研究報告集

研究報告集

第三〇集

第

30

集

二〇一九年三月2019 年 3 月
公益財団法人松籟科学技術振興財団

公益財団法人松籟科学技術振興財団

SHORAI FOUNDATION FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY

研究報告集第30集発刊によせて公益財団法人

しょう らい松籟科学技術振興財団
理 事 長 長谷川 吉弘

第33回（2015年度）研究助成金を贈呈した研究者の方々による研究成果を収録した「研究報告集
第30集」をお手許にお届けします。1983年3月の財団設立以来、科学技術に関する調査・研究・国際交流に対する助成・奨励を行うことを目的として活動を続けてまいりました。これもひとえに皆様方のご理解とご協力の賜物と厚くお礼申しあげます。

昨年、本庶佑・京都大学特別教授がノーベル医学生理学賞を受賞されました。日本人のノーベ
ル医学生理学賞の受賞は、2016年の大隅良典・東京工業大学栄誉教授に続く快挙です。本庶先生
は、免疫を抑制するタンパク質「ＰＤ－１」を発見し、画期的ながん免疫治療薬「オプジーボ」の開発につなげたことで、がん治療に新たな道を開かれました。
本庶先生の受賞で、平成の30年間に自然科学分野での日本人の受賞者は18人となり、日本の科学水準の高さが伺えます。
一方で、本庶先生は、「基礎研究が応用につながることは決してまれではないことが実証できた。サイエンスは未来への投資だ」と述べられ、国内の基礎研究を取り巻く環境に対する危機感を強く訴えています。日本の未来のために、自然科学の土台ともいえる基礎研究を探求する若い研究者への支援の必要性は明確と言えます。

当財団では、現在、「植物有用成分およびバイオマス資源の高度利用に関わる研究」、「エレクト
ロニクス複合材料および次世代実装に関わる研究」、「持続可能な社会を実現する有機系新素材およびその機能化に関わる研究」の３課題を対象に研究助成事業を行っており、これまでに656件の研究を支援してきました。当財団が助成金を贈呈した研究者のうち、2001年に野依良治先生（現・科学技術振興機構研究開発戦略センター長）が、2010年には鈴木章先生（現・北海道大学名誉教授）
が、それぞれノーベル化学賞を受賞されています。これからも科学技術の発展に寄与する研究開発への支援活動を行っていく所存です。皆様の一層のご指導とご支援をお願い申しあげます。

2019年３月

松籟（しょうらい）：「松の梢に吹く風」の意味

i

設立の趣意戦後、焦土と化した国土から立ち上がった我が国は、国民の勤勉さと旺盛な技術革新とを結合させ、驚異的な復興と成長を実現し、その国民総生産は今や全世界の１割を占めるまでに至りました。
この間、我が国の科学技術は、導入技術に依存しつつも逐次自主技術開発への努力を積み重ね、世界に誇り得る数多くの技術を創出し、先進国としての確実な地歩を固めてまいりました。
しかしながら科学技術全般に視点を移しますと、我が国は、とかく成果を期待する余り、応用技術に直接結びつかない研究を軽視する傾向があり、基礎科学の立ち遅れが内外より指摘されております。このことは他国の基礎研究成果への我が国の只乗り論を招くなど、国際摩擦の一因となっております。
今や我が国は、世界の経済大国として創造的な科学技術を広範に創出し、地球上のエネルギー
開発利用、科学技術の恩恵に十分浴さなかった国々への援助、生命科学の人間生活への応用などを進め、世界経済の活力強化と社会の発展に貢献していく責務を負っています。
このような時代の要請を踏まえ、松籟科学技術振興財団は、科学技術に関し、調査・研究およびこれらに対する助成などを行い、全地球的な科学技術の振興に貢献しようとするものであ
ります。

­ii

設立の経緯と財団の概況
設立の経緯
ハリマ化成グループ株式会社創業者の長谷川末吉は、はやくからトール油をさまざまな用途に適応可能な素材として着目していました。そして、かねてからの考えを行動に移し、1952年にはトール油の試験生産を開始しました。以来、トール油に対する研究開発を通じて、トール
油の持つ素晴らしさを全国に紹介し、その可能性を拓いていきました。その長年にわたる功績が認められ、1982年に長谷川末吉は科学技術庁（現文部科学省）より“科学技術功労者賞”を受賞しました。
ハリマ化成グループは、この栄誉を機に、さらなる科学技術の振興と世界文化の発展を願って、科学技術に関する調査･研究･国際交流に対する助成･奨励を行うことを目的として、1983
年３月“財団法人松籟科学技術振興財団”を設立しました。
設立より30年を迎えた2013年４月１日をもって、公益法人の認定を受け「公益財団法人

松籟科学技術振興財団」となりました。引き続き、科学技術の発展に寄与する研究開発への支援
事業活動を行ってまいります。

事業の概要
当財団では、科学技術の振興と世界文化の発展に寄与することを願い、以下の事業を行っております。
⑴

科学技術に関する調査・研究およびこれらに対する助成（研究助成事業）⑵

科学技術に関する国際交流に対する援助（国際交流派遣事業）⑶

その他、当財団の目的を達成するために必要な事業

財団の概要
名

称：公益財団法人松籟科学技術振興財団

設立：1983年３月12日

移行登記：2013年４月１日
行 政 庁：内閣府

財務状況（2018年３月31日現在）
正味財産

11億29百万円

iii

目

次

第33回（2015年度）助成金受領研究報告
植物を宿主とした有用物質大量生産に向けた代謝経路設計法の開発〜合成生物学によるマラリア特効薬の生産改善〜
国立研究開発法人理化学研究所 環境資源科学研究センター
バイオ高分子研究チーム

毅……

3

新規エタノール発酵細菌を利用した木質系バイオマスからの有用テルペン生産システムの開発
鳥取大学 大学院工学研究科 原田 尚志……

9

植物寄生性農害虫孵化促進物質の合成研究

名古屋大学

吉積

大学院生命農学研究科

安立

昌篤…… 15

リグニンとポリ乳酸からなる一次構造の明確な木材代替プラスチックの精密合成
大阪産業技術研究所 森ノ宮センター門多丈治…… 22

新規多糖誘導体を用いた薬剤徐放量を最適化できる臓器粘着型生分解性シートの開発
北海道大学 大学院歯学研究院 阿部

薫明…… 28

共生微細藻類の機能を利用した新規骨粗鬆症の開発
昭和薬科大学高明…… 33

天然物化学研究室

久保田

植物資源の多様性拡大抽出物を活用した新規天然化合物類縁体ライブラリーの構築
東北大学 大学院薬学研究科

菊地晴久…… 38

適応代謝産物モミラクトン生産植物におけるアレロパシー耐性機構の解明とその利用
東京大学 生物生産工学研究センター 岡田

憲典…… 42

蛍石型強誘電体薄膜の創製とドメインエンジニアリング

東北大学

金属材料研究所

木口賢紀…… 49

スピントロニクスを目指した単分子磁石内包カーボンナノチューブの創製と構造・磁性評価
東北大学 大学院理学研究科 中西
低エネルギー循環型プラスティックセンサの開発

大阪大学

Hisタグタンパク質を特異的に分解できるハイブリッド分子の開発
国立医薬品食品衛生研究所
真空系プラズマエッチング装置・プロセスを不要にできる
感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料の開発
富山県立大学

産業科学研究所
有機化学部

亮…… 54関谷

工学部医薬品工学科

出水

毅…… 59竹井

庸介…… 63

敏…… 72分子内触媒移動重合法を用いた全共役p型/n型半導体ブロック共重合体の開発と非フラーレン系有機薄膜太陽電池への応用
山形大学 大学院有機材料システム研究科

東原知哉…… 78

ナノスケールフォトスピントロニクスを指向した有機ラジカルナノシートの創製
東京大学 大学院理学系研究科

草本

哲郎…… 83

発光性Pt(II)錯体配位子からなる環境マルチセンシングナノ集積体の構築
北海道大学 大学院理学研究院

小林

厚志…… 89

髙島

義徳…… 93

材料間の直接接合に着目した異種材料間接着

大阪大学
­iv

高等共創研究院理学研究科

第33回(2015年度)助成金受領研究報告

申請者

国立研究開発法人理化学研究所

吉積

毅

植物を宿主とした有用物質大量生産に向けた代謝経路設計法の開発〜合成生物学によるマラリア特効薬の生産改善〜
国立研究開発法人理化学研究所

環境資源科学研究センター

バイオ高分子研究チーム

吉積
１．緒言

毅

で得られた結果が、標的とする宿主植物(作物)では反映

有用物質を蓄積する植物、例えば薬用植物などは、多されない可能性もある。そのため、植物種問わず、簡便

くの場合、育種されていないため、栽培が困難であったに解析する手法の開発が急務であった。しかし、従来のり、特別な生育環境でのみ有用成分を蓄積するなど問題

遺伝子導入法では、複数遺伝子導入や導入効率などに問1)点も多い 。近年、精力的なメタボローム解析などの基題があり、目的とするような結果を得るための再現性の礎研究により、多くの有用物質生合成の代謝経路と、高い一過的発現解析は困難であった。

それらを構成する酵素が明らかにされている2)。公開さ報告者らが開発した融合ペプチドはカチオン性のペプれている多くのゲノム情報を利用すれば、より生産に向チドと細胞内局在シグナルから構成される 6, 7)。この融いた酵素遺伝子や発現制御に最適なプロモーターなどを合ペプチドを核酸と混合すると、カチオン性ペプチドが選択することも可能となっている。そのため、遺伝子組

静電相互作用で核酸と結合することで複合体を形成す換え技術を利用し、生産が容易な作物に代謝経路を移植る。そして複合体表面には、細胞内局在シグナルが配向することが、有用物質増産の最も効果的な方法の一つでする。細胞膜の透過に必要なペプチド（細胞透過性ペプ3)ある 。植物の形質転換は、モデル植物だけでなく、多チド）を融合させた場合には、細胞質へ核酸を送達する

くの作物でも確立されており、一般的な技術になっていことができる。実際に、このペプチドを利用してレポーる。しかし、これまで確立された形質転換植物を見る

ター遺伝子を植物細胞へ送達し、一過的に発現させること、遺伝子の転写制御は過剰発現を引き起こすプロモーとに成功している6)。本研究では、この技術を応用し、ターに頼っており、遺伝子発現の調整まで含めた導入す

導入する複数遺伝子のモル比を変化させ植物細胞へ送達

4)

