刺激応答性交互両親媒性マルチブロック分子の創製Development of stimuli-responsive amphiphilic alternating multiblock molecules（高分子学会推薦）代表研究者	  	  東京工業大学	  金原	
  数	 Tokyo Institute of TechnologyKazushi KINBARA	 	  	  	  	  	  	 As simple structural mimics of MTM proteins, we developed alternating amphiphilic multiblock moleculesconsisting of linearly connected hydrophilic and hydrophobic units, where chiral units introduced into the hydrophobicunit allow for visualization of changes in their conformation and mode of assembly in lipid bilayers. Indeed, anamphiphile consisting of five blocks, where the central hydrophobic unit bears a flexible chiral aliphatic part witharomatic units, was prepared.

At the junction point between the aromatic and octaethylene glycol units, phosphategroups are inserted as ligand-binding sites capturing aromatic amines through electrostatic, hydrogen-bonding andaromatic interactions.

At the both ends of the molecule, hydrophobic triisopropylsilyl (TIPS) groups are appended.

Interestingly, a flexible hydrophobic component leads to the formation of a supramolecular half-channel.
Microscopic observation, spectroscopic study and Langmuir-Blodgett assay indicate that the central and terminalhydrophobic parts are embedded in a bilayer membrane so that the molecule adopts a “M-shape” conformation withintramolecular aromatic stacking.

Interestingly, this molecule embedded in a membrane interacts with 2-phenethylamine (PA), thereby changing the conformation around the aromatic units so as to initiate the ion transportation.

研究目的	 いと考えられる。本研究課題は，このような膜タン細胞やオルガネラを囲んでいる生体膜では、生命活パク質を模倣した刺激応答性分子を構築することを動を維持するための様々な活動が行われている。例目的に，種々検討を行った 1。

えば、細胞は光，熱、振動，湿度，磁場，固さ，臭い	  膜タンパクの主要な構造モチーフには，安定で大などの多種多様な刺激を感受して，それらに対してきな孔を形成するのに有利なβ—バレル型構造と，刺適切な応答を示す刺激応答性を有しているが，この激応答性を付与するのに有利な複数回膜貫通型構造ような外部刺激に対する生体センサー分子の多くは（MTM 構造, Fig. 1）が知られている。MTM 構造は生体膜中に存在する。また，膜内外でイオンに濃度複数の疎水部が二分子膜内で会合することで様々な差がある場合，それはそのまま電気化学ポテンシャ機能を発現しているが，構造に柔軟性があるため，ルを生み出すため，光合成に代表される光エネルギ特に刺激応答性を中心とした動的機能を付与するたー変換，イオン勾配を利用した物質生産など，エネめに有利な構造と思われる。しかしながら，これまルギーのやりとりを伴う様々な機能も膜を介して行なわれる。生体のこのような環境感受性と，それと連動した物質・情報・エネルギー変換の機能を化学構造を精密に制御した人工分子により実現することができれば，既存の材料では達成されていない環境刺激応答性やエネルギー変換特性を有する次世代機能物質の開発に直結するため，その意義は極めて大き	 Fig. 1.

Schematic image of MTM structure.でに MTM 構造を模した分子の報告例はなかった。

計の際には，こそこで，MTM 構造を基本にした分子設計，すなわの分子が単独でち親水部と疎水部が交互に配列したマルチブロックイオンチャネル構造を有する分子が，二分子膜中でおりたたみ構造を形成するものを形成し，膜タンパク質類似の刺激応答性を有すると期待していた機能分子としてはたらくのではないかと考えた。

が，４分子が二	 分子膜中で会合研究経過	 して超分子集合

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

OOO Et 3NHO
OO P OO P OHNEt 3
OOOSi

SiO

体を形成するこ我々はこれまでに，疎水部とOしてトラン骨格，親水部として単分散オリゴエチレングO

OK

OOリコールユニットを交互にO

OOック構造を基本に，まず最初O

OO複数回連結したマルチブロ

OO

O

O

O

O

OOKとは予想外の結O果であった。さOOらに詳細な解析Oの結果，ここでO形成されたイオO

O	 Fig. 4 Design ofLigand-responsive molecule.

