Press Release2024 年 6 ⽉ 19 ⽇
東京⼯業⼤学
⼤阪⼤学

超分⼦ポリマー形成に起因する化学センサーの感度増幅−ダイナミックアロステリックエフェクターの概念を提唱−【要点】○スマネン超分⼦ポリマーの形成が化学センサーの平衡定数向上に寄与することを解明○世界で初めて超分⼦ポリマー形成を引き⾦とする化学センサーのシグナル増幅を達成○新たなシグナル増幅センシング⼿法の提案により、PCR を超える⾼感度の分析⼿法に期待【概要】
東京⼯業⼤学 理学院 化学系の⽔野裕彬⼤学院⽣（研究当時）、福原学准教授、⼤阪⼤学⼤学院⼯学研究科の櫻井英博教授、燒⼭佑美准教授、中澤廣宣⼤学院⽣（研究当時）、筑波⼤学の宮川晃尚助教らの研究チームは、モノマーが⽔素結合のような弱い分⼦間相互作⽤で連なる超分⼦ポリマー（⽤語 1）形成が、化学センサー（⽤語 2）のシグナルを増幅（平衡定数（⽤語 3）を向上）させることを実証した。
化学センサーは有害物質の検出や爆発物の検知、がんの発⾒などに利⽤されており、主に超分⼦化学や分析化学の分野において特に注⽬を集めている。また、化学センサーで得られたシグナルを増幅する⼿法として、蛍光共役⾼分⼦を⽤いる系が代表例にあげられる。本研究での⾰新的な点は、シグナル増幅⼿法として、⽣体内のヘモグロビン（⽤語 4）で⽤いられているアロステリズム（⽤語 5）に着⽬したことである。本研究チームは、このアロステリズムの度合を調節できるエフェクター（⽤語 6）としておわん型分⼦のスマネンを使⽤した。このスマネンから構成される超分⼦ポリマーを⽤い、標的となる薬理活性なステロイドをセンシングしたところ、化学センサーのみでセンシングした際と⽐較して平衡定数は 62.5 倍に増幅された。今回⾒出した超分⼦ポリマーについて、シグナル増幅機能を動的に調節できるという特徴から、ダイナミックアロステリックエフェクターと命名した。
本成果は 2024 年 5 ⽉ 31 ⽇（現地時間）発⾏の英国科学雑誌「Scientific Reports」に掲載された。

●背景
⼈⼯受容体や超分⼦ホスト分⼦などに代表される化学センサーは、主に超分⼦化学や分析化学の分野において近年注⽬を集めている。化学センサーの原理は、E. Fischer により提唱された「鍵と鍵⽳モデル」に基づいており、この機構を発展させることで従来の化学センサーでは達成できなかった分析が可能になる。
従来の化学センサーの構築⽅法では感度が⾼くなりにくいといった問題点を抱えている。⼀⽅、感度を向上させる⼿段として、図 1(a)のように化学センサーから得られるシグナルを増幅する⽅法がある。この⼿法では、ゲスト分⼦の濃度に対する化学センサーの応答が増幅（⻘い実線→⾚い実線）されており、感度も向上している（⻘い点線→⾚い点線）。
このようなシグナル増幅を引き起こさせるためには、化学センサーとゲスト分⼦の平衡定数を向上させることが必須となる。平衡定数を向上させる機構として、⽣体内においてはエフェクターによって酵素の協同性を変化させるアロステリズムが緻密に⽤いられており、アロステリズムを利⽤している⽣体物質としてはヘモグロビンが有名である。
アロステリズムには、ヘモグロビンにおける酸素分⼦のようにエフェクターと基質が同じであるホモトロピックアロステリズムと、エフェクターと基質が異なるヘテロトロピックアロステリズムが存在し、どちらの機構においてもエフェクターの性質によってアロステリック効果が⼀義的に決定される。この事実は、エフェクターに⼯夫を施すことにより、アロステリズムを制御できることを⽰している。
このような背景より、本研究では、アロステリック効果を調節可能な動的なエフェクター（ダイナミックアロステリックエフェクターと命名）を⽤いて化学センサーのシグナル増幅を試みることにした。動的なエフェクターを探索した結果、⽔素結合に代表される分⼦間相互作⽤によってモノマー分⼦がスタックして形成される超分⼦ポリマーがエフェクターに最適であると結論付けられた。つまり、超分⼦ポリマーの重合度を濃度や溶媒などにより変化させることで、図 1(b)に⽰すようにアロステリック効果を制御し、平衡定数を向上できると考えられた。本研究では、超分⼦ポリマーを形成する分⼦におわん型の分⼦であるスマネンを⽤いることで本コンセプトを達成し、最⼤で 62.5 倍のシグナル増幅を実現した。