る遺伝子の構造を設計した報告は多くない 。このことする。そして、異なるプロモーターによって誘導されたは、「大は小を兼ねる」のような発想に基づいた、過剰

遺伝子量、もしくは酵素量による反応を一過的に実現すに発現させることで概ね外来遺伝子の発現は十分機能しることを計画した(図1)。
この研究で植物細胞に一過的に構築する代謝経路とているといった思い込みがあると推測している。
微生物を宿主として行われた研究から、代謝経路を構して、抗マラリア原虫薬として利用されているアルテ

成する遺伝子の発現量を適切に調整することが非常に大ミシニンの生合成経路をモデルとして選択した。アル5)

切であることが知られている 。しかしながら、現在のテミシニンは、ヨモギ属植物であるArtemisia annua(和ところ、導入する遺伝子の至適な組み合わせや発現を設

名：クソニンジン)から得られる 1)。しかし、クソニン

計する系統立った手法は開発されていない4)。これまで

ジンは日本の河原でも生育する、いわゆる「雑草」での研究では、候補遺伝子を導入した安定的な形質転換体

あるが、薬効成分のアルテミシニンは特定の時期に、特を作成し、解析しなければならなかった。たった1遺伝

定の組織でのみ蓄積されることが知られている。その子について、複数のプロモーターを安定的な形質転換体

ため、世界中の様々な研究者が生合成経路を微生物やを作成して試すだけで、モデル植物を用いた場合ですら植物に移植しアルテミシニン生産を試みているが、最膨大な労力と時間が必要である。ところが、モデル植物

終産物の大量生産に成功した報告はない 1, 3)。アルテミ―­3 ―ㄪᩚ ྛ㔞ẚ䛷䛾ΰྜ䠅୍㐣ⓗⓎ⌧㐠ᦙ䝨䝥䝏䝗䛾ㄪᩚ

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ਦ̏ɻ融合ペプチドによる一過的発現解析の流れ

シニンはセスキテルペンであるファルネシル２リン酸て、アルテミシニンを高蓄積する至適な条件を見出すこ(FPP)からADS、CYP71AV、DBR2、ALDH1の４酵素とを最初の目標とした。

で生合成されることが知られている(図2)。FPPは植物で共通に存在しており、これら合成酵素遺伝子を導入出

２．実験および方法

来れば、様々な植物でアルテミシニンを生産すること

２.１

コンストラクトの作成が理論上可能である。CYP71AVはADSの代謝産物であ

クソニンジン由来の4種類の酵素遺伝子(ADS、るAmorpha-4, 11-dieneに水酸基を連続的に付加する。

CYP71AV、DBR2、ALDH1)のcDNAクローンは、大しかし、３回反応した場合、アルテミシニン酸(AA)と阪大学大学院工学研究科生命先端工学専攻細胞工学領呼ばれるアルテミシニンには代謝されない物質を不可域 村中 俊哉 教授から譲渡いただいた。これらcDNAの逆的に生産する(図2)。これまでの微生物や植物を宿主

開始コドンと終止コドンを含む領域をPCR法により増幅とした研究でも、この反応が問題となって、アルテミ

し、Gatewayクローニングテクノロジーに対応したエン

シニンの生合成が成功していない。そこで、CYP71AV

トリーベクターであるpDONR207(サーモフィッシャー

の２回目の反応後に、いかに代謝の流れをDBR2の反サイエンティフィック社)へBP反応によりクローニング

応に向けるかが重要になる。本研究では、特にADB、した。得られたエントリークローンは、デスティネー

CYP71AV、そしてDBR2の遺伝子量の調整に焦点を当ションベクターであるpMDC32へLR反応によりクローਦ̐ɻ॔ঝॸ঑३ॽথে়ਛ৽ଡ଼
॔ঝॸ঑३ॽথमই॓ঝॿ३ঝজথ෷ऊै$'6‫<&ؚ‬3$9‫'ؚ‬%5ध$/'+भᇪಞपे
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ニングした。

D B R - R : A T T G C T G C A G A T A C C G C T T G ; AC T 2
２.２

遺伝子導入

(ACT-F:AAGTCCTCTTCCAGCCATCC, ACT-R:
CAGCAATACCGGGGAACATG)。

ベンサミアナタバコ(Nicotiana benthamiana)は30度のインキュベーター内で、長日条件下(16時間明)で生育

３．結果および考察

させた。

３.１

融合ペプチドとして、細胞膜透過性ペプチドが融合し酵素遺伝子の整備

アルテミシニン生合成酵素遺伝子は、実際に植物体にたKH9-BP100(KHKHKHKHKHKHKHKHKHKKLFKK6)ILKYL-NH2)を用いた 。3 µLのデスティネーションベ

導入する場合には、転写活性が異なるプロモーターをクターに挿入したクローン(1 µg/µL濃度)と1 µL の融用いることで、転写量の最適化を行うことを計画して合ペプチド(1 µg/µL濃度)を混合し、室温で10分静置すいる。そのため、はじめにクローニングの自由度が高ることで複合体を形成させた。複合体に96 µLの滅菌水

いGatewayクローニングテクノロジーに対応したエントを加えた複合体溶液を作成した。複合体溶液は、遺伝子リーベクターへの導入を行った(図3)。しかし本研究での複数のモル比になるように調整し、100 µLのモル比

は、すべての酵素遺伝子の発現を一定にする必要があ

調整済複合体溶液を、注射筒(針は用いない)で、ベンサる。そこで、植物で一般的に過剰発現に利用される恒常ミアナタバコ本葉の裏から接種した。

性プロモーターであるCaMV 35Sプロモーターの下流に酵素遺伝子を挿入した。これらクローンはリソースとし

２.３

Real-time PCR解析ての側面を持っており、特にエントリーベクターにク接種12時間後に植物体からRNAをPlantRNeasy mini

ローニングした遺伝子は、異なるプロモーターを有する

kit(Qiagen社)を用いて抽出した。逆転写はSuperScript

デスティネーションベクターへ移し替えることも容易とIII(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を、なる(図3)。

realtime PCRはSYBR Green realtime PCR master
３.２

Mix(東洋紡社)を用いた。Realtime PCR法を用い遺伝子発現は遺伝子導入の条件を再現する

た各遺伝子の検出には以下のプライマーを使用し植物への遺伝子導入には、酵素遺伝子4種類のうち、た；ADS(ADS-F:AGTAGAGCAAGGGGTGGAAC,

アルテミシニンの生合成に理論上必須と推測されている

ADS-R:AGCGGTCACCATTCCAGTTA);ADS、CYP71AV、そしてDBR2の3種類を用いた。植CYP71AV(CYP-F:CCTTGGTTCTGCCAAGAGAG,

物へ接種する複合体溶液は、融合ペプチドと各遺伝子とCYP-R:TCCAGGACACATCCTTCTCC);の複合体を作製した後、異なる量比で混合することで調ਦ̑ɻ॔ঝॸ঑३ॽথᇪಞ఩஫৕भ*DWHZD\ॡট‫ॽش‬থॢॸॡঀট४‫ش‬ৌૢঋॡॱ‫ش‬षभॡট‫ॽش‬থॢᇪಞ఩஫৕म‫ؚ‬ऽङग़থॺজ‫ش‬ঋॡॱ‫ش‬दँॊS'215ष%3ખૢ॑ஂखथॡট‫ॽش‬থॢखञ‫؛‬जभ৏‫ؚ‬೘੟दૌ๪৅ਠऔचॊॹ५ॸॕॿ‫ش‬३ঙথঋॡॱ‫ش‬दँॊS0'&ष/5ખૢ॑ஂखथॡ
ট‫ॽش‬থॢखञ‫؛‬S'215पዠোऔोञग़থॺজ‫ش‬ॡট‫ش‬থम‫ؚ‬৯৓पૢगञॹ५ॸॕॿ‫ش‬३ঙথঋॡॱ‫ش‬ष୎ख౹इॊऒधऋ૭ચदँॊ‫؛‬―­5 ―ਦ̒ɻ5HDOWLPH3&5॑৷ःञ॔ঝॸ঑३ॽথᇪಞ఩஫৕भૡ୼ੰෲ
$ŤŧŶभૡ୼୤दఏ૆৲खञŦżųŚŔŤŹभૡ୼୤%ŤŧŶभૡ୼୤दఏ૆৲खञŧťŵŕभૡ୼୤&ŤŦŷŕभૡ୼୤दఏ૆৲खञŤŧŶभૡ୼୤ॢছইभ;ກपँॊधम౮ऩॊ఩஫৕भ೴়ૻ॑ંघ‫؛‬DृEमஆয়खञ‫ڮ‬ખ୮भ૪৶॑ਔ௡घॊ‫؛‬

整した。本研究では、2種類の量比で調整した複合体溶推測できる。最終目標であるアルテミシニンの生産量を液を準備しており、#1としてADS:CYP71AV:DBR2が測定する場合、このような処理区間の差を補正すること

3:2:1で混合した溶液と、#2としてADS:CYP71AV:DBR2が必要である。その場合、定量化が可能なレポーター遺が3:1:2で混合した溶液を準備した。植物への接種は、そ伝子、例えば、ルシフェラーゼやβ-グルクロニダーゼ

れぞれ2反復行った。処理したサンプルからRNAを抽出などの導入を検討しなければならない。

し、逆転写を行った後、realtime PCRにより導入遺伝

融合ペプチドにより導入した遺伝子の転写物は、接種子の転写量を確認した。#1および#2のどちらも溶液中した葉全体から抽出している。そのため、それぞれののADS量は等しいため、量比を変更したCYP71AVもし

コンストラクトが同じ量比で一つの細胞に導入されて

くはDBR2の転写量をADSの転写量で標準化することでいるのか、それとも異なる細胞に導入されているのか評価した(図4)。転写量はどちらの遺伝子も再現の良い判断できない。そこで、2種類の蛍光タンパク遺伝子の結果が得られた。CYP71AVの転写量は、#1では#2の導入を融合ペプチドで行った。導入した蛍光タンパク

約4倍となった(図4A)。一方で、DBR2の転写量でも同質遺伝子は、Green Fluorescent Protein(GFP)とYellow

様の結果が得られている(図4B)。試験に供したコンス

Fluorescent Protein(YFP)となる。共焦点レーザー顕微

トラクトは、遺伝子の塩基配列長やコドン使用頻度が異鏡による観察を行ったが、両蛍光タンパク質を発現してなるため、遺伝子において転写量が一致するとは限らないる細胞を確認することが出来なかった。さらに、そい。しかし、同じプロモーターで全ての酵素遺伝子を転れぞれの蛍光タンパク質が認められる細胞は観察でき

