化学賞は分子機械の欧米3氏に

 スウェーデンの王立科学アカデミーは10月5日、2016年のノーベル化学賞を機械のような動きをする分子の設計と合成に成功した米国、フランス、オランダ3国の3人の研究者に授与すると発表した。3日に医学生理学賞受賞が決まった東京工業大学の大隅良典(おおすみ よしのり)栄誉教授に続く日本人ダブル受賞はならなかった。

 授賞理由は「分子機械（マシン）の設計と合成による世界最小の機械開発」。受賞したのはフランス・ストラスブール大学のジャン・ピエール・ソバージュ名誉教授、米ノースウエスタン大学のジェームス・フレーザー・ストッダート教授、オランダ・フローニンゲン大学のバーナード・フェリンガ教授の3氏。

 ソバージュ名誉教授は、2つの分子が知恵の輪のように結びついた「カテナン」という特殊な形をした分子の合成に成功した。こうした分子は、ほかにも、ドーナッツ状の分子をダンベル状の分子が貫くように結びついた「ロタキサン」などさまざまな形がある。

 ストッダート教授やフェリンガ教授は、こうした分子に温度や光など外部から刺激を加えると、分子の一部が動くことで、あたかもスイッチやモーターのように機能する「分子マシン」と呼ばれる技術を開発した。


 この技術は、コンピューターの超小型化や、1ミリの100万分の1という「ナノ」レベルの分子マシンなどの開発などへの応用が期待されている。

 ノーベル賞の選考委員会は「彼らの研究は化学の新しい次元を切り開いた。1830年代に研究が進んだ電気モーターが、その後、電車や洗濯機などの開発につながったのと等しい意義がある。分子マシンは新しい素材やセンサー、エネルギーの貯蔵システムの開発に活用されていくだろう」と評価している。

 分子マシンの研究分野では、新海征治(しんかい せいじ)九州大学名誉教授が、ナノ単位の機械製造で研究成果を挙げている。授賞式は12月10日にストックホルムで開かれ、賞金800万クローナ(約9,500万円)が3氏に贈られる。

 分子マシンとはどのようなものだろうか？

 生物内部に多数存在する分子マシン

 生体内には、ATP（アデノシン三リン酸）などの高エネルギー物質との結合形成を引き金に駆動する分子機械が数多く存在している。最も身近な例が筋肉であろう。私たちは体がしっかり動いてくれなければ生活できない。

 骨格筋の成分であるミオシン（myosin）は、アクチン上を運動するタンパク質である。ミオシンはATPase活性を持ち、ATPを加水分解しながら、－端から＋端に向かってアクチンフィラメント上を移動するモータータンパク質である。

 微生物の鞭毛(べんもう)なども、もっとも巨大な生体内分子機械として位置づけられている。生体膜の両側のプロトンの濃度勾配(こうばい)を利用して一方向に回転しながらATPを合成するATP合成酵素、ダイニン（細胞内での物質輸送に関連）のように、アクチンフィラメントや微小管といったファイバー状タンパク質集合体の表面を直線的に移動しているものもある。

 分子機械は、このようにまるで機械のように、並進や回転などの制限された動きを誘発する分子や分子集合体を意味し、タンパク質が複合してできた生体内分子機械、有機合成化学を駆使して合成された人工（合成）分子機械、および生体内分子機械の一部に人工的な改変を加えて得られた半人工分子機械の三つに大別される。

 今回のノーベル化学賞のテーマは「分子マシンの合成と設計」。1980年代や90年代に行われた研究で、有機合成反応を利用して、身の周りの機械や生体内の分子機械の動きをヒントに考案された分子をいう。現在では非常に基礎的な手法となっている。 できあがる分子マシンは数ナノメートルレベルで、これは100万分の数ミリレベル。

 化学の根本は電子の流れ。シンプルな分子だと、電子の流れもスムーズで分子としてまとまりやすいのだが、たくさんの原子からなる大きくて複雑な構造の分子になると電子の流れが悪くなり、分子としてのまとまりが悪くなる。受賞の理由にある「設計」とは、こうした電子の流れをきちんと計算して分子の合成を行っていることを評価している。

 分子マシンとは何か？

 分子マシン、もしくは 分子機械（molecular machine）は、ミクロスケール、あるいはナノスケールで制御された機械的動きを起こす分子、あるいは分子複合体である。分子機械には大きく分けて、生体分子機械と合成（人工）分子機械がある。

 生体分子機械：生体分子機械は生体内に存在するタンパク質で、分子モーターとも呼ばれる。方向性のある動きによってなんらかの機能を発現する。例として次のようなものが存在する。

 ATP合成酵素（タンパク質複合体が回転しながらATPを合成する）、ミオシン（アクチンフィラメントの上を直線運動し、筋肉の収縮運動の元となる）、キネシン、ダイニン（微小管の上を直線運動し、細胞内での物質輸送を担う）

