(57)【要約】【課題】本発明は、光の照射によるエネルギーを利用して化学反応を惹起し、光を照射された場所に限定された空間内においてのみ有機化合物の結合を切断し、さらに光の波長を選択することで切断する結合を限定し、従来は酵素等においてのみ実現されていた有機化合物の構造変化及び特定の分解物生成を光の照射により実現する方法及びその装置を提供するものである。【解決手段】本発明は、十分なエネルギー密度を備えた光を必要な場所のみに照射する装置を用いて、有機化合物分子内の特定の部位のみに作用する光の波長、すなわち切断を行う結合部位の分子振動に共鳴する波長を選択して照射することによって有機化合物内の特定の結合を特異的に切断する方法を実施し課題を解決するものである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射することにより行う有機化合物の結合の切断による、有機化合物の分解、構造改変、誘導体生成の方法。
【請求項２】
請求項１に記載の結合切断を空間的に制御する光走査系並びに集光光学系から成る装置。
【請求項３】
光を照射することにより行う有機化合物のペプチド結合及び擬ペプチド結合の切断による、有機化合物の分解、構造改変、誘導体生成の方法。
【請求項４】
ペプチド結合及び擬ペプチド結合を含む複数の結合により構成される有機化合物において、光を照射による作用が特定の結合部位特異的であり、その結果として特定の結合部位のみを切断し特定の産物を得る方法。
【請求項５】
ペプチド分子及びその誘導体分子内の分解部位を特定した請求項４に記載の光による分解方法。
【請求項６】
たんぱく質及びその誘導体分子内の分解部位を特定した請求項４に記載の光による分解方法。
【請求項７】
物質が薬物である分子内の分解部位を特定した請求項４に記載の光による分解方法。
【請求項８】
ペプチド分子及びその誘導体における光照射により制御される請求項４に記載の構造変化並びに誘導体の生成方法。
【請求項９】
たんぱく質及びその誘導体における、光照射により制御される請求項４に記載の構造変化並びに誘導体の生成方法。
【請求項１０】
物質が薬物である光照射により制御される請求項４に記載の構造変化並びに誘導体の生成方法。
【請求項１１】
光が赤外光である請求項１及び３〜１０に記載の方法。
【請求項１２】
光が赤外光である請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
分子振動に共鳴する波長の光の照射を用いることに特徴を有する、光照射により分子に伝達されるエネルギーの化合物分子内の分布を制御する請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
光の波長が有機化合物の特定の分子振動に共鳴する波長の近傍である請求項１及び３〜１１、１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
光の波長が有機化合物の特定の分子振動に共鳴する波長の近傍である請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
ペプチド結合におけるアミドＩ吸収帯である波長５．９から６．２μｍ近傍の波長の光を用いた請求項１及び３〜１１、１３、１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
光が断続的なパルス光である請求項１及び３〜１１、１３、１４、１６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光照射によりペプチド結合及び擬ペプチド結合及び有機化合物内の特定の結合を切断する方法及びそのための装置に関するものである。より詳細には、分子振動に共鳴する赤外光が照射された部位におこる振動励起を利用して分子内の特定部位の結合を切断し、さらに光を照射された場所という空間的に制御された条件下で分子の分解、構造の改変、誘導体の生成を行う方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】有機化合物の結合の切断による分解は、有毒物質の無毒化のみならず、有機化学分析や酵素等の活性制御、さらに医薬品や生理活性物質の生理活性の付与や消失の制御に応用することができる。しかしながら、紫外線等の照射やガス流やイオン等との衝突、触媒等を用いた方法では有機化合物内の結合を非特異的に切断するため、分解生成物の構造を制御できず、元となる物質の構造を推定すること、分解による高次構造変化を制御すること、分解生成物に分子機能を付与すること等はきわめて困難である。さらに条件によっては無機物にまで分解されうる。一方でいわゆる酵素を用いた方法では酵素の性質により切断される結合が特定されるために、元となる基質の選択性や生成物の分子機能を期待できる。しかし酵素には反応条件に制約が多く、真空中や気相中での反応は期待できず、水溶液中の反応においても特定の場所のみの分解等反応という空間的な制御の要求には困難がともない、さらに分解物の造形には利用できない。しかし赤外線レーザー光を用いたコレステロールエステルの選択的分解装置が特許公報第２８６５６５５号に開示されており、分子振動と共鳴する波長域の光を用いることで空間選択性と結合部位選択性を併せ持った結合切断とそれに伴う有機化合物の構造変化や生物学的活性等の機能制御が可能であることが期待される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】発明者らは特定の部位においてのみ有機化合物内の結合の切断をもたらす系として、光の照射によるエネルギーを利用して化学反応を惹起し、光を照射された場所に限定された空間内においてのみ結合の切断をもたらし分解物を生成する方法と装置を提供することを課題とした。