写調節していることから、大きな転写調節の違いはない

たが、その頻度は非常に低いものであった。このことかと推測している。#1と#2ではCYP71AVとDBR2の量比

ら、融合ペプチドを用いた植物への外来遺伝子送達の効を逆転させていることから、これらの結果は融合ペプチ

率は低いものであることが推測される。これまでに行っドを利用することで、異なる混合比で調整した複合体溶

たルシフェラーゼ遺伝子を用いた解析からも、融合ペプ

液を、特定の遺伝子に偏向することなく植物細胞に導入

チドを用いた遺伝子送達効率の低さと、処理区間の大きできることを示唆している。本来、realtime PCRは、対なばらつきに関して同様の結果が得られている6)。これ象とする転写物の量を内部標準となる遺伝子の転写量でら原因の一つに、植物の状態に大きく依存しているであ標準化する手法である。そこで、ADBの転写量を植物ろうと考えている。そのため、融合ペプチドによる遺伝で一般的に使われる内部標準遺伝子であるACT2で標準子送達に適した組織、もしくは細胞を選択することが重化した。その結果、処理区ごとに転写量に大きな差が現要である。動物細胞に対して融合ペプチドを用いて遺伝れた(図4C)。#1と#2では導入したADBの量に違いはな

子を送達すると、非常に高い効率を示す8)。動物細胞はいため、処理区ごとに導入効率が著しい差があることが細胞壁を有しないため、植物細胞への遺伝子送達効率の

―­6 ―

５．謝辞

低さは細胞壁の存在が起因しているかもしれない。一つの方法として、タバコの培養細胞であるBY-2など安定本研究を遂行するにあたり、公益財団法人松籟科学技

して供給が可能な植物細胞を用いること、さらに細胞壁術振興財団より多大なご支援を賜り深く感謝申し上げまを除いた細胞であるプロトプラストとして利用することす。

で遺伝子送達の効率を著しく上げる可能性があると考え
６．引用文献ている。報告者の所属する研究室では、植物細胞に高い9)効率を示す細胞透過性ペプチドを同定した 。同定した

1) Ikram NKBK and Simonsen HT. (2017) A Review of

植物細胞最適化細胞透過性ペプチドを利用した融合ペプ

Biotechnological Artemisinin Production in Plants.

チドを新たに設計することで、遺伝子導入効率を上げる

Front. Plant Sci. 8:1966.

ことが可能となるであろう。

2) Cho K, Mahieu NG, Johnson SL, Patti GJ. (2014)
After the feature presentation: technologies

４．結論と展望bridging untargeted metabolomics and biology.

本研究では、アルテミシニン生合成酵素をコードする

Curr. Opin. Biotechnol. 28:143-148.

4遺伝子をGatewayクローニングテクノロジーに対応し

3) Paddon CJ et al. (2013) High-level semi-synthetic

たベクターにクローニングした。これにより作成したコ

production of the potent antimalarial artemisinin.

ンストラクトは、エントリークローン4種類と、植物でNature 496:528-532.

過剰発現するCaMV 35Sプロモーターにより発現を制御

4) Liu W, Stewart CN Jr. (2015) Plant synthetic biology.

Trends Plant Sci. 20:309-317.

しているデスティネーションクローン4種類となる。次に、作成したコンストラクト3種類を、融合ペプチドを

5) van Summeren-Wesenhagen PV, Voges R, Dennig

用いて植物細胞に送達し、導入した遺伝子の量と導入遺A, Sokolowsky S, Noack S, Schwaneberg U,

伝子の発現量に相関があることを明らかにした。しかMarienhagen J. (2015) Combinatorial optimization

し、導入効率が低く、また同一細胞に複数遺伝子を導入

of synthetic operons for the microbial production of

できていない可能性が示唆された。そのため、本来のp-coumaryl alcohol with Escherichia coli. Microb.

目的であるアルテミシニンの一過的生合成と生合成経路

Cell Fact. 14:79.

の最適化の研究を遂行できなかった。考察の項でも論じ

6) Lakshmanan M, Kodama Y, Yoshizumi T, Sudesh K,

たが、植物への遺伝子送達用の融合ペプチドの改良を進Numata K. (2012) Rapid and efficient gene delivery

めているため、今後の進展次第では、予定していた研究

into plant cells using designed peptide carriers.

が可能になるかもしれない。合成生物学的研究を展開す

Biomacromolecules 14: 10-16.

るには、代謝経路を設計して、対象とする宿主へ導入す

7) Yoshizumi T, Oikawa K, Chuah JA, Kodama Y,る手法は必須である。さらには代謝経路の設計のみなら

Numata K. (2018) Selective Gene Delivery forず、今後は反応に適した細胞内小器官を選択する必要がIntegrating Exogenous DNA into Plastid andある。実際に葉緑体を反応場とすることでアルテミシニ

Mitochondrial Genomes Using Peptide-DNA

ンを生産した報告がある10)。融合ペプチドは、細胞質にComplexes. Biomacromolecules 19: 1582-1591.

外来遺伝子を送達するだけでなく、葉緑体やミトコンド

8) Chuah JA, Matsugami A, Hayashi F, Numata K.

7)

リアへ遺伝子を送達することも可能である 。遺伝子導(2016) Self-Assembled Peptide-Based System for入の効率を上げることで、融合ペプチドの技術は、遺伝

Mitochondrial-Targeted Gene Delivery: Functional子の設計ツールとしてだけではなく、細胞内において生and Structural Insights. Biomacromolecules

産の場を区画化するような自由度の高い遺伝子送達法を

17:3547-3557.

生み出す可能性を秘めていると考えている。

9) Numata K, Horii Y, Oikawa K, Miyagi Y, Demura
T, Ohtani M. (2018) Library screening of cellpenetrating peptide for BY-2 cells, leaves of―­7 ―Arabidopsis, tobacco, tomato, poplar, and rice callus.

Bock R. (2016) A new synthetic biology approach

Sci. Rep. 8:10966.

allows transfer of an entire metabolic pathway froma medicinal plant to a biomass crop. Elife 5:e13664.

10)Fuentes P, Zhou F, Erban A, Karcher D, Kopka J,

―­8 ―

申請者

鳥取大学

原田

尚志

新規エタノール発酵細菌を利用した木質系バイオマスからの有用テルペン生産システムの開発
鳥取大学

大学院工学研究科

原田
１．研究背景と目的

尚志

た、独自のテルペン化合物の効率的生産システムの開発を試みた。

テルペン(テルペノイド・イソプレノイド)は、これま
1でに様々な生物種から約4万種類以上単離されており 、
生理活性物質や機能性物質など、市場価値の高い化合物

２．結果と考察が数多く含まれることから、様々な分野で活用されてい２.１

モデルテルペン化合物生産株の作出る。一方、天然より抽出、精製して得られるテルペン化

全ゲノム配列検索によりZ. palmaeは、テルペン基合物の量は一部の例外を除き少なく、有用なテルペン化

本代謝経路として非メバロン酸(メチルエリスリトー

合物を大量に得ることは困難な場合が多い。化学合成は

ルリン酸経路、2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate

重要な生産方法の一つであるが、合成のみによる生産法

pathway, MEP経路)のみを有しており、この経路を利では複雑な構造を持つ化合物の実用生産は困難な場合が用してC5のイソプレン(isoprene)単位となるイソペン多い。そのため、テルペン化合物の微生物生産研究が盛

テニル二リン酸(isopentenyl diphosphate, IPP)と、そんに行われてきた。テルペン類生産宿主としては、大腸の異性体であるジメチルアリル二リン酸(dimethylallyl

菌や出芽酵母などの遺伝子資源や情報が充実したモデル

diphosphate, DMAPP)を合成していると推定された(図

微生物を中心に研究が行われている。一方、これらがテ1)。また、それ以降の代謝経路については大腸菌とほルペン生産宿主として最適かどうかという議論に対する結論は判然としておらず、これらに代わる新規生産宿主の探索も行われている。
Zymobacter palmaeはヤシ樹液より単離されたグラム陰性菌であり、出芽酵母等の従来菌種と比較して優れた
エタノール発酵特性や幅広い糖資化性を示す 2。また本菌はピルビン酸を出発物質として、好気条件で2,3-ブタンジオール(2,3-BDO)を、嫌気条件下ではエタノールを
対糖収率90%以上の高効率で生合成し、異種糖化酵素の機能発現によるリグノセルロース系バイオマスを出発物質としたエタノール生産研究なども行われている3,4。また、当研究室により全ゲノム配列情報も明らかにされており、プラスミドベクターなどの遺伝子ツール、ゲノムへの遺伝子導入やノックアウトなどの手法についてのノ
ウハウも蓄積されてきたことから、様々な有用物質生産宿主としての活用が期待できる。そこで本研究では、

ਦ̏ɻŽƜƐƒƅƄƆƗƈƕŃƓƄƏƐƄƈपउऐॊ௓৒ॸঝঌথে়ਛ৽ଡ଼
஧ஊमढ़টॸঀॖॻ়ਛप૑ਏऩਗਟᇪಞ॑ંघ‫؛‬

Z. palmaeの持つ優れた発酵および糖代謝機能を活かし―­9 ―-carotene)をモデルテルペン化合物とし、FPP以降の遺ඉ൅‫ݳ‬αϱφϫʖϩ‫ה‬

伝子を機能発現することで生産を試みた。
土壌細菌Pantoea ananatis由来のカロテノイド生合成ɴͲΩϫτϱਫ਼ࢊ‫ה‬

遺伝子群(crtE、crtB、crtI、およびcrtY)を用いて、リ
コペンならびにβ-カロテン発現プラスミドを構築し、
ϨαϘϱਫ਼ࢊ‫ה‬

これをZ. palmae野生株に導入した。得られた形質転換株のうち3クローンを用いて増殖特性評価を行った結果、リコペン生産株においては非発現コントロール株と比較して顕著な生育の低下を示し、定常期における菌体

ਦ̐ɻカロテノイド生産株の増殖特性評価

量が非発現コントロール株と比較して1/3以下に減少した(図2)。リコペンなどの低極性物質は細胞膜などの菌ぼ同様であり、プレニル基転移酵素(prenyltransferase)

体内脂溶性組織へ蓄積し、一定量を超えるリコペンの蓄によりC10のゲラニル二リン酸(geranyl diphosphate,

積は菌体生育に影響を及ぼすことが報告されていること

GPP)と、それに続く C15のファルネシル二リン酸

から5、この生育低下はリコペンそのものが持つ細胞毒(farnesyl diphosphate, FPP)まで代謝されており、さら性による影響である可能性が示唆された。一方、β-カにFPP以降のテルペン類やカロテノイド合成に関する

