光駆動分子バルブの開発
Development of a Light-Powered Molecular Valve
東邦大学
派遣期間
研究機関

桑原 俊介
2014 年 9 月 1 日～2016 年 3 月 22 日
Department of Chemistry, Rice University
Houston, Texas 77005, United States
Prof. James M. Tour

研究指導者

A “molecular machine” is a molecule or a molecular system capable of converting external energy intomechanical motion. Recently we designed molecular valves, which have a potential to regulate the flow of molecules byblocking and opening passageways. To clarify the rotation of the rotor part of the molecular valves by fluorescencecorrelation spectroscopy (FCS), we developed photostable Cy5-COT fluorophores. By analyzing the rotation of acontrol molecule (unimolecular submersible nanomachines; USN), it was demonstrated that the Cy5-COT fluorophores
do not affect the rotation of the rotor part. We found that the Cy5-COT fluorophores provide an almost twofold increasein photostability compared to the previous Cy5 fluorophores. This improvement in photostability will further the studyof the behavior of the molecular valves in solution.

らは、分子マシンの単一分子が一方向に移動してい研究目的
分子マシンとは、外部から得たエネルギーを機械

く 過 程 を 蛍 光 相 関 分 光 (Fluorescence Correlation的動作に変換する分子のことである。これまでに分Spectroscopy: FCS) で調べることにより、分子マシン

子ブレーキ、分子ラチェット、分子モーターなど、の動作を議論している 3。本研究では、FCS 法を分子単純な動作を示す部品が合成されており、現在これバルブに適用し、分子バルブの一方向の回転を明ららの部品を組み合わせた分子マシンに仕事をさせるかにすることを目的とした。という試みが活発に行われている

1,2。

我々はこれまでに、光を照射することで分子の一方向輸送を制御する分子マシンである「光駆動分子バルブ」を設計した。分子バルブは中心のクラウンエーテル部分でカチオン性の分子を吸着することができる。その後、光照射によりローター部分を一方向に回転させることにより、分子を一方向に輸送することができると考えている。このような分子バル
ブは、金属有機構造体（MOF）と組み合わせた物質

Figure 1. Light-Powered Molecular Valve

貯蔵材料や、薬剤の捕捉と放出を制御するドラッグデリバリーシステム（DDS）など、幅広い分野への波及効果が期待できる。

研究経過と考察FCS 法を用いて分子バルブの単一分子の動作を調

これまでに合成した分子バルブは、中心のロータべるためには、1) 計測に必要な時間（1.5 秒以上）ー部分の回転が速く、一方向の回転を明らかにするに消光せず、2) 分子バルブの回転動作を阻害しないことが困難であった。一方、ライス大学の James Tour蛍光色素が必要である。今回、蛍光色素の候補としてシアニン系蛍光色素 Cy5 を選んだ。Cy5 の励起波

13、14 に対し Cy5 または Cy5-COT を作用させ、連長 (> 630 nm) は、分子バルブの動作のための励起波結体 USN-1-3 を得た (Scheme 2)。

長 (300-400 nm) と離れており、分子バルブの動作を阻害しない。しかし Cy5 はフォトブリーチングによScheme 2

り消光するなど、安定性が低いことに問題が残されていた。今回、フォトブリーチングによる消光を防1)
N3

ぐため 4、シクロオクタテトラエンを連結した蛍光色

S

素 Cy5-COT を合成した (scheme 1)。

2) NH4PF6/ CH3CN, H2O

13R

オレフィン 3 を 9-BBN でヒドロホウ素化した後、N

1-ブロモシクロオクタ-1,3,5,7-テトラエンとの鈴木-させ、アミン 8 を得た。8 とカルボン酸 9 を縮合さRNRSUSN 1: R = Cy5
USN 2: R = Cy5 COTの TBS 基の除去、Jones 酸化によりカルボン酸 6 を活性エステル 7 とした後、エチレンジアミンを作用NNNNN

宮浦カップリングにより TBS エーテル 4 を得た。4得た。6 に N-ヒドロキシスクシンイミドを作用させ

Dye
CuSO4,Sodium ascorbate/ CH2Cl2, H2O

N3S1)
N3

Dye
CuSO4,Sodium ascorbate/ CH2Cl2, H2O

N3S2) NH4PF6/ CH3CN, H2O

14せてアミド 10 とした後、イミニウム塩 11 とカップRNリングさせカルボン酸 12 を得た。最後に、連結部位

SN
N

N
Nとしてアルキンを導入し、目的物である Cy5-COT をS
USN 3: R = Cy5 COT得た。
OO

Scheme 1Br1) 9 BBN / THF, reflux

OTBS

OTBS

Br2)