【０００４】さらに、照射する光の波長を選択することにより、有機化合物内の特定の結合部位を切断する方法を提供することを課題とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、十分なエネルギー密度を備えた光を必要な場所のみに照射する装置を用いて、分子内の特定の部位のみに作用する光の波長を選択し使用する有機化合物内の特定の結合を切断する方法並びに装置である。
【０００６】電磁波である光を有機化合物の分解に用いるには対象となる化合物が光を吸収することが必要である。紫外から可視領域の光の吸収は結合の電子エネルギー準位間の遷移によるものであり、光を吸収する分子構造部分は発色団と呼ばれている。しかし、発色団は比較的普遍的に存在し特異性が低いため、今日では紫外から可視領域の吸収特性から化合物の種類や構造を分析することは一部の色素等以外については行われず、逆に特異性が低いことを活用して例えばたんぱく質溶液の濃度分析など同種化合物の総量を測定する用途などに多く用いられている。
【０００７】同じ電磁波である赤外光の場合は結合の振動励起が起こるエネルギー領域であり、赤外領域における光の吸収は特定の結合の結合角が変化する変角振動や結合距離が変化する伸縮振動という分子振動の励起と関連付けられている。それぞれの結合に由来する振動は基準振動と呼ばれ、ばねと重りの単純なモデルを用いて分子軌道法から求められた結合の強さと結合している原子の換算質量で推定することができる。複数の原子で構成される化合物では、近傍の原子の影響で結合強度が変化することや基準振動の相互作用のためにそれぞれ共鳴振動数が変化する。このため精密な赤外分光分析は有機化合物の構造解析や化合物の種類の同定に用いられている。
【０００８】従ってそれぞれの結合の共鳴振動数が異なることを利用して、特定の結合に共鳴する振動数を持つ波長の光を選択的に照射することで分子内の特定の結合部位にのみエネルギーを与えることができる。
【０００９】十分な強さをもつ赤外領域の単色光の光源と損失の少ない光学系を用いて、分子振動に共鳴する波長の赤外光を選択的に照射することにより課題を解決することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。光源装置は分子振動に共鳴する波長の赤外光を発生させることができればその形式はどのようなものでも良く、一例としてこの実施形態では自由電子レーザー装置が用いられている。
【００１１】図１は実施形態の光化学的有機化合物の結合切断装置の概略図である。光源として用いる自由電子レーザー装置から導かれた平行光線である赤外光１は焦点距離３０ｃｍの凹面鏡２により集光され、二次元光学走査装置３に入射し、試料台４上の試料に焦点を結ぶ。二次元光学走査装置３はモーターにより反射鏡の角度を変化させることにより試料台の任意の位置に赤外光を照射することができる。試料台４もモーター駆動により焦点位置の調節及び照射スポット形の選択、そして赤外光照射位置を変えることができる。照射前後の試料の状況は逐次モニターカメラ５により撮影され、テレビジョンモニター６の画面上で確認することができる。さらにモニターカメラ５をＭＣＴ赤外線検出器に換装することにより、試料に到達する赤外光のパワーを測定することができる。
【００１２】自由電子レーザーは磁界の方向が周期的に反転する周期磁場内を電子ビームが蛇行するときに発生する光を増幅するレーザー装置であり、周期磁場の周期、強度及び電子ビームのエネルギーなどのバラメータを変化させることにより、連続的に波長を変化させることができる。赤外領域においても波長選択の自由度が高くエネルギー密度の高い光源として利用することができる。
【００１３】自由電子レーザー装置から得られる赤外光はパルス状であり、高いピークバワーを保ちながらも試料に照射される総エネルギーは小さく抑えることができるため、試料の熱変性などの非特異的な変化を小さくすることできる。今回も用いたレーザー光はパルス幅が１０−１２秒であり、試料に達する赤外光の平均パワーは１０から１４ｍＷ、ピーク時のパワー密度は焦点位置において約５．０ＧＷ／ｃｍ２に達する。光が単色光でなおかつパルス状であれば他の光源装置であっても良い。
【００１４】この実施形態における装置では、反射鏡表面は金コートされており反射による赤外光の損失を小さくしている。さらに凹面鏡２から試料位置までの距離を３０ｃｍとして、長距離の光伝送を避けることにより、大気中の水蒸気や二酸化炭素による赤外光の損失を抑えている。
【００１５】図１に示す装置では可視光で試料の状態及び照射部位の状況をモニターカメラ５により観察することができ、正確に光路と試料の位置関係を調節することを可能にする。
【００１６】
【実施例】本発明はこれらの実施例に限定されるものではないが、上述の装置により、ペプチド結合の切断実験を行った。