ロテン生産株は非発現コントロール株とほぼ同等の生育

酵素遺伝子は保有していないと予測された(図1)。したを示したことから、β-カロテンでは膜毒性による生育がって、FPP以降のテルペン合成酵素遺伝子の導入に阻害は認められないことが確認された。そのため、以降より、様々なテルペン化合物の生産が可能になると考の実験ではβ-カロテンを本菌の生産指標化合物としてえられた。そこで本研究においては、カロテノイドの用いることとした。

一種であるリコペン(lycopene)ならびにβ-カロテン(βਦ̑ɻ૚သുആ২पउऐॊੜ༢્ਙ௬੼पेॊ੐తသുആ২भਫ਼ୈ‫ؙ‬$‫؟‬٦‫ؚ‬%‫؟‬٦‫ؚ‬&‫؟‬٦‫؟'ؚ‬૚ആ২‫؞‬ৎ৑दभ༳৬Ⴋ౦भ஘৕

―­10 ―

ਦ̒ɻ内在MEP経路強化の概要

２.２

至適培養温度条件の検討

最も強い呈色を示したidi高発現株を用い、至適培養
温度条件の検討を行った。培養温度(30℃、25℃、および20℃)を検討した結果、30℃および25℃の培養温度条
件では何れも24時間後、20℃では48時間後に定常期に達するとともに、温度の下降に伴い菌体呈色が強くなる傾ਦ̓ɻMEP経路遺伝子高発現株の呈色強度比較

向が見られた(図3)。これは、培養温度を下げることで生育速度が遅くなり、生育エネルギーを物質生産へ移行したことが原因であると考えられた。以上の結果より、

２.３

内在テルペン生合成経路の強化

20℃が最も増殖と生産のバランスがとれていると判断

次に、テルペン化合物の生産量増加を目的に、Z.

し、Z. palmaeにおけるテルペン生産至適培養温度とし

palmaeの内在テルペン生合成経路であるMEP経路のボて以降の実験に用いた。

トルネック特定を行った。MEP経路を担う8つの酵素(Dxs、Dxr、IspD、IspE、IspF、IspG、IspH、および

ਦ̔ɻ0(3৽ଡ଼఩஫৕ৈ৅ਠઙभੜ༢્ਙउेल̣ढ़টॸথেਓ୤௬੼
$‫؟‬૚ৈ৅ਠઙभੜ༢ශ଍‫ؙ‬%‫؟‬သുৎ৑৏भ̣ढ़টॸথেਓ୤

―­11 ―ਦ̕ɻアセト酢酸合成酵素欠損による分岐代謝経路の遮断

Idi)をコードする遺伝子の高発現株を作出し、各株間でるいは代謝中間体の過剰蓄積による生育阻害効果が原因

生産量を比較することで、テルペン生産に重要な鍵酵として考えられるが、現時点で詳細は不明である。ま

素の特定を試みた(図4)。その結果、dxs、dxr、ispD、た、Dxs、Dxr、ならびにIspFの高発現株は、生産にポispF、ispG、およびispH高発現株は、非発現コントロー

ジティブな影響は与えなかったものの、高発現化により

ル株と比較しても呈色の顕著な変化は見られなかった生育の向上が見られたことから、Idiとの共発現によりが、idi高発現株にて最も強い呈色を示した。またispE

さらなる生産量の増加が見込めることが期待された。

高発現株においては、明らかに弱い呈色が確認された
２.４

(図5)。

分岐代謝経路の遮断

さらに、各MEP経路酵素遺伝子高発現株について詳好気条件下でテルペン類の生産性をさらに向上させる

細な生産評価を行った。その結果、全ての高発現株におため、前駆体であるピルビン酸の競合経路であるアセト

いて非発現コントロール株と比較して生育の向上が見

乳酸合成酵素遺伝子(als)の欠損が有効であると考え、られた(図6A)。生産量を評価したところ、idi高発現株

als遺伝子のノックアウト株作出による分岐経路の遮断においてコントロール株の約5倍と顕著な増加を示した(図6B)。IdiはDMAPPとIPPを両方向に触媒する異性化酵素であり、IPPはDMAPPおよびGPPの縮合反応基質となるため、産物合成が進むにつれその量は不足してくる。そのため、Idiを高発現することにより、過剰量のDMAPPから不足分のIPPが補われることで代謝ボトル
ネックが解消され、生産量が増加したと考えられた。これについて、大腸菌においてもIdi高発現による増産効
果は報告されており6、今回の結果よりZ. palmaeにおいてもIdiがテルペン生産のボトルネックの一つであることが示された。一方、それ以外の遺伝子高発現株においては、生産にネガティブな結果を示した(図6B)。これは、遺伝子高発現化に伴うプラスミド安定性の欠如、あ―­12 ―

ਦ̖ɻ।ঀ঑ॵॡ3&5पेॊ͏ƄƏƖઙभ੿লનੳ
0‫؟‬NE'1$ODGGHU‫ؙ‬‫؟‬৙ে஑‫͏؟ؙ‬ƄƏƖઙਦ̗ɻ͏ƄƏƖ株の好気および静置条件における増殖特性評価

生産性向上が期待できると推察された。

を試みた(図7)。
als遺伝子ノックアウトプラスミドを構築後、エレク

次に、Δals株を宿主としてidi高発現化を組み合わせ

トロポレーションによりZ. palmaeへ導入し、シングル

た生産評価を行った。増殖特性を評価したところ、Δals

クロスオーバーによるノックアウト株の作出を試みた。

株においては前述と同様に生育阻害に伴い菌体量が大幅取得したals遺伝子のノックアウト株(Δals株)3クローンに減少したことから、生産培養を行うことが困難であっについて、ゲノムDNAを鋳型としたPCRによるals遺伝

た(図10)。この結果より、生育阻害の原因はピルビン酸

子欠損確認を行った結果、欠損株ではals遺伝子中に挿の過剰蓄積によるものではなく、酸化還元バランスの崩入されたプラスミドの領域を含むバンドが確認されたこ壊に起因している可能性が高いと推察された。つまり、とから、Δals株の作出に成功したと判断した(図8)。

2,3-BDO生産経路は、本菌の生育に不可欠な経路である

構築したΔals株について好気および微好気条件下おけことが示唆された。

る増殖特性評価を行った。その結果、Δals株においては以上の結果より、テルペン類の高生産を達成するため何れの条件においても野生株と比較して顕著な生育阻には、BDO合成経路を完全に遮断するのではなく、Als

害が見られた(図9)。Δals株においては、ピルビン酸のの活性低下が有効であると結論づけた。

過剰蓄積による影響やEntner–Doudoroff(ED)経路で生産されるNADHの蓄積に伴う酸化還元バランスの崩壊

３．まとめと展望が原因となり、生育阻害を引き起こしていると考えられ

本研究ではβ-カロテンを生産指標化合物とし、内在た。したがって、代謝経路内で過剰蓄積したピルビン酸

テルペン生合成経路の強化ならびに競合経路の遮断にを非メバロン酸経路へと導くことができれば、テルペン

よる生産強化を目指した。その結果、IPPイソメラー
ゼの高発現株化により約5倍の顕著な生産量の増加を示され、本菌のMEP経路における代謝ボトルネック酵素がIdiであることを特定した。一方、競合経路である2,3BDO生合成経路の遮断を試みた結果、宿主株の大幅な生育低下が認められた。そのため、NADHからNAD+の変換を担う2,3-BDO生合成経路は本菌の増殖には不可欠な代謝経路であり、完全に遮断する方法は望ましくないと結論づけた。
今後の展望として、内在MEP経路のボトルネックであるidi遺伝子をより高活性なII型遺伝子7に変更するこਦɻƌƇƌ高発現化͏ƄƏƖ株における増殖特性評価とが有効であると考えられる。また、分岐経路の遮断―­13 ―

に関しては、als遺伝子への変異導入、またはプロモー

palmae gen. nov., sp. Nov., a new ethanol-fermenting

ター置換による転写強度の減弱化が有効であると考えら

peritrichous bacterium isolated from palm sap.

れる。また、als欠損に伴うエネルギーバランス崩壊をArch. Microbiol. 160: 333-337.

解消可能な酵素あるいは代謝経路の導入も解決策になり

3. Yanase, H., Sato, D., Yamamoto, K., Matsuda,

得ると予想される。別の方策として、前駆体となるIPP

S., Yamamoto, S., Okamoto, K. (2007) Genetic

およびDMAPPの供給量を増加させるために、アセチル

engineering of Zymobacter palmae for production of

CoAを出発物質とする異種メバロン酸経路遺伝子の導入

ethanol from xylose. Appl. Environ. Microbiol. 73:

により、さらなる生産量増加が図れる可能性がある。こ

2592-2599.

れらの課題を克服することで、木質系バイオマス資化と4. Kojima, M., Okamoto, K., Yanase H. (2012) Directethanol production from cellulosic materials

組み合わせた生産系の構築への進展が期待される。

by Zymobacter palmae carrying Cellulomonas
４．謝辞

endogulucanase and Ruminococcus β-glucosidase

本研究を遂行するにあたり多大なご支援を賜りましgenes. Appl. Microbiol. Biotechnol. 97: 5137-5147.

た、公益財団法人松籟科学技術振興財団に心より感謝申

5. Sikkema, J., Bont, J., Poolman, B. (1995) Mechanisms

し上げます。また本研究成果は、鳥取大学大学院工学研of Membrane Toxicity of Hydorocarbons. Microbiol.

究科生体触媒工学研究室において、簗瀬英司教授と岡本Rev. 59: 201-222.

賢治准教授(現教授)の協力の下、石田哲也君を中心とし

6. Kajiwara, S., Fraser, P.D., Kondo, K., Misawa N.

た学生の尽力により成されたものです。この場を借りて(1997) Expression of an exogenous isopentenyl

深く感謝申し上げます。

diphosphate isomerase gene enhances isoprenoid
biosynthesis in Escherichia coli. Biochem. J. 324:

５．参考文献421-426.

