幾 何 学 の 定 理 を 活 用 したものづくり ~ 30 の 頂 点 を 持 つアルキメデスの 多 面 体 ( 二 十 十 二 面 体 )の 化 学 分 子 合 成 ~ 1. 発 表 者 : 藤 田 誠 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 応 用 化 学 専 攻 教 授 ) 藤 田 大 士 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 応 用 化 学 専 攻 特 任 研 究 員 / 科 学 技 術 振 興 機 構 さきがけ 研 究 者 ( 兼 任 )) 2. 発 表 のポイント 3 次 元 空 間 にかかる 幾 何 学 的 な 制 約 をうまく 分 子 設 計 ( 注 1)に 組 み 込 み これまでに 類 をみない 新 物 質 ( 多 面 体 型 ( 二 十 十 二 面 体 )の 巨 大 中 空 分 子 )を 合 成 することに 成 功 し た 合 計 100 成 分 にも 及 ぶ 個 々の 小 さなパーツが 自 発 的 に 組 み 上 がり 最 終 構 造 を 作 る とい う 一 見 不 可 能 とも 思 える 高 度 かつ 精 密 な 制 御 を 実 現 した 今 回 合 成 に 成 功 した 巨 大 分 子 構 造 は タンパク 質 をすっぽり 包 み 込 めるほど 大 きな 内 部 空 間 を 有 するため 将 来 的 にはタンパク 質 のカプセル コンテナとして 活 用 し 分 子 構 造 解 析 を 可 能 にするなど 創 薬 やヘルスケア 分 野 に 貢 献 することが 期 待 される 3. 発 表 概 要 : 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 の 藤 田 誠 教 授 らの 研 究 グループは 3 次 元 空 間 に 課 される 多 面 体 としての 制 約 ( 注 2)を 化 学 分 子 の 合 成 指 針 として 活 用 し 一 見 不 可 能 とも 思 える 多 数 成 分 か らの 巨 大 球 状 構 造 の 自 己 集 合 をこれまでに 達 成 してきました 今 回 分 子 のわずかな たわみ ( 注 3)までも 構 成 成 分 の 分 子 設 計 に 取 り 入 れることで 100 成 分 にも 及 ぶ 多 数 成 分 の 集 合 挙 動 を 高 度 に 制 御 することに 成 功 し アルキメデスの 多 面 体 ( 注 4)のひとつである 二 十 十 二 面 体 型 の 構 造 を 持 つ 新 しい 分 子 を 狙 い 通 りに 合 成 することに 成 功 しました 直 径 8 ナノ メートルを 超 える 前 人 未 踏 の 巨 大 中 空 球 状 構 造 は 従 来 存 在 しなかった 新 しいカテゴリーの 物 質 であり 学 術 的 にも 新 しいナノ 空 間 の 創 出 を 期 待 させる 独 創 性 の 高 い 研 究 成 果 です 4. 発 表 内 容 : 背 景 と 課 題 我 々が 住 む3 次 元 空 間 の 性 質 により 多 面 体 はそのとりうる 構 造 にさまざまな 制 約 を 受 ける ことが 知 られています 例 えば 正 多 面 体 は5 種 類 しか 存 在 しない ことは 紀 元 前 から 知 られ ており また 多 面 体 の 面 頂 点 辺 の 数 を 関 係 づける オイラーの 多 面 体 定 理 ( 注 5)も 幾 何 学 構 造 を 制 約 する 自 然 界 の 法 則 として 有 名 です 化 学 的 につくられるすべての3 次 元 構 造 も 当 然 のことながらこれらの 制 約 を 満 たしています 本 研 究 グループはこの 事 実 を 逆 手 にとって 多 数 の 分 子 が 自 発 的 に 集 まる 自 己 集 合 過 程 において 幾 何 学 的 な 制 約 を 利 用 して 化 学 構 造 を 一 