 これらのように明らかな方向性を持ち、比較的大きな動きを起こす分子モーターでなくとも、多くの酵素はその広い領域でのコンホメーション変化が起こることで機能を発現している。このことから、一般に酵素などのタンパク質のことを分子機械と呼ぶこともある。

 合成分子機械：有機合成反応を利用して、身の周りの機械や生体内の分子機械の動きをヒントに考案された分子機械が多数報告されている。これらは、同じ動きを繰り返して行ったりすることができる。あるいは、光、熱、pH（水素イオン濃度）変化、酸化還元反応など、外部から加えられた刺激に応答して分子の構造を変化できるものもある。

 合成分子機械の最初の例は、2分子のクラウンエーテルをアゾベンゼンで連結した化合物である。紫外線・可視光線の照射でアゾベンゼンユニットをシス体・トランス体に異性化させると、分子構造が大きく変化するので、カチオンに対する親和性を変化させることができる。

 その後、ロタキサンやカテナンといった超分子モチーフを利用した例が報告されている。これらは、構成ユニットの相対的な位置関係を外部刺激により変化させることができる（分子シャトル）。

 その他にも、分子内の一部分が他の部分に対して一方向に回転するもの（分子ローター）などが知られている。また、動きを伝達するギア（歯車）の仕組みを利用して、実際にゲスト分子を捕捉(ほそく)してねじることができる分子ピンセットなども報告されている。

 生体内分子機械にはない堅牢(けんろう)さを生かし、トップダウン加工技術を利用して合成分子機械をスイッチング素子とした分子デバイスの開発が試みられている。

 生命を超える分子マシンできるかもしれない

 生物は分子の集合体である。それでは、分子から生物を創り出すことができるだろうか？今はまだできない、しかし、種々の分子を部品として、生物と似ているものの、生物とは違ったものをつくってみるのは面白い。

 私たちは、ブドウ糖が環状に結合したシクロデキストリンという化合物が、その穴にポリマー(鎖状分子)を選択的に取り込み、ネックレスのような構造を形成(自己集合)することを見出した。鎖状分子が、その端からシクロデキストリンの輪を次々にくぐり抜けて結晶となる。

 しかし、このままではシクロデキストリンがポリマー鎖からはずれてバラバラになってしまう。そこでこのポリマー鎖の両端に、シクロデキストリンの輪を通り抜けることができないような、大きめのほかの分子をくっつけた。中のポリマーは、もう外に出ることはない。

 この分子はまさに軸を通したローターであり、エネルギーを与えてやれば、輪は軸のまわりで回転し、軸が十分長ければ輪は軸にそって左右に移動する。鎖状分子の中に相互作用のいくぶん強いところを組み入れてやれば、そこで止まったり、また動いたりするだろう。これは、分子レベルで情報を記憶し、処理できる分子素子への可能性を示唆しており、分子コンピュータも夢ではなくなってきている。

 さて、この分子ネックレスの特徴は何だろうか。多くのビーズが、ポリマー鎖にそって一次元状に並んでいる。そこで私たちは、今度はこのネックレスの、隣り合うビーズとビーズの間に橋をかけてつないでやる。これを強いアルカリ水溶液で処理すると、両端の大きなストッパーが切り離される。そうすると、中の軸も抽出により取り除くことができる。

 その後、中和して精製してやると、思いどおりの長さのチューブができた。このチューブは内径が0.45ナノメーター(1ナノメーターは、100万分の1ミリ)で、おそらく合成されたものとしては、もっとも細いチューブである。このチューブは細長い分子を選択的に強く取り込む。イオンや電子の通り道になる。

 生物には、輪をつないだ構造のチューブはない。しかし、化学の世界ではそれができる。DNAに遺伝情報を託すことで、生物は安定した進化を可能にしたが、そのために、利用できる分子の種類に制約ができたとも言える。

 分子の自己集合は生物ではよく見られる現象だが、分子の世界(化学)でも注目されてきている。扱う分子がより複雑に、さらに大きくなる(高分子)と分子のもつ情報量が多くなり、より多様な分子集合体が形成されるようになる。

 生物にはない分子を使って「変わり者」をつくる。外部の情報を的確かつ鋭敏に感知し、判断し、行動を起こす分子(あるいは分子集合体)の登場とその発展は、未知の分野を築くことだろう。

 さらに自己修復、自己増殖できるシステムをつくることができれば、すばらしい。現在では困難なことだが、生物はすでにやっている。DNAに頼らない生物があってもいいかもしれない。(はらだ・あきら／ 大阪大学理学部助教授) 


参考 サイエンスポータル： ノーベル化学賞は分子マシンの欧米3氏に

人体の分子の驚異―身体のモーター・マシン・メッセージ
クリエーター情報なし
青土社
分子デバイスおよび分子マシン―ナノワールドへの誘い
クリエーター情報なし
エヌ・ティー・エス
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