1. Roberts, S.C. (2007) Production and engineering of

7. Kaneda, K., Kuzuyama, T., Takagi, M., Hayakawa, Y.,

terpenoids in plant cell culture. Nat. Chem. Biol. 3:

Seto, H. (2001) An unusual isopentenyl diphosphate387-395.

isomerase found in the mevalonate pathway gene

2. Okamoto, T., Taguchi, H., Nakamura, K., Ikenaga,
H., Kuraishi H., Yamasato, K. (1993) Zymobacter―­14 ―

cluster from Streptomyces sp. strain CL190. Proc.
Nat. Acad. Sci. 98: 932-937.

申請者

名古屋大学

安立

昌篤

植物寄生性農害虫孵化促進物質の合成研究
名古屋大学

大学院生命農学研究科

安立

１．研究の背景と目的

昌篤

利用し、宿主作物が存在しない時期に孵化促進物質を散ジャガイモシスト線虫(potato cyst nematode、以下

布して、シスト線虫を孵化させ駆除する方法が有効な手

PCNと略す)は、ジャガイモやナス科植物に寄生する農段として期待されている。しかし、2011年谷野らにより害虫である。ヨーロッパで発生が確認されて以来、世界

ソラノエクレピンAの全合成が達成されたが3)、天然か各地に伝搬し世界規模での作物被害が発生している。特ら極微量しか得られず(1000株のジャガイモ根滲出液かに、ジャガイモは重要な農作物の一つであり、その生産

ら245 mg)、詳細な生理活性やPCNの特異な生態機能に量の低下は深刻な問題である。

関する研究は現在も全く進展していない。そのため、化PCNの孵化促進物質の研究の歴史は古く、1922年

学合成によりソラノエクレピンAを合成して、孵化機構

Baunackeらはジャガイモ根滲出液が孵化の際に重要で解明のための量的供給が唯一の手段であり必要不可欠であることを明らかにし、孵化促進物質の存在を提唱しある。

た。孵化促進物質の探索は多数のグループによって行わ本研究では、生理活性の詳細が明らかにされていない

れ、1986年オランダのMulderらはジャガイモ水耕栽培

ソラノエクレピンAに着目して、高度に歪んだシクロブ液からPCNに対する強力な孵化活性を持つ化合物ソラタン骨格の構築法の開発とソラノエクレピンAの合成を

1)

ノエクレピンAを単離することに成功した 。さらに、目的とした。ソラノエクレピンAは、三員環から七員環

1999年SchenkらによりソラノエクレピンAの相対構造までの全ての炭素環から構成された非常に特異な化学構2)がX線結晶構造解析によって決定された 。ダイズシス

造を有している。特に、生理活性発現に必須であると考ト線虫孵化促進物質として知られ絶対立体配置が既知でえられる右側部分は、連続する不斉四級炭素を含み高度あるグリシノエクレピンAの類似性から、図1のようにに歪んだシクロブタンからなるトリシクロ[5.2.1.0 1,6]デ推定された。

カン構造であるため、その合成は極めてチャレジングで世界的規模で甚大な被害を与えているPCNの効果的ある。

な防除法は、現在のところない。このシスト線虫の卵はソラノエクレピンAの興味深い生理活性と特異な構造

シストと呼ばれる固い殻に包まれ休眠し、春になるとから、世界中の有機合成科学者がその合成研究を行なっ

ジャガイモの根から分泌されるソラノエクレピンAを感ている4-5)。既に我々は、ソラノエクレピンAの合成にお受して孵化し寄生する。そのため、この特徴的な現象をいて最も困難であると予想されるシクロブタン骨格構築に焦点を絞り種々検討した結果、Hajos-Parrishケトンから四段階で合成したアルデヒドに対して、SmI 2を作用させたところ4-exo-trig型ラジカル共役付加反応が速やかに進行し、トリシクロ[5.2.1.0 1,6]デカン骨格の構築に成功している(スキーム3参照)6)。そこで本研究では、確立した共役付加による4-exo-trig型ラジカル環化反応および橋頭位のラジカルによる炭素—炭素結合反応を機軸)LJXUHɻStructure of solanoeclepin A.

として、連続する不斉四級炭素を含み高度に歪んだシク―­15 ―

的な合成を可能にするため、左右セグメントを連結した後、合成の最終段階で七員環(C環)を構築する収束的な合成を計画した(スキーム1)。その際、オキサビシク
ロ骨格(AB環)を持つ左セグメントと右セグメントの基
本骨格に相当するトリシクロ[5.2.1.01,6]デカン(DEF環)
は、ごく最近開発したラジカル環化を鍵反応として短工程で合成する。各セグメントを最後に連結して、ソラノ
エクレピンAの全合成を行う計画である。
既に、ラジカル反応の中性条件かつ高い反応性を利用して、オキサビシクロ骨格(AB環)を持つ左セグメントの合成を達成している(スキーム2)。D-パントラクトン
から不飽和エステルを合成し、n-Bu3SnHとAIBNによる

6FKHPHɻSynthetic plan of solanoeclepin A.

6-exo-trig型ラジカル環化反応とヨードエーテル化反応
を経ることで、オキサビシクロ骨格(AB環)を持つ左セ

1,6

ロブタンから構成されるトリシクロ[5.2.1.0 ]デカン構

グメントの合成に成功している7)。

造の効率的な合成法の確立と同時に、ソラノエクレピン

また右セグメントは、光学活性なHajos-Parrishケトン

Aの特異なシクロブタン構造と活性発現の関係を明らかから四段階で合成したアルデヒドに対して、SmI 2でケにするための合成的基盤を形成することを目的とした。

チニルラジカルを発生させたところ速やかに環化反応が進行して、望むトリシクロデカンを76%の収率で合成す

２．方法および結果ることに成功した(スキーム3)6)。これによって、ラジカ

本研究では、ソラノエクレピンAとその類縁体の効率

ル環化によるシクロブタンの構築を鍵反応とする独自の

6FKHPHɻSynthesis of left-hand nucleus of solanoeclepin A.

6FKHPHɻSynthesis of right-hand nucleus of solanoeclepin A.

―­16 ―

6FKHPHɻSynthetic plan of right-hand nucleus of solanoeclepin A.

合成法を見出すことができ、高度に歪んだシクロブタン
1,6ドの4-exo-trig型ラジカル環化によって、シクロブタンを持つトリシクロ[5.2.1.0 ]デカン骨格の構築法を確立

骨格(E環)を構築し、チオカルボニル誘導体とした後、した。

ラジカル還元剤によって反応性が高い橋頭位ラジカルをシクロプパン側鎖の有無や酸化度の違いはあるが、得られたシクロブタンはソラノエクレピンAの右セグメン発生させることで、不斉四級炭素の構築を伴った側鎖導入を計画した(スキーム4)。

トの基本骨格であり、本反応は連続不斉中心を含み高度

まず、Hajos-Parrish ケトンを出発原料として、15位に歪んだシクロブタン骨格をラジカル環化によって構築への水酸基導入を検討した。17位ケトンをシアノヒドリした初めての例である。

ン化にした後、TMSCl, NaI, Ac2Oを用いてジエノール

そこで、我々が見出した4-exo-trig型ラジカル反応おアセテート2に変換した(スキーム5)。次に、別途調製

よび橋頭位のラジカルによる炭素—炭素結合反応を利用したジメチルジオキシラン(DMDO)によって末端オレ

すれば、鍵中間体であり高度に官能基化された右セグメ

フィンをエポキシ化した。単離したエポキシド3を水とントの効率的な合成が短行程で実現できると考えた。すアセトンの混合溶媒で加熱還流することにより、ヒドロ

なわち、F環上の15位に酸素官能基を導入したアルデヒ

キシエノン4を得ることができた。

6FKHPHɻSynthesis of hydroxyl enone  from Hajos-Parrish ketone.

―­17 ―

6FKHPHɻSynthesis of ald-enone , a precursor for radical cyclization.

6FKHPHɻSynthesis of tricyclo[5.2.1.01,6]decane  by samarium(II)-mediated radical cyclization.

次に、ラジカル環化の前駆体であるエノン7を合成しよって、アルデヒド6のシリルエノールエーテルが一部た(スキーム6)。ヒドロキシエノン4のエノン部位と15脱保護され、環化前駆体であるエノン7も得られた。最位水酸基をTBS基で保護した後、ジエチルエーテル中

後に、酢酸/THF/エタノールによって、シリルエノー

DIBAL-Hによってニトリルを還元し、アルデヒド6を収

ルエーテルを選択的に脱保護することで、環化前駆体で率良く得た。この際、中性シリカゲルを用いた精製にあるエノン7に変換した。

6FKHPHɻKeck allylation by utilizing a bridgehead radical.

―­18 ―

6FKHPHɻNew synthetic plan of right-hand nucleus of solanoeclepin A.

確立された方法に従い、ヨウ化サマリウムを用いたて、キサンテート9を合成した。得られた9に対し、ララジカル環化反応を検討した。エノン7に対して、4当ジカル開始剤であるAIBNまたはEt3Bとアリルトリブチ

量のヨウ化サマリウムとt-BuOHを−20℃で作用させる

ルスズを用いてKeckアリル化反応を試みたが、アリルと、ラジカル環化反応は速やかに進行し、トリシクロデ基の導入には至らなかった(スキーム8)。

カン8が高収率で得られた(スキーム7)。

そこで、新たな右セグメントの合成を計画した(ス

そこで、得られたトリシクロデカン8を用いたKeckア

キーム9)。Hajos-Parrish ケトンを出発原料として、予リル化反応を検討した。環化体8を五段階の変換によっ

め17位に側鎖が導入された環化前駆体を合成した後、ヨ6FKHPHɻSynthesis of ald-enone , a precursor for radical cyclization.

―­19 ―

6FKHPHɻSynthesis of tricyclodecane  by radical cyclization.

ウ化サマリウムを用いたラジカル環化反応を行う。そのおよびその関連化合物(構造単純アナログ)の化学合成に

後の変換によって、高度に官能基化された右セグメント

よって、孵化の分子機構解明とシスト線虫駆除剤のリーを合成する計画である。

ド化合物の創出を目指したい。

環化前駆体15の合成を検討した(スキーム10)。HajosParrish ケトンをジチオアセタールで選択的に保護した

３．謝辞

後、TosMICによって一段階でニトリルを導入し11と本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りましした。次に、LHMDSとクロロギ酸エチルによって側た公益社団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上

鎖を導入して、エステル12を得た。15位水酸基を導入げます。

するために、ジエノールアセテート13へ変換した後、DMDOによるエポキシ化と続く加水分解によって、ヒ

参考文献

ドロキシエノン14を高収率で得た。さらに数段階の官(1) Mulder, J. G.; Diepenhorst, P.; BrüggemannRotgans, I. E. M. PCT Int. Appl. WO 93/02,083;

能基変換によって、環化前駆体15を合成した。

Chem. Abstr. 1993, 118, 185844z.