3THF

COOH

Jones reagent

5.
Y 41%.
Y 94% (2 steps)

N Hydrox-succ n m ye,i i id
EDC

acetone, 0 OC

O

CH2Cl2NHNH2OBr

COOHNH

HNPhEDC

9CH2Cl28.
Y 99%H
NNNNHONHOONN

12.
Y 29% (2 steps)

BrCH3NNNN

Cy5Cy5 COT

次に、USN-3 を用いて光照射による回転挙動を調べた。USN-3 の重アセトニトリル溶液に 365 nm の光を照射し 1H NMR で追跡したところ、88%の割合で不安定異性体が生成した。この不安定異性体の溶液を 60 oC に加熱した結果、99%の割合で USN-3 にUSN の一方向の回転を阻害しないことがわかった。

溶液に 637 nm の光を照射した。一定時間ごとに単一分子に相当する蛍光スポットを検出した (80 x 80

EDC, DMAP
CH2Cl2Oを調べた。ガラス基板上の USN-1、USN-2 の DMSO

HOBrO

続いて、FCS を用いて USN-1、USN-2 の光安定性O

HNNH戻ることがわかった。以上の結果から、Cy5-COT は

pyridine

Br10COOHBr11O
HN

CH2Cl2OO

HOOCN

Ethylenediamine

N7.
Y 60%6.
Y 72%OOOOOH4.
Pd(PPh3)4, NaOH aq/ THF, reflux

OTBAF

OHNN

Br

N

Cy5 COT.
Y 85%µm2, 500 frames, 50 ms/frame)。蛍光スポットは時間が経過するにつれて消光し、その際の蛍光強度、スポットの数、および消光するまでの寿命 (τon) を追跡した (Figure 2, 3)。

はじめに、これまでに単一方向の回転を起こすことが明らかになっている分子マシン (UnimolecularSubmersible Nanomachine: USN)3,5 を 用 い て 、Cy5-COT が FCS 法に適用できるかを調べた。アジド

参考文献
1. Kinbara, K.; Aida, T. Chem. Rev., 2005, 105,1377-1400.
2. Shirai, Y.; Morin. J.-F.; Sasaki, T.; Guerrero, J. M.;
Tour, J. M. Chem. Soc. Rev. 2006, 35, 1043-1055.
3. García-López, V.; Chiang, P.-T.; Chen, F.; Ruan, G.;
Martí, A. A.; Kolomeisky, A. B; Wang, G.; Tour, J. M.
Nano Lett. 2015, 15, 8229-82-39.
4. Altman, R. B.; Terry, D. S.; Zhou, Z.; Zheng, Q.;
Geggier, P.; Kolster, R. A.; Zhao, Y.; Javitch, J. A.;
Warren, J. D.; Blanchard, S. C. Nature Methods 2012,Figure 2. (A) 3D plot of fluorescence intensity across a section of theimaging surface depicting the fluorescence of two USN-2 molecules.
(B) Time traces of three representative molecules showing the temporal
behavior of fluorescence emission until photobleaching.

9, 68-72.
5. Klok, M.; Boyle, N.; Pryce, M. T.; Meetsma, A.;
Browne, W. R.; Feringa, B. L. J. Am. Chem. Soc.
2008, 130, 10484-10485.

研究の発表
口頭発表
なし
誌上発表
1. Synthesis and Photostability of Unimolecular
Submersible Nanomachines: Toward Single-Molecule
Figure 3. Histogram comparison of total on-time. Each histogram wasfitted to an exponential fit and the average decay times were calculated.
A simple average over all total-on-times was calculated was well andpresented as Mean total τon.

USN-1 の場合、731 個の分子を蛍光スポットとして検出した。1.5 s 以上の長寿命の分子数は全体の23%であった。一方、USN-2 の場合、631 個の分子を検出し、1.5 s 以上の長寿命の分子数は全体の 43%と大幅に増加した。さらに USN-1 と USN-2 の全てのτon の平均値、および減衰曲線より見積もった平均寿命を求めた (Figure 3)。その結果、USN-2 のτon の平均値および平均寿命は、USN-1 と比べて 2 倍程度増加することが分かった。
以上、本研究において合成した蛍光色素 Cy5-COTは、FCS 測定による分子マシンの動作の追跡に十分な光安定性を示すことがわかった。今後、Cy5-COTを分子バルブに連結し、光照射によって分子バルブを回転させながら動作を追跡することで、分子バルブの一方向の回転運動を明らかにすることができると考えている。

Tracking in Solution
García-López, V.; Jonathan Jeffet, J.; Kuwahara, S.;
Martí, A. A.; Ebenstein, Y.; Tour J. M.
Org. Lett., in press.