金沢大学 ナノ生命科学研究所

前田 勝浩

キラリティとは何か?らせん高分子の機能と合成

らせん高分子を活用した顕微鏡探針の機能化によりがん代謝物の検出を目指す

前田勝浩、金沢大学ナノ生命科学研究所 教授・主任研究者

らせん分子とキラリティ
前田勝浩教授は、動的らせん高分子の合成と応用に関する研究を進めている。その目的は、分子の吸収や発光、色調、あるいは電気特性などの変化を目印として、標的分子のキラリティを検出できる新規キラルπ共役高分子システムを開発することだ。

「多くの生体分子はキラルです。キラルな分子には、右手と左手のように互いに重ね合わすことができない鏡像の関係にある鏡像異性体(D体およびL体)(※1)が存在します。この性質は『キラリティ』と呼ばれています。私たちの体は、鏡像異性体のわずかな違いを識別することができます。たとえば、L-グルタミン酸には『うまみ』がありますが、D-グルタミン酸にはありません。医薬品で言えば、一方には薬効があっても、もう一方は逆に副作用を引き起こすことがあります。このように、分子のキラリティを識別することには重要な意味があるのです」と、前田教授は説明する。

 

らせん高分子の機能と合成
らせん高分子の応用例としてよく知られているのは、高速液体クロマトグラフィー(※2)と呼ばれる手法で鏡像異性体を分離するために用いられるキラル固定相(※3)や、高い鏡像異性体選択性を示す不斉触媒、キラルセンサー、そして、3次元ディスプレイや光通信に用いられる円偏光発光材料などである。

らせん高分子は主に、静的らせん高分子、動的らせん高分子、そしてフォルダマーの3つに分類される。「私の研究では、動的らせん高分子に重点をおいています。動的らせん高分子の特徴的な性質として、不斉増幅、らせん反転、およびらせんピッチ(周期構造の大きさ)の変化などがあります。私たちはこれらの特性を生かして、ナノ生命科学研究所のプロジェクトに取り組んでいます」と、前田教授は語る。

 

走査型プローブ顕微鏡探針の機能化
前田教授は、NanoLSIの研究者たちとともに、走査型プローブ顕微鏡技術により、がん関連の代謝化合物を検出することを目指している。走査型プローブ顕微鏡は、非常に小さな探針(プローブ)で試料をなぞり、その形状や性質を観察することができる技術だ。そこで前田教授は、特定の分子を認識する機能を持たせたらせん高分子をプローブと組み合わせることで、がん代謝物の検出ができないかと考えた。

代謝化合物の検出には、動的らせん高分子が、外部刺激に応答して、その立体構造(らせんの周期構造の大きさや巻き方向など)を協同的に変換する特性をうまく活用する予定である。動的らせん高分子は、様々な外部刺激に高感度に応答して、電気的またはスペクトル的なシグナルの変化を与えることが期待できるためだ。

「私たちのアプローチでは、標的分子との相互作用によって、らせん高分子のピッチが協同的に変化することが期待できます。そこで、ホスト・ゲスト相互作用と生体試料中の特定の分子の分布に関する3Dイメージングを研究するために、SPMプローブを化学的に修飾しようとしています」と、前田教授は説明する。

前田教授は、博士課程でらせん高分子に関する研究を始めた。「なぜヒトはらせん高分子を持っているのか。この疑問が、研究の動機の一つです」。なぜか生命を構成するアミノ酸はL体のみで、DNAのもととなる糖はD体のみであり、ホモキラリティ(片方の鏡像異性体のみが存在)な状態が見られる。「生命の起源という大きな謎に迫るには、キラリティがカギになると考えられます。この研究分野はとても奥深く、好奇心が尽きません」。

 

【用語解説】

※1 鏡像異性体(エナンチオマー)
互いに鏡写しの関係にある分子であり、右手と左手の関係のように互いに重ね合わせることができない。このような性質をキラリティといい、この性質を持つキラル分子は医薬・農薬などの生理活性物質中にも多くみられるが、ほとんどの物理的・化学的性質が同じであるため分離が困難である。しかし,生体はその違いを強く認識するため、有用な鏡像異性体のみを得るための分離・分析技術の開発が進められている。

※2 高速液体クロマトグラフィー(HPLC: High Performance Liquid Chromatography)
移動相溶媒を加圧し高速で混合物を分離・分析する手法。試料をカラムと呼ばれる固定相が充填された管の中を通すことで、固定相と化合物の吸着の差異に基づく溶出時間の差を利用した分離を行う。

※3 固定相
HPLCのカラムの中の充填物であり、固定相と化合物の吸着の差異などを利用して各成分の溶出時間に差を生み出す。中でもキラル分子を固定相とするものはキラル固定相と呼ばれ、一般的な固定相では分離することができないキラル分子の鏡像異性体の分離を可能にする。

 

研究ハイライト

最近の論文として、「キラル増幅とキラルメモリーを利用したらせん状ポリアセチレンによる炭化水素や重水素化アイソトポマー(同位体異性体)の検出困難な隠れたキラリティの直接検出」(J. Am. Chem. Soc.)[1]、および「固体状態におけるらせん状ポリアセチレンの高分子記憶に基づく切替可能なエナンチオ分離」(Nature Chemistry)[2] などがあります。

 

参考文献

  1. K. Maeda et al., “Direct Detection of Hardly Detectable Hidden Chirality of Hydrocarbons and Deuterated Isotopomers by a Helical Polyacetylene through Chiral Amplification and Memory”, J. Am. Chem. Soc., 140, 3270−3276, (2018).  DOI: 10.1021/jacs.7b10981
  2. K. Shimomura et al., “Switchable Enantioseparation Based on Macromolecular Memory of a Helical Polyacetylene in the Solid State”, Nature Chemistry, 6, 429, (2014). DOI: 10.1038/NCHEM.1916

 

関連情報

前田 勝浩
http://kohka.ch.t.kanazawa-u.ac.jp/lab5/saito/index.html
(研究室ウェブサイト)

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