確立された方法に従い、ヨウ化サマリウムを用いたラジカル環化反応を検討した(スキーム11)。エノン15に(2) Schenk, H.; Driessen, R. A. J.; de Gelder, R.;

対して、ヨウ化サマリウムとt-BuOHを−20℃で作用さ

Goubitz, K.; Nieboer, H.; Brüggemann-Rotgans, I.

せると、ラジカル環化反応は速やかに進行しトリシクロ

E. M.; Diepenhorts, P. Croat. Chem. Acta 1999, 72,

デカン16が高収率で得られた。

593-606.

以上のように、本研究ではソラノエクレピンAの(3) Tanino, K.; Takahashi, M.; Tomata, Y.; Tokura, H.;

右側部分に相当するシクロブタンを含むトリシクロ

Uehara, T.; Narabu, T.; Miyashita, M. Nat. Chem.
2011, 3, 484-488.

1,6[5.2.1.0 ]デカンの合成法の確立を目的として研究を行った。光学活性なHajos-Parrishケトンから合成したア(4) (a) Blaauw, R. H.; Brière, J.-F.; de Jong, R.;

ルデヒドに対して、SmI 2を用いたラジカル環化反応を

Benningshof, J. C. J.; van Ginkel, A. E.; Rutjes,

行ったところ、望むトリシクロデカンを高収率で合成す

F. P. J. T.; Fraanje, J.; Goubitz, K.; Schenk, H.;ることに成功した。しかし、Keckアリル化反応によるHiemstra, H. Chem. Commun. 2000, 1463-1464.

側鎖導入を試みたが、アリル基の導入には至らなかっ(b) Benningshof, J. C. J.; Blaauw, R. H.; van Ginkel,

た。そこで、予め17位に側鎖が導入された環化前駆体を

A. E.; J. H.; Rutjes, F. P. J. T.; Fraanje, J.; Goubitz,

合成した後、ヨウ化サマリウムを用いたラジカル環化反K.; Schenk, H.; Hiemstra, H. Chem. Commun.

応を検討した結果、望むトリシクロ[5.2.1.0 ]デカンが2000, 1465-1466. (c) Blaauw, R. H.; Brière, J.-F.; de得られた。一連の検討により、連続する不斉四級炭素をJong, R.; Benningshof, J. C. J.; van Ginkel, A. E.;

含み高度に歪んだシクロブタンから構成されるトリシク

Fraanje, J.; Goubitz, K.; Schenk, H.; Rutjes, F. P.

ロ[5.2.1.01,6]デカン構造の効率的な合成法の確立に成功

J. T.; Hiemstra, H. J. Org. Chem. 2001, 66, 233-

した。

242. (d) Brière, J.-F.; Blaauw, R. H.; Benningshof,

1,6

現在ソラノエクレピンAの全合成に向けて、七員環(CJ. C. J.; van Ginkel, A. E.; van Maarseveen, J. H.;環)構築を検討中である。今後は、ソラノエクレピンA

Hiemstra, H. Eur. J. Org. Chem. 2001, 2371-―­20 ―

2377. (e) Blaauw, R. H.; Benningshof, J. C. J.; vanB.; Goubitz, K.; Peschar, R.; van Maarseveen, J. H.;

Ginkel, A. E.; van Maarseveen, J. H.; Hiemstra, H.

Hiemstra, H. Eur. J. Org. Chem. 2011, 3146-3155.

J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 2001, 2250-2256. (f)(k) Tsao, K.-W.; Cheng, C.-Y.; Isobe, M. Org. Lett.

Benningshof, J. C. J.; Blaauw, R. H.; van Ginkel, A. E.;

2012, 14, 5274-5277. (l) Chuang, H.-Y.; Isobe, M.

van Maarseveen, J. H.; Rutjes, F. P. J. T.; Hiemstra,Org. Lett. 2014, 16, 4166-4169. (m) Lin, Y.-T.; Lin,

H. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 2002, 1693-1700.

F.-Y.; Isobe, M. Org. Lett. 2014, 16, 5948-5951. (n)(g) Benningshof, J. C. J.; IJsselstijn, M.; Wallner, S.

Lutteke, G.; Kleinnijenhuis, R. A.; Beuving, R. J.;

R.; Koster, A. L.; Blaauw, R. H.; van Ginkel, A. E.;

de Gelder, R.; Smits, J. M. M.; van Maarseveen, J.

Brière, J.-F.; van Maarseveen, J. H.; Rutjes, F. P.

H.; Hiemstra, H. Eur. J. Org. Chem. 2016, 5845-

J. T.; Hiemstra, H. J. Chem. Soc., Perkin Trans.

5854. (o) Chuang, H.-Y.; Isobe, M. J. Org. Chem.

1 2002, 1701-1713. (h) Hue, B. T. B.; Dijkink, J.;

2017, 82, 2054-2058. (p) Chuang, H.-Y.; Isobe, M.

Kuiper, S.; Larson, K. K.; Guziec Jr., F. S.; Goubitz,

Tetrahedron Lett. 2017, 73, 2705-2714.

K.; Fraanje, J.; Schenk, H.; van Maarseveen, J. H.;(5) (a) Tojo, S.; Isobe, M. Synlett 2005, 1237-1244. (b)Hiemstra, H. Org. Biomol. Chem. 2003, 1, 4364-

Adachi, M.; Yamauchi, E.; Komada, T.; Isobe, M.

4366. (i) Hue, B. T. B.; Dijkink, J.; Kuiper, S.; vanSynlett 2009, 1157-1161.

Schaik, S.; van Maarseveen, J. H.; Hiemstra, H.

(6) Komada, T.; Adachi, M.; Nishikawa, T. Chem. Lett.
2012, 41, 287-289.

Eur. J. Org. Chem. 2006, 127-137. (j) Lutteke, G.;
Kleinnijenhuis, R. A.; Jacobs, I.; Wrigstedt, P. J.;(7) Adachi, M.; Torii, M.; Nishikawa, T. Synlett 2015,

Correia, A. C. A.; Nieuwenhuizen, R.; Hue, B. T.

―­21 ―

965-969.

申請者

大阪市立工業研究所（現

大阪産業技術研究所）

門多丈治

リグニンとポリ乳酸からなる一次構造の明確な
木材代替プラスチックの精密合成
大阪産業技術研究所

森ノ宮センター門多１．背景と目的丈治

触媒の推定される反応機構を示す(図１)。

近年、環境問題への対応策の一つとして、金属を含ま

まず、触媒と開始剤アルコール(求核剤)が存在する

ない重合触媒の開発が注目されている。重合触媒能を有と、脱プロトン化によりアルコールが活性化される。そ1)する酵素 はその有力候補の一つであるが、コスト等にこに、モノマー(求電子剤)が存在すると、プロトン化さより工業化には至っていない。そこで我々は、リパーゼ

れ活性化する。その協奏的酸塩基触媒作用によって、開触媒開環重合の酵素活性部位に着目し、その協奏的酸塩

環が高効率、選択的に進行し、分子量の揃った精密ポリ

基触媒作用にヒントを得た新しい有機触媒を開発した。

乳酸へと至る。溶液重合、バルク重合ともに可能であリパーゼ触媒開環重合の鍵段階では、アミノ酸残基中のり、モノマー/開始剤比から計算される理論値通りの分

プロトン供与基とプロトン受容基が、モノマーに対して子量の“精密ポリ乳酸”を、実用性のある高重合度のもの

協奏的に作用することにより触媒サイクルを形成していまで定量的に得ることができる。さらに、用いる開始剤

ると考えられている。そこで、ラクチド開環重合触媒とによって、直鎖および任意の分岐構造の導入、開始・停してプロトン供与基/受容基の共存が可能な、すなわち止両末端基の修飾、ブロック共重合化まで、従来になく

2)3)酸 と塩基 が同時に働く有機化合物の組み合わせを探正確かつ任意に構造を制御した様々なポリマー設計が可索した結果、4,4-ジメチルアミノピリジン(DMAP)とそ

能になる5)。

の塩を同時に用いると、DMAP単独 3a)より高活性な触開発した有機触媒の利点にバイオマス有効活用の観点

媒作用を示し、分子量と化学構造を正確に制御した“精を取り入れ、植物資源由来の新素材リグノフェノール6)

密ポリ乳酸”が得られることを見出した4)。この新規有機(図２)を開始剤とするオールバイオマス材料の設計およਦ̏ɻ反応機構：酸塩基有機触媒(DMAP+DMAPH.OTf)によるポリ乳酸の精密合成―­22 ―

て注目されている。リグニン由来の化学構造をほぼ保持しつつ３次元網目構造をピンポイントで開裂させた点で従来のリグニン材料と全く異なり、明確に構造解析されていることも含め、既存の化学工業プロセスとの親和性が高い。我々は、1999年から三重大学と共同で、他の研究機関に先駆けて、リグノフェノールの工業的用途の開拓に着手し、エポキシ樹脂 7ab)、ポリウレタン樹脂 7c)、
木材用接着剤7d)等を開発してきた実績を有し、現在も企業への技術移転、工業製品化に挑戦し続けている。
リグノフェノールはアルコール性水酸基を多く有する
ポリオールであるため、アルコール系開始剤として利用可能である。剛直なリグノフェノール骨格中の水酸基を起点に、柔軟なポリ乳酸鎖を結合させることで、様々な構造のリグノフェノール/ポリ乳酸複合体が簡便に得られると期待される。本研究では、リグノフェノール中のਦ̐ɻリグノフェノール（LP）の推定構造

水酸基を開始剤、乳酸二量体ラクチドをモノマーとして、剛柔両立させうるブラシ状の特殊構造ポリマーを精

び合成を試みた。リグノフェノールは、三重大学の舩岡密合成し、成形可能な木材代替プラスチックの開発を目教授が開発したリグニン精密抽出法(相分離システム)で指した。

製造され、植物資源のフル活用を可能とする新素材としන̏ɻブナ由来リグノフェノールLPc(B)、ヒノキ由来LPc(H)を開始剤とするポリ乳乳酸の分子量/LJQRSKHQRO2ULJLQ

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/3F +
+LQRNL

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0RODUPDVVRI/JQRSKHQRORQO\ZDVPHDVXUHG