つの 構 造 に 落 とし 込 む という 発 想 で 一 見 不 可 能 とも 思 える 多 数 成 分 からの 巨 大 球 状 構 造 の 自 己 集 合 をこれまでに 達 成 してきました 具 体 的 には 上 下 左 右 の4 方 向 に 結 合 部 位 を 持 つ 金 属 イオン(M)と 金 属 イオン 同 士 を 架 橋 する 湾 曲 した 有 機 分 子 (L)を 組 み 合 わせて 反 応 させると 用 いた 有 機 分 子 のわずかな 構 造 の 違 いに 応 じて M12L24 組 成 の 立 方 八 面 体 や M24L48 組 成 の 斜 方 立 方 八 面 体 が 自 発 的 に 組 み あがることをこれまでに 明 らかにしていました( 図 1) さらに 巨 大 な 多 面 体 構 造 として M30L60
組 成 の 二 十 十 二 面 体 や M60L120 組 成 の 斜 方 二 十 十 二 面 体 生 成 が 予 測 されますが これらの 100~200 成 分 に 近 い 構 成 成 分 からなる 巨 大 な 多 面 体 分 子 の 構 築 は 未 だ 達 成 していませんでし た 成 果 の 要 点 今 回 本 研 究 グループは はじめて M30L60 組 成 の 二 十 十 二 面 体 の 自 己 集 合 構 築 に 成 功 しま した 成 功 の 鍵 を 握 ったのは 表 題 にもある 幾 何 学 的 な 定 理 の 活 用 です たくさんの 成 分 が 集 まって3 次 元 的 に 閉 じようとするとき 出 来 上 がりの 構 造 は 均 一 性 の 高 い 球 に 近 づこうと します シャボン 玉 雨 滴 気 泡 が 自 然 と 球 形 をとろうとするのと 同 じ 原 理 です 本 研 究 グル ープは M と L の 組 み 合 わせでできる3 次 元 構 造 は 球 に 近 い 正 多 面 体 (プラトンの 多 面 体 ) もしくは 半 正 多 面 体 (アルキメデスの 多 面 体 )のいずれかの 形 に 収 束 するという 仮 説 をたて 生 成 可 能 な 構 造 を 予 測 しました 驚 くことに 生 成 可 能 な 構 造 はすべて MnL2n の 組 成 を 持 ち n の 値 は 6, 12, 24, 30, 60 のたったの 5 種 類 に 絞 られることに 気 づきました このように 幾 何 学 的 な 制 約 がはたらくことにより 出 来 うる 構 造 がかなり 限 定 されることから 一 見 困 難 に 思 える 多 数 分 子 からの 自 己 集 合 は 驚 くほど 効 果 的 にたったひとつの 定 まった 構 造 に 収 束 する 性 質 が 現 れてきます 幾 何 学 的 な 制 約 を 利 用 して 化 学 構 造 を 一 つの 構 造 に 落 とし 込 むという 化 学 構 造 の 幾 何 学 制 御 は 藤 田 誠 教 授 らが 提 唱 する 新 しい 物 質 構 造 制 御 の 概 念 です この 概 念 に 従 い これまでに n = 6, 12, 24 の 構 造 を 組 み 立 てましたが 次 に 予 想 されていた n=30 の 組 み 立 ては 難 航 しました n=24 と 30 の 構 造 が 近 いため n = 30 の 構 造 をつくりたく ても どうしても 手 前 の n = 24 の 構 造 に 収 まってしまうことがほとんどでした 今 回 本 研 究 グ ループは 分 子 のわずかな たわみ までも 構 成 成 分 の 分 子 設 計 にとりいれ 自 己 集 合 を 精 密 に 制 御 したところ はじめて 念 願 の 二 十 十 二 面 体 (M30L60 構 造 )をくみ 上 げることに 成 功 しま した( 図 2) できあがった 二 十 十 二 面 体 の 分 子 構 造 は X 線 構 造 解 析 法 を 駆 使 することに よって その 設 計 通 りの 姿 が 明 らかになりました( 