スポットライトリサーチ

柔軟な骨格を持つトリペプチド分子(1)１４個を、金属配位結合を介して集めることで、タンパク質に匹敵するサイズ（直径：約2 nm）の空間を持つ環状錯体の構築に成功しました（図１,２）。
柔軟な骨格が形成する空間は、生体高分子において、タンパク質のリフォールディングや機能連動など、その複合機能において非常に重要な役割を果たしています。一方で、人工的に同様の構造を創出しようとする場合、エントロピー的に不利なため、柔軟な骨格では大きなサイズの空間を作り出すことは非常に困難でした。そこで、柔軟な骨格から巨大構造を形成する新しいアプローチの創出に挑みました。
今回、トリペプチド配位子に３つの異なる金属配位部を設計し、網目構造を形成しやすくすることに加え、金属配位結合と水素結合により構造を安定化することで、柔軟な骨格から巨大構造を形成する新しいアプローチの創出に成功しました（図１）。この環状錯体は、柔軟なトリペプチドを用いたことで、錯体の形成条件により、わずかにサイズの異なる環状錯体から、空間サイズが１０倍以上異なる環状錯体まで、形成することができました（図２）。さらに、結晶パッキング構造に目を移すと５６個ものユニットが集まった巨大カテナン構造も形成していました（図３）。以上のように、独自のトリペプチド分子により、柔軟な骨格から様々な巨大空間・構造の形成を達成しました。

生体に匹敵する機能材料へ展開したいという思いから、柔軟な骨格からなる環状錯体を用いて、連動可能な複合システムの創出に取り組んできました。これまでに、主鎖骨格にメチレン基を導入して柔軟性を高めたペプチド配位子を用いて、結晶中での構造連動を実現してきました。複数のユニットが連動する複雑系では、そもそも一般的なデザイン指針というものがなく、そのことが学問の発展を妨げていると感じています。この課題を打ち破るには、まず、柔軟な骨格から様々な構造体を作り分けられるようになる必要があります。これまで大きなサイズの構造体のデザイン指針については全く得られていなかったので、今回、基礎デザインを獲得できたことをとても嬉しく思っています。

柔軟な骨格で巨大空間を形成するデザインを見つけ出す部分です。一般に多様な構造が取れる柔軟な骨格で大きな構造体を形成することは容易ではありません。様々なペプチドを導入するなど色々と試したのですが、どれもうまくいきませんでした。最終的に、すでに合成法を確立していた小さな結晶ナノ空間について、官能基の導入に立ち返り設計を見直していく中で、偶然、今回の巨大環状錯体に出会いました。見つけた錯体がどうしてこんなに大きな構造を形成可能だったのかを調べていくと、どうも金属配位結合と水素結合で柔軟な骨格の配座を規定している可能性が見えてきました。生体高分子は、柔軟な骨格で大きな構造体を安定化する上で、高次構造の形成を利用していますが、本研究では、これを金属配位結合に置き換えたことが良かったようです。その高いデザイン性を見るにつけ、生体がなぜ、ペプチドを選んだのかが少しわかったような気がして興奮したのを覚えています。

生体高分子における機能デザインの本質を明らかにし、これをもとに人工的な物質のデザインへと展開したいと思っています。このような基礎研究を通じて、生体に匹敵する複合機能材料の発展に寄与したいです。また、大学におりますので、化学者の卵の教育という点からも微力ながら貢献できれば、、と考えています。

自分の行っている研究は、デザイン指針や方法論としての側面が強いため、今回得た巨大環状錯体独自の新しい機能の創出・展開には、合成化学者をはじめ、様々な研究者の方との有機的な結合が重要だと考えています。ご興味を持っていただけた方は、ぜひご一報ください。