―­23 ―

２．結果と考察
２.１の分子量、分子量分布を表１にまとめた。

リグノフェノールを開始剤とする分子量の揃ったポリ乳酸の精密合成

いずれの場合も高収率であり、かつ数平均分子量は使用したモノマー/開始剤比から下式で計算される理論

リグノフェノールは、ブナまたはヒノキを原料と分子量(Mn(th))に一致していることが分かった。ここ

しクレゾールで抽出されたリグノクレゾール( Type

で[M]=モノマー量(mmol)、[I]=開始剤量(mmol)、p-Cresol、Two Step Process II、舩岡研、ブナの場合

MLA=144.13(モノマー分子量)、Minitiator=開始剤分子量をLPc(B)、ヒノキの場合LPc(H)と略)を用いた。モノ表す。

マーにL-ラクチド、開始剤にLPc(B)またはLPc(H)(1,0Q WK 䠙

0.5, 0.2, 0.1mol%)、触媒にDMAPおよびDMAPトリフ>0 @ FRQY 
㽢0/$ 䠇0LQLWLDWRU
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>, @


ラート(1mol%)を用い、窒素雰囲気下、100℃バルク条

表１の重合度に対して分子量をプロットしたグラフを件で1時間反応させることで、淡褐色透明固体を得た。

示す(図３)。丸印がGPC測定による数平均分子量、プラ

モノマー転換率および得られたポリマーの数平均分子

ス印はその分子量分布、四角印は理論分子量を表す。図

量、分子量分布を、それぞれNMR、GPCにより測定し３から、モノマー/開始剤比100～1000の範囲で、仕込みた。また、DSC測定から求めたガラス転移温度は、いず比のみで分子量を制御可能なことが分かる。同時にそのれも55℃付近で差は見られなかった。得られたポリマー

分子量分布(PDI)は、重合度が大きくなるほど減少している。これは、重合開始時には開始剤自体の分子量分布ϭϰϬ͕ϬϬϬ
ϭϮϬ͕ϬϬϬ

>WĐ;Ϳ
ƚŚĞŽƌĞƟĐĂů
W/

ϯ͘ϱ

(1.9または3.1)に起因する分布があるものの、分子鎖が短いほど分子運動性が高く反応性も高いため、重合が進ϯ͘ϬDŶ;'WͿϭϬϬ͕ϬϬϬ
Ϯ͘ϱϴϬ͕ϬϬϬ
ϲϬ͕ϬϬϬ

Ϯ͘ϬϰϬ͕ϬϬϬ
ϭ͘ϱϮϬ͕ϬϬϬϬϭ͘ϬĞŐƌĞĞŽĨWŽůǇŵ͘;ŽŶǀͬ͘ϭϬϬΎ;΀D΁ͬ΀ĂůĐ΁ͿͿϭϰϬ͕ϬϬϬ
ϭϮϬ͕ϬϬϬ

>WĐ;,Ϳ
ƚŚĞŽƌĞƟĐĂů
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ࣺਇ̏ɻজॢঀইख़ঀ‫ش‬ঝэ/3Fэ%юю৘୿भ॔ঝढ़জজॢ
ॽথ‫ؚ‬൓॔ঝढ़জজॢॽথ

ϯ͘ϬDŶ;'WͿϭϬϬ͕ϬϬϬ
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ϲϬ͕ϬϬϬ

Ϯ͘ϬϰϬ͕ϬϬϬ
ϭ͘ϱϮϬ͕ϬϬϬϬϭ͘ϬĞŐƌĞĞŽĨWŽůǇŵ͘;ŽŶǀͬ͘ϭϬϬΎ;΀D΁ͬ΀ĂůĐ΁ͿͿਦ̑ɻজॢঀইख़ঀ‫ش‬ঝ॑৫઩දप৷ःञএজ໚෷भ੎়
২पৌघॊী৕୤э঱‫؟‬/3Fэ%ю‫؟ৣؚ‬/3Fэ+ююࣺਇ̐ɻজॢঀইख़ঀ‫ش‬ঝэ/3Fэ%юю৘୿भ॔ঝढ़জজॢ
ॽথ‫ؚ‬൓॔ঝढ़জজॢॽথभ7+)षभྃੰਙ

―­24 ―

න̐ɻ৘୿भ॔ঝढ़জজॢॽথ‫ؚ‬൓॔ঝढ़জজॢॽথ॑
৫઩දधघॊএজ໚෷भী৕୤

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2ULJLQ$ONDOLQH'HDONDOLQH

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の結果から、この精密重合技術は、分子量未知の開始剤アルコールの分子量測定に適用可能な精度を有していることが分かった。得られるポリマーの分子量(Mn)

FRQY 
0 Q *3& 0 Z *3&3',は下式で表される。ここで[M]=モノマー量(mmol)、

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[I]=開始剤量(mmol)、MLA=144.13(モノマー分子量)、
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Minitiator=開始剤分子量を表す。

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>, @ 䠙

行するにつれて鎖長が揃う(＝分子量分布が狭くなる)現象を明確にとらえたものと考えられる。
２.２:LQLWLDWRU
0LQLWLDWRU

を代入し(Winitiator=開始剤質量(mg))、変形すると、

0LQLWLDWRU 䠙

市販リグニンとリグノフェノールの比較>0 @:LQLWLDWRU

リグノフェノールと比較する目的で、試薬グレードで

0Q
FRQY Âî 0/$  

市販されているリグニンについても、同様の重合を試み

ここで、表１中のLPc(B)0.2mol%の結果を基に(他た。市販リグニンには、ナカライテスク製リグニン(アの結果でも同様に計算可能)、[M]=5(mmol)、conv.

ルカリ性)(LG(a)と略)および、東京化成工業製リグニ(%)=98(%)、Winitiator=23.7(mg)、Mn(by GPC)=７0,000

ン(脱アルカリ)(LG(da)と略)を用いた(写真１)。

を代入すれば、M initiator ≒2,300となり、GPCで実測しまず、重合する前にTHFへの溶解性を確認した。

た、Mn=2,360とほぼ一致する。すなわち、分子量未知

リグノフェノール(LPc(B))、LG(a)、LG(da)それぞのアルコールを開始剤に用いて得られるポリマーの分子れ5mgにTHF1mLを加え撹拌したところ、リグノフェ量を測定すれば、上式より簡単に分子量を計算することノールが完全に溶解するのに対し、LG(a)、LG(da)はができる。

ほとんど溶解しなかった(写真２)。この結果から、リグ
ニンの製法によって全く異なる性質になってしまってい２.４

リグノフェノールを開始剤とするポリ乳酸のフィルム化ることが推測される。
モノマーにL-ラクチド、開始剤にLG(a)または得られたリグノフェノール/ポリ乳酸複合体についLG(da)(50, 10mg)、触媒にDMAPおよびDMAPトリて、溶媒キャスト法、熱プレス法によるフィルム化を試

フラート(1mol%)を用い、窒素雰囲気下、100℃バルク

みた。リグノフェノール/ポリ乳酸複合体として、表1中

条件で1時間反応させることで、褐色固体を得た。モノのLPc(B)を開始剤とするMn11.4万、LPc(H)を開始剤

マー転換率および得られたポリマーの数平均分子量、とするMn10.8万の２種類を用いた。

分子量分布を、それぞれNMR、GPCにより測定した(表

(１)

２)。

製シャーレに合成したリグノフェノール/ポリ乳酸複合

溶媒キャストフィルム化

内径約27mmのガラス

いずれの条件でもポリマーが得られたものの、それら体5mgを量り取り、ジクロロメタン0.5mLを加えて溶解のGPC測定ではUV吸収が全く観測されなかったため、させた後、そのまま静止、風乾させることで薄膜フィル

リグニン由来のポリマーではないと推測される。しかムを得た。破れることなく剥がすことができ、膜厚は約し、得られたポリマーの分子量がリグニン使用量に比例10μmであった(写真３

していることから、おそらく、リグニンに含まれている(２)

不純物、又は水が開始剤となったものと考えている。

プレス機を用いて、上下にアルミ板、PETフィルムで上)。

熱プレスによるフィルム化

100℃に設定した熱

挟み、圧さ調整のため100μm厚のアルミ枠の中に合成
２.３

分子量未知の開始剤の分子量測定手法

したリグノフェノール/ポリ乳酸複合体100mgを入れ、リグノフェノールを開始剤とするポリ乳酸の精密合成

10秒熱プレスすることで直径約40mm、100μm厚の―­25 ―

４．謝辞
本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団2015年
度研究助成を受けて行われたものです。ここに深く御礼申し上げます。
５．参考文献1) a) Kobayashi, S.; Uyama, H.; Kimura, S. Chem. Rev.
2001, 101, 3793. b) Gross, R. A.; Kumar, A.; Kalra,
B. Chem. Rev. 2001, 101, 2097. c) Kobayashi, S.
Macromol. Rapid Commun. 2009, 30, 237.
2) a) Shibasaki, Y.; Sanda, H.; Yokoi, M.; Sanda, F.;ࣺਇ̑ɻজॢঀইख़ঀ‫ش‬ঝএজ໚෷ള়৬э/3Fэ%юэంю‫ؚ‬/3Fэ+юэకююभ‫ؚ‬य़ক५ॺইॕঝ঒э঱ю‫ؚ‬೸উঞ५ইॕঝ঒эৣюEndo, T. Macromolecules 2000, 33, 4316. b) Endo,
T.; Shibasaki, Y.; Sanda, F. J. Polym. Sci.: Part A:
Polym. Chem. 2002, 40, 2190. c) Bureau, S. G.;

下)。

Delcroix, D.; Martin-Vaca, B.; Bourissou, D.; Navarro,

本研究で得られたリグノフェノール/ポリ乳酸複合体

C.; Magnet, S. Macromolecules 2008, 41, 3782. d)は、従来のポリ乳酸に比較して容易に薄膜化、フィルム

Basko, M.; Kubisa, P. J. Polym. Sci.: Part A: Polym.

化が可能であった。おそらく、その特殊な構造の特性に

Chem. 2006, 44, 7071. e) Bourissou, D.; Martin-

よるものと考えている。本研究中には物性の解析には至Vaca, B.; Dumitrescu, A.; Graullier, M.; Lacombe, F.

らなかったが、今後スケールアップして、詳細に力学

Macromolecules 2005, 38, 9993.