図 3) 二 十 十 二 面 体 は 正 三 角 形 20 枚 正 五 角 形 12 枚 を 貼 りあわせた 幾 何 学 的 にも 対 称 性 の 高 い 美 しい 形 をしており アルキメデ スの 多 面 体 と 呼 ばれる 多 面 体 群 のひとつです 直 径 8 ナノメートルを 超 える 前 人 未 踏 の 巨 大 中 空 球 状 構 造 は 従 来 存 在 しなかった 新 しいカテゴリーの 物 質 であり 学 術 的 にも 新 しいナ ノ 空 間 の 創 出 を 期 待 させる 独 創 性 の 高 い 研 究 成 果 です 今 後 の 展 開 今 回 合 成 に 成 功 した 巨 大 分 子 構 造 は 多 くの 平 均 的 な 酵 素 タンパク 質 をすっぽり 包 み 込 め る 内 部 空 間 を 持 ちます 現 在 進 行 中 の 展 開 として 酵 素 タンパク 質 の 人 工 カプセルとしての 応 用 が 挙 げられます 原 子 レベルで 定 まった 精 密 な 構 造 は 従 来 にないさまざまな 高 度 機 能 を 付 与 するのに 非 常 に 有 利 です 例 えば 定 まったサイズを 持 つ 対 称 性 の 高 いカプセルは 今 日 タンパク 質 分 子 構 造 解 析 の 大 きなボトルネックとなっている 結 晶 化 をサポートするコンテナと しての 役 割 が 期 待 されます また 現 在 多 方 面 で 研 究 が 行 われている 機 能 性 酵 素 の 研 究 やドラッ グデリバリーシステムの 土 台 となり これら 研 究 を 加 速 させる 可 能 性 も 期 待 できます 将 来 的 には 医 薬 品 開 発 ヘルスケア 分 野 等 の 発 展 を 後 押 しすることで より 良 い 暮 らしへの 貢 献 を 目 指 します 本 研 究 は 以 下 に 示 す 研 究 グループとの 共 同 研 究 で 行 われました 公 財 ) 高 輝 度 光 科 学 研 究 センター (SPring-8/JASRI)タンパク 質 結 晶 解 析 推 進 室 熊 坂 崇 博 士 水 野 伸 宏 博 士 : X 線 データの 解 析
本 研 究 は 科 学 技 術 振 興 機 構 (JST) 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 ACCEL 研 究 開 発 課 題 自 己 組 織 化 技 術 に 立 脚 した 革 新 的 分 子 構 造 解 析 ( 研 究 代 表 者 : 藤 田 誠 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 教 授 ) プログラムマネージャー: 江 崎 敦 雄 (JST)) および 個 人 型 研 究 (さきが け) 超 空 間 制 御 と 革 新 的 機 能 創 成 研 究 領 域 ( 研 究 総 括 : 黒 田 一 幸 早 稲 田 大 学 理 工 学 術 院 教 授 )における 研 究 課 題 自 己 集 合 が 導 き 出 す 新 規 多 面 体 群 : 物 質 合 成 と 数 学 的 考 察 ( 研 究 者 : 藤 田 大 士 )の 一 環 として 行 ったものです 5. 発 表 雑 誌 : 雑 誌 名 : Chem Cell を 発 行 する Cell Press が 2016 年 7 月 に 刊 行 する 新 しい 化 学 誌 Nature, Science, Nature Chemistry にならぶハイインパクトジャーナルになることが 期 待 される 本 論 文 は 最 も 注 目 が 集 まる 創 刊 号 に 表 紙 掲 載 されることが 決 まっている( 図 4) 論 文 タイトル:Self-Assembly of M30L60 Icosidodecahedron 著 者 :Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Hiroyuki Yokoyama, Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, Makoto Fujita* 6. 