図 1 本研究の概要

●研究成果スマネン超分⼦ポリマーによるシグナル増幅センシングまず、スマネン化学センサー（SC）のみでモデルゲスト分⼦のメチルベンゾエート(MB)をセンシングした結果、MB の濃度増加に伴い SC の蛍光強度が低下することが明らかとなり、平衡定数（KSC）は 7 M-1 と算出された（SC とスマネンの構造は図 2(a)を参照)。⼀⽅で、SC とスマネンを共存させてヘテロ超分⼦ポリマーを形成させてから MB をセンシングした結果、より⼤きな蛍光強度の低下が観測された。この時の平衡定数（KSMP）
は 79 M-1 と算出され、スマネンヘテロ超分⼦ポリマーの存在による 11 倍のシグナル増幅を確認した。
次に、シグナル増幅機構を解明するため、分⼦軌道計算により LUMO（⽤語 7）のエネルギー準位を算出した。この結果、ヘテロ超分⼦ポリマーの LUMO の準位は SC のLUMO の準位よりも低下することが明らかとなった。LUMO 準位の低下は、超分⼦ポリマーを形成することでアクセプター性（⽤語 8）が向上することを⽰しており、この現象がシグナル増幅の起源であると結論付けた。
続いて、スマネン超分⼦ポリマーの重合度（連なる分⼦の数）を変化させて MB をセンシングした。この結果、スマネンのスタック数に応じて平衡定数の⾃然対数（ln K）は指数関数的に増幅した。この結果より、エフェクターの機能を動的に調節できることが実証され、ダイナミックアロステリックエフェクターという概念を提唱できた。
スマネン超分⼦ポリマーによるステロイドセンシング
最後に、本⼿法の⼀般性を実証するため、実サンプルとしてステロイドのセンシングへと展開した。この結果、薬理活性（前⽴腺肥⼤症の治療薬）なアリルエストレノールをセンシングした際に最⼤で 62.5 倍（KSMP = 250 M-1 vs KSC = 4 M-1）のシグナル増幅を達成した（図 2(b)参照)。

図 2 スマネン超分⼦ポリマーによるシグナル増幅（a）スマネン超分⼦ポリマーの形成機序 （b）アリルエストレノールのセンシングにおける、スマネン超分⼦ポリマーのダイナミックアロステリックエフェクター効果の実証

●社会的インパクト
新たな増幅センシング⼿法を提唱したことから、従来の化学センサーでは分析が不可能であった分⼦に対するセンシング⼿法として、超分⼦化学・分析化学分野への波及効果が⾼いと考えられる。また、ダイナミックアロステリックエフェクターは分⼦認識能を⾃在に調節可能であることから、ドラッグデリバリーシステムやタンパク質のフォールディング異常に起因する疾患の治療薬である薬理学的シャペロンなど、超分⼦ポリマーを⽤いた医薬品への展開が期待される。
●今後の展開本研究は、これまで興味深い構造を構築することに主眼が置かれていた超分⼦ポリマーをシグナル増幅のツールとして⽤いた初めての研究であり、新たな超分⼦ポリマーの利⽤法の提唱が期待される。また、超分⼦ポリマーの特性を⽣かし、重合度の⾼いモノマーによるダイナミックアロステリックエフェクターを探索することで、さらなるシグナル増幅をもくろんでいる。今般のコロナ禍で世界中で活⽤された増幅分析⼿法であるPCR を超える⼿法になりうる技術として、今後の探索を進めていきたい。
●付記
本研究は、科学研究費 特別研究員奨励費（研究者：⽔野裕彬（21J22528, 22KJ1283）、中澤廣宣（21J10937））、基盤研究(B)（研究者：福原学（19H02746））、学術変⾰領域研究(A)（研究者：福原学（23H04020））、新学術領域研究（研究者：櫻井英博（26102002））、基盤研究(A)（研究者：櫻井英博（19H00912, 20H00400））および学術変⾰領域研究(A)（研究者：櫻井英博（21H05233））、徳⼭科学技術振興財団（研究者：福原学）を受けて⾏われた。
【⽤語説明】（1）

超分⼦ポリマー：⾮共有結合のみで連なった（重合した）⾼分⼦の総称。

（2）

化学センサー：化学的に合成された指⽰薬であり、標的検体に対して電気・光応答する分⼦群。

（3）

平衡定数：化学反応の平衡状態を物質の存在⽐で表現。

（4）

ヘモグロビン：⾎液中に⾒られる⾚⾎球の中に存在するタンパク質。

（5）

アロステリズム：タンパク質の機能が他の化合物（エフェクター：後述）によって調節される現象。

（6）

エフェクター：タンパク質に選択的に結合してその⽣理活性を制御する分⼦。

（7）

LUMO：電⼦に占有されていない分⼦軌道のうちエネルギーの最も低い軌道。

（8）アクセプター性：本稿では、電⼦の受け取る能⼒のこと。

【論⽂情報】
掲載誌：Scientific Reports
論⽂タイトル：Amplification sensing manipulated by a sumanene-based supramolecularpolymer as a dynamic allosteric effector
著者：Hiroaki Mizuno, Hironobu Nakazawa, Akihisa Miyagawa, Yumi Yakiyama, Hidehiro
Sakurai, Gaku Fukuhara
DOI：10.1038/s41598-024-63304-4【問い合わせ先】
東京⼯業⼤学 理学院 化学系

准教授

福原 学
Email: gaku@chem.titech.ac.jp
⼤阪⼤学⼤学院 ⼯学研究科 応⽤化学専攻教授

櫻井 英博
Email: hsakurai@chem.eng.osaka-u.ac.jp【取材申し込み先】
東京⼯業⼤学 総務部 広報課
Email: media@jim.titech.ac.jp
TEL: 03-5734-2975

FAX: 03-5734-3661

⼤阪⼤学⼯学研究科 総務課 評価・広報係
Email: kou-soumu-hyoukakouhou@office.osaka-u.ac.jp
TEL: 06-6879-7231