のモデル化合物（4mer）をンチャネルの内合成した（Fig. 2）。トラン骨径はおよそ 0.53 nm であることが分かった。単純に格は分子間でスタックする4mer の疎水部がスタックした場合の厚みはおよそことにより蛍光がシフトす1.4 nm であると見積もられることから，歪んだ菱形るが，これを利用して二分子O膜に導入した際の挙動を検OO討したところ，二分子膜中でOOOON Nに疎水部の会合が保たれてOOOは濃度にほとんど依存せずOOOONHO2いることを見出している 。

OOKのような構造のイオンチャネルが形成されたのではOないかと推察している(Fig. 3)3。

O	  これらの結果を受け，刺激応答性として，リガン

OOドの添加に応答してイオンチャネルの開閉を起こす

N NNようなリガンド応答性チャネルが構築できないかとOH	 考えた。まず，マルチブロック構造中にゲスト分子Fig. 2.	  4mer.

さらに，膜タンパク質の最もとの相互作用部位として，疎水部中に共役した芳香重要な機能の一つであるイ環，親水部にリン酸基を導入した分子を設計した。

オン透過性に着目し，4mer をベシクルに導入した際ここで，疎水部の芳香環部の中間にキラリティーをのイオン透過性を検討した。その結果，2 分子膜中導入することにより，分光学的手法により二分子膜++++に 4mer を含むベシクルは Li , Na , K , Cs などのカ中でのコンフォメーションや会合状態を解析できるチオン透過性を有することが分かった。形成されたようにした（Fig. 4）。具体的なキラル部位としては，イオンチャネルの構造を Hill 解析により調べたとこできるだけ単純な飽和脂肪鎖骨格を有する部位を用ろ，4mer が形成するイオンチャネルには４分子のいることにした。

4mer が含まれることが示唆された。4mer の分子設	  この分子の疎水部の長さは，ちょうど脂質二分子膜の疎水部の厚さと同様になるように分子設計した。しかしながら，OOO

OOOOOOOOOO O Et 3HNO OO P OO P OOONHEt 3
HOOH大変興味深いことに，飽和脂肪鎖部分が柔軟性を有していることから，二分子膜中	 Fig. 3.

Schematic image of ion channel.

Oでは分子が期待したような膜貫通構造で

O	 Fig. 5 Triblock molecule.はなく，Fig. 4 に示したようなＵ字型に曲がったコンフォメーションをとることが強く示唆された。また，末端が水酸基になっているトリブロック分子（Fig.
5）を合成し，末端の疎水部の有無によるコンフォメーションの違いなどを詳細に検討した。その結果，PATo UpperSideNH 2末端が疎水的な TIPS 基の場合，TIPS 基は二分子膜OOPAの疎水部に埋め込まれており，ちょうど二分子膜中Oでアンカーのような役割を果たしていることも示唆された。

PA	  このＵ字型分子を単独で含む二分子膜はイオン透OOOOOOOOOOO Et 3NHO
OO P OO P OHNEt 3
OOOSiSiOTo LowerSide過性をほとんど示さなかった。これに対し，ゲストとして 1-フェニルエチルアミン（PA）を加えた場合，興味深い応答性を示した。まず，二分子膜の片側かβCDOら PA を加えたところ，イオン透過性に目立った変O化は見られなかった。さらにこの状態で二分子膜の反対側に PA を加えたところ，イオン透過性を示す	 ようになることが分かった。先に述べたように，こFig. 6.

の分子は，二分子膜中で膜貫通型構造をとらず，Ｕaddition of ligand PA and β-CD.

字型のコンフォメーションをとっていると考えられReversible control of ion permeation byる。このため，この分子の分子長は二分子膜の半分ロデキストリンを加えたところ，イオン透過性が消程であると予想される。ここで，二分子膜の片側か失することが分かった。また，この場合には，二分らゲスト分子（PA）を加えた場合，PA は二分子膜子膜の片側にβ—シクロデキストリンを加えた段階を透過できないため，同じ側に含まれるＵ字型分子で，イオン透過はほとんど見られなくなった。これと相互作用することになる。その結果，ゲスト分子は，二分子膜の片側でＵ字型分子と PA が作るハーの添加により二分子膜中の片側で，Ｕ字型分子と PAフチャネルがが解離することで，膜貫通構造を形成がハーフチャネルを形成したと考えられる。この状できなくなったためであると考えられる。このよう態で二分膜の反対側から PA を添加すると，同様にに，リガンドとリガンド親和性を有するホストを加反対側でもハーフチャネルが形成されることになる。