問 い 合 わせ 先 : 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 応 用 化 学 専 攻 教 授 藤 田 誠 <JST 事 業 に 関 すること> (ACCEL) 科 学 技 術 振 興 機 構 戦 略 研 究 推 進 部 ACCEL グループ 寺 下 大 地 (テラシタ ダイチ) (さきがけ) 科 学 技 術 振 興 機 構 戦 略 研 究 推 進 部 グリーンイノベーショングループ 鈴 木 ソフィア 沙 織 (スズキ ソフィアサオリ) < 報 道 担 当 > 科 学 技 術 振 興 機 構 広 報 課 7. 用 語 解 説 : ( 注 1) 分 子 設 計 : 分 子 の 部 品 同 士 を 組 み 合 わせて 全 体 の 構 造 を 作 る 今 回 の 研 究 では 車 や 機 械 の 製 作 と 同 様 に 前 もって 個 々の 部 品 を 細 かな 部 分 まで 設 計 する 事 が 求 められる 分 子 の 寸 法 形 状 電 子 的 性 質 などを 最 終 構 造 の 実 現 に 適 した 形 で 最 適 化 する ( 注 2) 多 面 体 としての 制 約 : 多 面 体 の 種 類 は 一 見 無 数 にも 存 在 し 得 そうだが 例 えば 構 成 する 辺 の 長 さが 等 しい 高 い 対 称 性 を 有 する などの 条 件 を 満 たす 多 面 体 は 驚 くほど 限 定 されることが 知 られている
( 注 3) 分 子 のわずかな たわみ : 構 造 式 として 紙 の 上 に 描 かれると 意 識 しにくいが それぞれの 分 子 は 板 バネのように たわませ ることができる このたわみやすさは 個 々の 分 子 によって 異 なるため 適 した 柔 らかさを 持 つ 分 子 を 選 んでくる( 設 計 する)ことが 今 回 の 研 究 の 鍵 であった ( 注 4)アルキメデスの 多 面 体 : 複 数 種 の 正 多 角 形 を 面 とし 各 頂 点 まわりの 面 の 並 び 方 が 同 一 な 多 面 体 ( 半 正 多 面 体 )から 一 部 の 対 称 性 の 低 い 多 面 体 を 除 いたもの 合 計 で13 種 類 存 在 する ( 注 5) オイラーの 多 面 体 定 理 : 多 面 体 の 頂 点 の 数 を v 辺 の 数 をe 面 の 数 を f とした 時 v-e+f=2 がすべての( 穴 のあいてない) 多 面 体 で 成 り 立 つ という 有 名 な 定 理
8. 添 付 資 料 : 図 1 存 在 しうる MnL2n 型 錯 体 の 一 覧 各 頂 点 に 接 続 する 辺 の 次 数 が4という 条 件 を 満 たす 多 面 体 は この 図 に 示 すたった5つのみに 限 定 される 図 2 今 回 初 めて 報 告 した M30L60 型 錯 体 の 合 成 スキーム 合 計 100 成 分 にも 及 ぶ 個 々の 小 さなパ ーツが 自 発 的 に 組 み 上 がり 最 終 構 造 を 作 る
図 3 M30L60 型 錯 体 の X 線 構 造 解 析 結 果 (A) 正 三 角 形 20 枚 正 五 角 形 12 枚 を 貼 りあわせた 形 の 二 十 十 二 面 体 型 の 構 造 が 設 計 したとおりに 得 られていることがわかる (B,C) 電 子 密 度 図 の 拡 大 図 これにより 分 析 の 精 度 が 十 分 に 高 いこと(B) 他 に 類 をみないサイズの 巨 大 な 中 空 空 間 が 存 在 している(C)ことが 明 らかになった 図 4 CellPress 誌 Chem 創 刊 号 の 表 紙 (CellPress 提 供 ) 本 成 果 が 表 紙 に 採 用 された