DNAモアレ格子が新しい自己組織化材料を実現

格子メタマテリアル

材料科学の新たなフロンティアは、格子状の微細構造を組み立てることです。格子とは、交差したストリップや線で構成され、規則的に繰り返すパターンを持つ複雑な構造です。

これらの構造は材料の特性を大きく変えることがあり、例えばはるかに強く、より柔軟に、光の反射特性が変わるなどがあります。

格子は正方形、六角形ハニカム、カゴメなど、さまざまな基本形状を取ることができます。

Source: Research Gate

さらに、2層の格子材料を組み合わせることで、個々の層の可能性をはるかに超える高度な特性を実現できます。例えば、タングステン・セレン材料のねじれ二層が持つ潜在的な超伝導特性について議論しました。

スタットガルト大学、アリゾナ州立大学、マックス・プランク研究所の研究者らが、まったく新しいタイプの材料を発明しました。

彼らはDNA分子を用いた自己構築構造を作り上げ、光、音、電子の制御方法に革命をもたらす可能性があります。その結果は権威ある学術誌 Nature Nanotechnology¹ に「DNAモアレ・スーパラティス」というタイトルで掲載されました。

モアレ・スーパラティス

モアレ・スーパラティスは、2次元（2D）材料をわずかなねじれ角または格子ミスマッチで積層することで作られる人工材料です。

Source: Nature Nanotechnology

このミスマッチは「スーパーパターン」すなわちモアレパターンを生み出し、元の2つの格子の基本パターンとは異なる構造になります。光や電子がこのモアレパターンと相互作用することで、材料に新たな特性が付与されます。

これまで、材料科学におけるモアレパターンは、原子スケール（例：グラフェン層、0.1 nm）または顕微鏡スケール（1 mm の千分の一）という、極端に異なる2つのスケールでしか構築されていませんでした。

Source: Nature Nanotechnology

これらの製品は一般に非常に複雑で、転写、スタッキング、ねじり、サブ格子の整列といった細かな製造工程が必要です。

しかし、ナノメートル単位の中間スケールでのモアレ・スーパラティスは存在しませんでした。研究者たちがDNAを用いてこれを実現したのです。

DNAスーパラティス

DNAは非常に特殊な小分子で、ナノスケールで自己組織化して複雑なパターンを形成する自然な傾向があります。その一例が、相互に結合したDNAヘリックスからなるDNAオリガミバンドルで、研究者が使用した構成要素のひとつです。

Source: Nature Nanotechnology

二番目の構成要素は、正方形、六角形ハニカム、カゴメ形状の単鎖タイル（SST）からなる2次元DNAタイルサブ格子です。透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて格子構造の規則性と品質が確認されました。

Source: Nature Nanotechnology

研究者はDNAオリガミバンドルを「シード」として使用し、はるかに大きな格子が自然に自己組織化できるようにしました。シードの種類を変えることで、異なるタイプのDNA格子が形成され、最終形状を高精度に制御できます。

Source: Nature Nanotechnology

生成された際、多くの格子が混ざり合い、DNA分子からなる二層格子（バイレイヤー格子）を形成しました。シードや温度のバリエーションによる生産条件の違いにより、二層格子と単層格子の生成比率を限定的に制御できます。

Source: Nature Nanotechnology

DNA二層・三層構造の解析

走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、研究者はこれらのナノスケール二層構造を解析しました。

単層は高さ約39.0 nm、幅は約1 µmです。

Source: Nature Nanotechnology

ねじれ二層が同一サブ格子（正方形‑正方形、カゴメ‑カゴメ、ハニカム‑ハニカム）を使用した場合、二つの単層はほぼ完全に（ただし完全ではなく）重なります。

これらは、混合パターンと比較して二層に最も興味深いモアレパターンを生み出す組み合わせです。

Source: Nature Nanotechnology

研究者はさらに三層パターンも作製し、より複雑で自己組織化するモアレパターンを実現しました。

Source: Nature Nanotechnology

混合層が興味深いパターンを示さないというわけではなく、例えば正方形‑カゴメ‑正方形の三層でも面白いパターンが観察されました。将来的には異なるシードやDNA構造を用いることで、さらに多くのパターンが創出できる可能性があります。これは、史上初のナノスケールモアレパターンであることを考えると、今後の展開が期待されます。

Source: Nature Nanotechnology

これらのパターン開発に対する制御はさらに進められ、研究者はすでに解決策を検討しています。例えば、オリガミシードをナノファブリケーション手法で基板上に正確に配置すれば、チップ上の所定位置に組み立てることが可能です。

応用

自己組織化DNA格子と新しい材料製造技術は、ナノスケールでの精密製造を必要とするあらゆる分野で応用が期待されます。

これは主に、極めて高い空間分解能、正確なアドレス指定、プログラム可能な対称性をほぼ完璧に兼ね備えているためです。

最初の応用例としては、ナノスケールの足場（スキャフォールド）として利用することが考えられます。例えば、蛍光分子、金属ナノ粒子、または半導体をカスタマイズした2D・3D構造に結合させることが可能です。

別の選択肢としては、化学的修飾により多層格子を剛性フレームワークに変換することが挙げられます。

こうしたフレームワークは、フォノニック結晶や機械的メタマテリアルとして再利用でき、振動応答を調整可能です。これらのシステムはセンサーやフォトニックコンピューティングに多くの潜在的応用があります。

最後に、DNAはスピン選択的電子輸送特性を持つことが知られており、格子はスピン選択的電子輸送特性を有する可能性があります。

“これは量子材料を模倣することが目的ではありません。幾何学的制御を分子レベルに直接組み込むことで、底から新しい構造化物質を構築できる設計空間を拡大することが目的です。”

Prof. Laura Na Liu – Director of the 2nd Physics Institute of Stuttgart University

DNA & ナノテックへの投資

Twist Biosciences

同社はDNA合成を専門とし、半導体産業のミニチュア化手法を活用して研究者の時間とコストを削減します。

高度なDNA・RNA合成能力により、抗凝固製品市場が拡大すれば、Twistは主要なアプタマー製造業者へと急速に成長する可能性があります。

「中立的」なプロバイダーとして、最高品質の核酸配列を最適価格で提供することに注力しているため、データストレージや抗凝固アプタマーなど有用な核酸を商業化したい製薬会社にとって、製造パートナーとして最適です。

2023年1月に同社は新たに立ち上げた第2製造拠点から製品出荷を開始しました。この新工場により、Twistの生産能力は倍増します。

また、DNAベースのデータストレージの開発にも取り組んでおり、電子システムに依存しないデータ保護が可能になると期待されています。

このミニチュア化により、反応体積を1,000,000分の1に削減し、スループットを1,000倍に向上させ、単一シリコンチップ上で9,600遺伝子をフルスケールで合成できるようになります。

Source: Twist Biosciences

同社は産業用DNA製品の製造に長けているため、半導体、化学、コンピューティング産業において、オンデマンドDNA化学物質、DNAベースのデータストレージ、DNA格子など、ナノ構造構築の重要ツールとしてDNAが活用されることで大きな恩恵を受ける可能性があります。

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参照された研究

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. DNA moiré superlattices. Nature. Nanotechnology. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}