微鏡的増強ラーマン分光法（TERS）を採用した。
• ssDNA鎖に沿ってTERSプローブを段階的に走査し、高い空間精度で連続するラーマンスペクトルを収集した。
• 収集したラーマンスペクトルを解析し、アーゲニンとシトシンの塩基に対応する明確な振動モードを特定した。
• スペクトル差分法を用いてAとC塩基間の遷移を特定し、塩基ごとの識別を可能にした。
• AとCのリピーター間で鋭く再現性の高い遷移が観察されたことから、空間分解能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 顕微鏡的増強ラーマン分光法（TERS）は、環境条件下でもssDNAの個々の塩基を準ナノメートル空間分解能で解像可能か？
• RQ2 TERSでプローブされたssDNAにおいて、アーゲニンとシトシンを区別するスペクトル的特徴は何か？
• RQ3 アーゲニンとシトシンの直接的な塩基対塩基遷移を、高信頼性でTERSで検出可能か？
• RQ4 環境条件下でのssDNAにTERSを適用した場合、達成可能な空間分解能はどの程度か？
• RQ5 隣接する塩基間の構造的および化学的差異は、ラーマンスペクトル解析によって解像可能か？

主な発見

• 本研究では、環境条件下での単鎖DNA（ssDNA）をプローブした顕微鏡的増強ラーマン分光法（TERS）において、1 nm未満の空間分解能を達成した。
• プローブ走査中に、アーゲニンとシトシン塩基間で鋭く再現性の高い遷移がラーマンスペクトルで直接観察された。
• アーゲニンとシトシンの明確な振動モードが同定され、両塩基間の明確なスペクトル分離が可能となった。
• TERS技術はssDNA内の個々の塩基を解像可能であり、単一塩基レベルでの化学的マッピングの可能性を示した。
• 本手法により、隣接する塩基間の構造的および化学的状態の変化を高精度で検出可能となった。
• 結果から、TERSが単一塩基レベルでの直接的でラベルフリーなssDNA配列分析のナノスケールのツールとして利用可能であることが確認された。