研究最前線

生体の「自己組織化」を応用し化学合成の新たな道拓く

分子一つ一つを自在に積み上げることに成功
顔写真 藤田 誠
(ふじた まこと)
(東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻 教授)
戦略的創造研究推進事業
 研究領域「医療に向けた自己組織化等の分子配列制御による機能性材料・システムの創製」研究代表者
分子が自発的に集まって機能化する「自己組織化」の仕組みは、DNA(デオキシリボ核酸)の二重らせん構造の形成など、生命現象の至るところで見ることが出来ます。東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻の藤田誠教授は、生体系の自己組織化を人工的に応用し、化 学合成の新たな原理の確立を目指す研究に取り組んでいます※1。酵素に匹敵する反応や新薬開発への応用などが期待されています。

※1:戦略的創造研究推進事業の研究領域「医療に向けた自己組織化等の分子配列による機能性材料・システムの創製」の研究課題「自己組織化分子システムの創出と生体機能の化学翻訳」の一環です。
ねらいと背景
無理やりではなく穏やかに結合させる
 藤田教授は、従来の化学合成を「無理やりつくるイメージがあった」と指摘します。時には高温高圧といった条件の下で、力づくで化学反応や物性転換を引き出してきたというわけです。生体系の自己組織化は、それとは全く対照的で、常温常圧の穏やかな環境の中で、分子が精密かつ自発的に集合体を形成し特異機能を発現します。省資源、省エネルギーのお手本です。このような分子の自己組織化は、水素結合や静電相互作用など「弱い結合」を駆動力としています。
 藤田教授の研究は、「配位結合」※2と呼ばれる弱い結合を使うことで、生体系における水素結合などと同じように分子同士を穏やかに結合させることが狙いです。分子同士が出会うと、気が合えば結びつき、合わなかったら離れる、という動きを繰り返し、互いを包み込むような形で集合体を形成します。金属イオンを使うことに独創性があり、金属イオンと有機分子が、互いに引き合う力を利用して自己組織体をつくります。
 自己組織化の仕組みで、分子一つ一つをナノ(10億分の1)メートルサイズにまで自在かつ精密に積み上げることに成功しており、ボトムアップ方式によるナノ構造構築の最も有力な担い手になることが考えられます。

※2:金属と有機分子の結合で、電子対が片方の原子からのみ供給されているような結合を言います。弱い結合の「水素結合」と強い結合である「共有結合」の中間領域の結合力を持っています。
「自己組織化」のイメージ図
分子がひとりでに秩序だって動いてナノ構造体が出来ていく

イメージ図
内容と特徴
オモチャの「レゴブロック」のように
 藤田教授は、自己組織化による分子の構築を「『レゴブロック』(パーツを組み合わせてさまざまな構造物をつくるオモチャ)の世界」と説明します。例えば分子のパネルをつくり、自己組織化でそれを張り合わせ、中空の三次元構造体を思いのままに構築できるからです。
 その出発点は、14年前につくった正方形の分子でした。藤田教授は、有機元素(炭素、水素、酸素など)には含まれないパラジウム※3に着目し、これを有機骨格の「継ぎ手」として使うことを考えました。通常の有機元素には見られない角度90度の結合が含まれるため、この角度を分子設計に取り入れようと考えたのです。
 そこで、パラジウムの4本の「結合の手」のうち、90度の結合で面した2本だけを使えるように設計し、これを棒状の有機分子と反応させました。この二種類のパーツ(部品)の溶液をフラスコの中で混ぜ合わせると、収率100%という思いもかけぬ効率でパラジウム原子を四隅に配置した正方形の骨格が出来上がりました。これは、「配位結合」という穏やかな結合によって、パラジウム原子と有機分子が自然に最も居心地の良い状態に落ち着いたことが原因です。
 この成果をもとに、三次元構造である正八面体構造、さらに大環状構造、連結環状構造、かご構造、カプセル構造、チューブ構造などをつくることに次々と成功しました。
 金属イオンが、いわばユニバーサル・ジョイント(万能継ぎ手)のような役割を果たし、自在に分子の構造物をつくることが可能になったのです。
 藤田教授は「生体分子を構成しているパーツはすごく小さいが、それが集まって大きな意味のある存在になります。生体分子に倣って、パーツ、パーツはできるだけシンプルで小さいものを設計し、それを積み上げることで斬新な構造をつくりたい」と話しています。

※3:白金属元素の一種。さまざまな有機分子と4方向で結合し、平面型の安定な配位化合物をつくります。
「ナノフラスコ」の概念図
ナノフラスコ(図の中央部分)の中で化学反応をおこして
他ではつくれないような新しい物質を合成する

概念図

展望
全く新しい化合物の開発も
 この自己組織化技術の将来展望について、藤田教授は「物づくりの原理を研究するために始めたもので、このつくり方で、何が出来るか、今のところ海の物とも山の物ともつきません」としていますが、その一方で、この成果を広く展開し、応用研究が進展することを望んでいます。
 自己組織化による手法でつくられた中空の分子構造は、ナノメートルサイズのフラスコとして、従来の化学反応では起こすことのできなかった特殊な反応の開発や新しい物性の発現を可能にすることが考えられます。また、不安定な状態の物質を閉じ込めることにも使えます。薬を収めて、病巣だけに薬効をもたらすドラッグデリバリー(薬物送達)システムなどの可能性も秘めています。生体分子と人工分子を組み合わせた全く新しい化合物の開発なども期待されます。
研究者のコメント
「不揃いな混ざり物ではなく、生体分子のように、あくまで明瞭な構造を持った集合体の自己組織化と機能の追求をしているため、『隅々まで化学構造式が書ける』ことや『隅々まで化学構造が証明できる』ことにこだわってきました。したがって、構造決定は、いつもギリギリのところでやっており、大変苦労しております。共同研究者には最先端のホットな解析技術の提供はもちろん、時には新手法を手掛けていただき助けていただきました。こうして求まった構造を手にして、我々自身が自己組織化の威力と神秘さに魅せられ、あらたな挑戦が始まるわけです」
藤田教授ホームページ:http://www.appchem.t.u-tokyo.ac.jp/appchem/labs/fujita/

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