えることで，可逆的に二分子膜を介したイオン透過形成されたハーフチャネルが二分子膜の上下で会合性を制御できることが分かった。

することで，最終的に分子膜を貫通するイオンチャ	 ネルが形成され，イオンが二分子膜を透過できるよ考察	 うになってのではないかと考えている。	  ここでは，親水性部位と疎水性部位を交互に配列	  ここで形成されたイオンチャネルは，Ｕ字型分子したマルチブロック両親媒性分子が，二分子膜中でと PA の会合により生じていることから，分子の解リガンド応答性イオンチャネルを形成することに成離にともない開閉していると考えられる。実際，観功した。すなわち膜タンパク質の類似構造の柔軟性測されたイオン電流は常に一定ではなく，イオンチにより，刺激応答性を獲得できたものと考えられる。ャネルが会合解離の平衡状態にあるとことが強く示この分子設計の拡張性は広いため，様々な応答性を唆された。また，今回の系でイオンチャネルが形成設計することが可能である。実際，今回得られた結において，ゲスト分子とＵ字型分子の分子間相互作果をもとに，より剛直な疎水部を有する分子を設計用が最も重要であると考えられることから，添加しし，そのリガンド応答性とイオン透過性についてもたゲスト分子と相互作用する他のホスト分子を添加検討している。その結果，疎水部を剛直にすることすることで，イオンチャネルを解離させることが出で，2 分子膜中での分子の折れ曲がりを防止し，単来ると予想された。実際，この系に 1-フェニルエチ独の分子で膜貫通型構造をとれるようになった。期ルアミンと錯形成することが知られているβ—シク待通りイオン透過性を示したことから，さらに，リガンド応答性について検討を加えている。

刺激応答性，第 10 回バイオ関連化学シンポジウ	  複数回膜貫通型構造をとる多回膜貫通型タンパクム，2016 年 9 月質は，７回膜貫通型，13 回膜貫通型など，様々な種4.

片岡 拓也・村岡 貴博・金原 数，ポリシラン骨類が知られており，その機能も様々である。今回は格含有分子の開発と脂質集合体中での分 光 学 的繰り返し長が比較的短い分子を用いた結果，分子の特性，第 10 回バイオ関連化学シンポジウム，2016会合による超分子型のイオンチャネルの構築に成功年9月した。今後はより繰り返し数の多い分子を作ること5.

加藤 真帆・村岡 貴博・金原 数，ステロイド含で，単分子ではたらくイオンチャネルの構築を行っ有交互両親媒性分子の開発，第 10 回バイオ関連ていきたいと考えている。

化学シンポジウム，2016 年 9 月6.	 

加藤真帆・村岡貴博・金原	  数，ステロイド含参考文献	 有交互両親媒性分子の開発，第 6 回 CSJ 化学フ1.

ェスタ 2016, 2016 年 10 月T. Muraoka, Kazushi Kinbara, Chem. Commun.
2016, 52, 2667–2678.

2.

4.

両親媒性化合物の開発と熱物性解析，第 6 回Takagi, K. Kinbara, Chem. Commun. 2011, 47,CSJ 化学フェスタ 2016, 2016 年 10 月片岡拓也・村岡貴博・金原	  数，ポリシラン骨格含有分子の開発と脂質集合体中での分光学的Takagi, K. V. Tabata, H. Noji, K. Kinbara, J. Am.

特性，第 6 回 CSJ 化学フェスタ 2016, 2016 年 10Chem. Soc. 2012, 134, 19788–19794.

月T. Muraoka, T. Endo, K. V. Tabata, H. Noji, S.

9.

Maho Kato, Takahiro Muraoka and Kazushi Kinbara,Nagatoishi, K. Tsumoto, R. Li, K. Kinbara, J. Am.

Synthesis and Functions of Multi-block OligomersChem. Soc. 2014, 136, 15584–15595.

with Steroids, IPC2016, 2016 年 12 月研究の発表	
 口頭発表1. 金原 数，人工機動分子の合成と機能評価，日本化学会第 96 春季年会，2016 年 3 月	 金原 数，生体刺激に応答する膜タンパク質模倣化合物の開発	 ，日本化学会第 96 春季年会，2016
年3月
3.

8.

T. Muraoka, T. Shima, T. Hamada, M. Morita, M.	
 2.

鍋谷光太・村岡貴博・金原	  数 ， 大環状交互T. Muraoka, T. Shima, T. Hamada, M. Morita, M.
194–196.

3.

7.

村岡 貴博・金原 数，マルチブロック化合物の