【００１７】対象試料として用いたローダミン１１０のベンジロキシカルボニル−Ｌ−アルギニン誘導体は次に示すごとく蛍光色素であるローダミン１１０にＬ−アルギニンがペプチド結合しアミド体を構成しているときは蛍光を発しないが、ペプチド結合が切断されてローダミン１１０が遊離するとフルオレセインと同様の強い緑色の蛍光を発する。この試薬は緑色蛍光がペプチド結合切断すなわちたんぱく質の分解を示すことから、たんぱく質分解酵素の活性を測定する用途に多用されている。今回の実験において赤外光照射後に緑色の蛍光を得ることができれば、蛍光色素の骨格を破壊せずにペプチド結合を切断することができた、すなわち光によっても酵素と同様に有機化合物内の選択的な結合の切断を実施できたことがわかる。
【００１８】
【化１】
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【００１９】ローダミン１１０のベンジロキシカルボニル−Ｌ−アルギニン誘導体の赤外吸収スペクトルをＦＴ−ＩＲ法によって測定した結果を図２に示す。今回の実験に用いた６．０６μｍ、６．１６μｍ、６．４５μｍのそれぞれの波長においてほぼ同等の吸光度を示している。アミドＩの吸収帯に帰属する波長６．０６μｍ付近の吸収は分子軌道法から求めたれた結果よりペプチド結合近傍の分子振動に由来することが推定されており、この波長によってペプチド結合を選択的に励起できると考えられる。他の化合物を用いて異なる結合を切断するにはその結合部位を振動励起する異なる波長を選択すればよい。
【００２０】ローダミン１１０のベンジロキシカルボニル−Ｌ−アルギニン誘導体の結晶を赤外透明性の高いＢａＦ２板上に配置し、記述の装置を用いて赤外光を照射した。
【００２１】波長６．０６μｍ照射の結果を図３に示す。図３ａはフルオレセイン観察条件の蛍光顕微鏡画像であり、図３ｂは同一部位の白色可視透過光による画像である。赤外光の平均パワーは１２ｍＷであり、２秒間総計２４ｍＪの照射を行った。照射スポット径は直径約１１８μｍで、図３ａ及びｂの中央部に照射された。照射スポット位置でのピーク時のパワー密度は約５．０ＧＷ／ｃｍ２であった。図３ａにおいて蛍光顕微鏡画像であり中央部に飛散したローダミン１１０に由来する蛍光を確認することができる。周辺部においても散乱光の影響と思われる蛍光がみられる。図３ｂに見られるようにレーザー光照射により結晶の形態は変化しているが、ペプチド結合が切断されたにもかかわらず蛍光を発するローダミン１１０骨格は保たれたまま、赤外光照射部位において蛍光色素であるローダミン１１０が生成されていることがわかった。この結果から波長６．０６μｍの光はたんばく分解酵素様の作用を持っていると考えられた。
【００２２】波長６．１６μｍ照射の結果を図５に示す。図４ａは先と同様の蛍光顕微鏡画像であり、図４ｂは同一部位の白色可視透過光による画像である。赤外光の平均パワーは１３ｍＷであり、２秒間総計２６ｍＪの照射を行った。照射スポット径は直径約１２２μｍで、同様に図の中央部に照射された。照射スポット位置でのピーク時のパワー密度は約５．１ＧＷ／ｃｍ２であった。図４ｂの中央部において形態が変型した結晶が照射痕として認められたが、図４ａにおいて蛍光は弱く、結晶周囲にも蛍光は認められなかった。したがって波長６．１６μｍの光はたんばく分解酵素様の作用は持っておらず、０．１μｍの波長の違いにおいても、その作用は大きく異なると考えられた。
【００２３】波長６．４５μｍ照射の結果を図５に示す。図５ａは先と同様の蛍光顕微鏡画像であり、図５ｂは同一部位の白色可視透過光による画像である。赤外光の平均パワーは１０ｍＷであり、２秒間総計２０ｍＪの照射を行った。照射スポット径は直径約１０７μｍで、同様に図の中央部に照射された。照射スポット位置でのピーク時のパワー密度は約４．６ＧＷ／ｃｍ２であった。図５ｂの中央部においてレーザー照射により砕かれた結晶が認められたが、図５ａにおいては図４ａに見られた蛍光は認められなかった。したがって波長６．４５μｍの光は非特異的な作用は持っているものの、特定の結合のみを切断するというたんばく分解酵素様の作用は持っていないと考えられた。
【００２４】
【発明の効果】この発明においては、有機化合物の分子振動にあわせた選択的励起により、特定の結合を切断し有機化合物の分解、構造改変、誘導体生成ができ、光の照射部位の選択性を用いて光化学反応の空間的な制御ができ、反応も非常に短時間であることや、真空中での反応や選択的蒸散への応用など、酵素などを用いた反応などに比して種々の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の光化学的有機化合物の結合切断装置の概略図である。
【図２】ローダミン１１０のベンジロキシカルボニル−Ｌ−アルギニン誘導体の赤外吸収スペクトルのグラフである。
【図３】波長６．０６μｍ照射部位の顕微鏡写真である。
【図４】波長６．１６μｍ照射部位の顕微鏡写真である。
【図５】波長６．４５μｍ照射部位の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１　自由電子レーザー装置から導かれた平行光線である赤外光
２　集光用凹面鏡
３　二次元光学スキャナ
４　試料台
５　モニターカメラ装置
６　テレビジョンモニター装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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