フィルムを得た(写真３3) a) Nederberg, F.; Connor, E. F.; Möller, M.; Glauser,

的、熱的物性を調べる予定にしている。

T.; Hedrick, J. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40,
３．まとめ2712. b) Myers, M.; Connor, E. F.; Glauser, T.; Möck,

ポリ乳酸は、植物(デンプン)を出発原料として、植物

A.; Nyce, G. W.; Hedrick, J. L. J. Polym. Sci. A:→糖→乳酸→乳酸二量体(ラクチド)→ポリ乳酸という経

Polym. Chem. 2002, 40, 844. c) Dove, A. P.; Pratt,路で合成されているが、近年では非食物系のセルロース

R. C.; Lohmeijer, B. G. G.; Waymouth, R. M.; Hedrick,からの糖化も試みられており、リグノフェノールの工業

J. L. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13798. d) Zhang,

的活用経路と合流させることで、植物の有用成分を余す

L.; Nederberg, F.; Pratt, R. C.; Waymouth, R. M.;

ことなく有効活用できる、新たな資源活用経路の開拓に

Hedrick, J. L.; Wade, C. Macromolecules 2007, 40,

繋がると期待される。本研究では、その一例として、分

4154. e) Koeller, S.; Kadota, J.; Deffieux, A.; Peruch,

子量制御されたリグノフェノール/ポリ乳酸複合体の精F.; Massip, S.; Léger, J.-M.; Desvergne, J.-P.; Bibal,

密合成が可能であることを示せた。また、しなやかさと

B. J. Am. Chem. Soc. 2009, 109, 15088. f) Koeller,

強靭さを両立させている植物体に見倣って、リグノフェ

S.; Kadota, J.; Peruch, F.; Deffieux, A.; Pinaud, N.;

ノールの剛直鎖に多数のポリ乳酸鎖を“生やす”形で芳香

Pianet, I.; Massip, S.; Léger, J.-M.; Desvergne, J.-P.;族・脂肪族両成分を強固に複合化させることができ、柔Bibal, B. Chem. Eur. J. 2010, 16, 4196. g) Becker,

軟性、強靭性、成形加工性に優れた木材代替プラスチッ

J. M.; Tempelaar, S.; Stanford, M. J.; Pounder, R. J.;クの開発に向けて、一歩前進したと考えている。今後、Covington, J. A.; Dove, A. P. Chem. Eur. J. 2010,

本研究の成果も含めて様々なユニークな構造の精密ポリ

16, 6099. h) Alba, A.; Schopp, A.; Delgado, A. P. D.;

乳酸の物性を調べることで、柔軟かつ強靭なポリ乳酸新Cherif-Cheikh, R.; Martin-Vaca, B.; Bourissou, D. J.

素材の開発に繋げていきたい。

Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 2010, 48, 959.
i) Zhang, L.; Pratt, R. C.; Nederberg, F.; Horn, H. W.;―­26 ―

123.

Rice, J. E.; Waymouth, R. M.; Wade, C. G.; Hedrick, J.
L. Macromolecules 2010, 43, 1660.

6) a) Funaoka, M.; Abe, I. Tappi J.,1989, 72, 145. b)
Funaoka, M. Polymer International, 1998, 47, 277.

4) a) Kadota, J.; Pavlovic, D.; Desvergne, J.-P.; Bibal, B.;
Peruch, F.; Deffieux, A. Macromolecules, 2010, 43,7) a) 門多, 長谷川, 舩岡, ネットワークポリマー, 2006,

8874. b) Kadota, J.; Pavlovic, D.; Hirano, H.; Okada,27, 118. b) 門多, 長谷川, 舩岡, ネットワークポリ

A.; Agari, Y.; Bibal, B.; Deffieux, A.; Peruch, F. RSC

マー, 2010, 31, 152. c) 門多, 長谷川, 舩岡, 日本接着Adv., 2014, 4, 14725.

学会誌 , 2004, 40, 380. d) 門多, 長谷川, 舩岡, 鷲見, 日5) 門多, 岡田, 平野, 上利, 日本接着学会誌, 2014, 50,―­27 ―

本接着学会誌, 2004, 40, 101.

申請者

北海道大学

阿部

薫明

新規多糖誘導体を用いた薬剤徐放量を最適化できる臓器粘着型生分解性シートの開発
北海道大学

大学院歯学研究院

阿部
１．緒言

薫明

減は抗がん医療などの究極の課題である。薬剤ターゲッ

近年、我が国は超高齢化社会の到来に伴い、医療・福ティングの究極の効率化の方策としては、患部組織・臓祉など増加する高齢人口の問題に対応することが課題と器への薬剤の留置が考えられる。臓器粘着型生分解性なっている。例えば、高齢者の薬の飲み過ぎが挙げら

シートに薬剤徐放性を付加させることが出来れば、長期

れ、臓器機能の衰えにより薬物有害事象の発生が増加し間に渡り患部へと薬剤を供給し得る、副作用を軽減したている。常時5種類以上の投薬を行っている患者は、前効率的な治療法の確立が期待される。現在、DDSにお期高齢者で約44%、後期高齢者では約69%にも至っていいて高分子は薬物の担体として多く活用されている2)。

る。また、2疾病以上の慢性疾患を有する高齢者は平均中でも多糖類は生体に対する親和性や、体内での挙動、約6種類もの処方が行われている。そして、高齢者では6誘導体が合成しやすいなどの点で薬物担体として優れて種類以上の投薬で有害事象の発生が増加しているため、いる。

今後高齢者が増え続ける現代社会では解決せざるを得な
1)

そこで我々は、天然高分子であるプルラン(PL)をリい問題となっている 。そこで考えられているのが、薬ン酸化したリン酸化プルラン(PPL, Fig. 1)に着目した。

物を効率よく適切な部位に適切な量送り込む薬物伝達

プルランはグルコースがα(1→4)(1→4)(1→6)結合で繋システム(DDS)である。DDSを考えることで、薬の効がった構造を持ち、水に容易に溶解して、低粘性の溶液

果を高め、投薬回数や投薬量の減少、副作用を抑えるこを与える他、粘着性、造膜性、生体安全性等の性質を示とによる患者の負担の軽減が期待できる。例えば、抗がす事から、化粧品・医薬品・食料品などに利用されていん剤など副作用の強い薬剤を用いた治療では、「薬剤にる3)。また、リン酸基は生体内で歯や骨などを構成するよる副作用」→「患者のダメージ」→「体力の低下」→

ハイドロキシアパタイトへの高い吸着性を示す。そのた「治療効果の激減」→「死」へと至るため、薬剤の機能

め、PPL‐薬物複合体を患部組織やその周辺に接着させを最大限に利用することはできない。それ故、副作用軽薬物を徐々に放出させる事で、少量の薬物で効果的かつ)LJXUHɻリン酸プルラン(PPL)の化学構造―­28 ―

2-1-2. アセチル化PPLの合成
2-1-1で合成したPPL 1gをホルムアミド30mLに溶解させた。溶解後、54℃のウォーターバス内でピリジンと無水酢酸を3:2の割合で加え、攪拌しながら48時間反応させた5)。その後、飽和食塩水を20mL加え、エタノール約
300mLに流し入れ沈殿を析出させた。得られた沈殿を吸引ろ過により取り出し、超純水に溶解させ透析を行った
後、凍結乾燥により生成物を得た。得られた生成物についてIR測定、1H-NMR測定を行った。
2-2. PPL-CHG複合体形成量の評価
2-1-1で合成したPPL(DS P=0.04, 0.09)について所定)LJXUHɻクロロヘキシジン(CHG)の化学構造の濃度の水溶液とCHG水溶液とを混合させ、超純水で洗浄した。限外ろ過膜を有する遠心濾過デバイス

持続的に薬効を発揮させるDDSが実現可能であると考(Nanocep、分画分子量 10kDa、PALL社)を用い、混合えられる。

溶液を遠心分離で限外濾過した。ろ液中の薬物濃度を吸本研究では、PPLを薬物担体として薬物との複合体を光度測定で定量し、複合体形成量を評価した。

作製し、吸光度測定等によりその複合体の形成量・形成メカニズムと薬物徐放の制御について検討した。またイ

2-3. CaCl2添加によるPPL-CHG複合体形成量への影響

ンプラント等の生体材料として用いられるTi表面に形

PPL-CHG混合溶液(400ppm : 100ppm)を調製し、所成し、PPL-薬物複合体フィルムからの薬物分子の徐放定のCa2+濃度になるようにCaCl2水溶液を加え、2-2と同挙動について、報告する。今回は徐放挙動を観察する薬様の操作で複合体形成量を評価した。PPLはDSP=0.04の物として、医薬用殺菌薬であり、水溶性を示すカチオン試料を用いた。

性分子のクロルヘキシジン(CHG, Fig.2)を用いた。
2-4. 尿素添加によるPPL-CHG複合体形成量への影響
２．実験操作PPL-CHG-CaCl2混合溶液(200ppm : 50ppm : 50μM)

2-1. 多糖への官能基修飾を調整し、所定の濃度になるように尿素水溶液を加え、2-1-1. PPLの合成

2-2と同様の操作で複合体形成量を評価した。PPLは

局方プルラン20g(PL 林原製、lot : 6F07)とNaOHを

DSP=0.04の試料を用いた。

超純水にそれぞれ溶解させ、混合し、一晩攪拌を行った。ビーカーを氷浴に浸し、水温を5℃まで下げた。水

2-5. PPL-CHG複合体の徐放性の評価

温確認後、塩化ホスホリル(POCl 3)を少量ずつ加え、64000 ppmのPPL水溶液(DSP=0.09)と1000 ppmのCHG

時間反応させた。反応後の溶液にリン酸を加え中和した水溶液をそれぞれ調製し、同量ずつ混合した溶液をTi

後、透析、濾過、濃縮を行い、凍結乾燥により生成物を板上に滴下し、乾燥させてキャストフィルムを形成し4)得た 。得られた生成物についてICP発光分光分析装置

た。乾燥後、超純水または生理食塩水に浸け、時間経過(VISTA-PRO、セイコーインスツルメンツ製)によりリごとに溶出液を取り出し、吸光度測定により定量するこン含有量を測定した。その結果より、糖鎖中の水酸基がとで徐放性を評価した。

リン酸基へ置換された割合(Degree of Substitution、以下DSと略記)を算出した。すべての水酸基がリン酸基に2-6. アセチル化PPL-CHG複合体形成量の評価
2-1-2で合成したアセチル化PPLを用いて、2-2と同様置換されたときを1としている。

の操作で複合体形成量を評価した。

―­29 ―

7DEOHɻPLへのリン酸化反応の結果)LJXUH ɻPPL-CHG 複合体に含有されたCHG量(破線：DSP=0.09、点線：DSP=0.04、
実線：PL (DSP=0))2-7. アセチル化PPL-CHG複合体の徐放性の評価
2-1-2で合成したアセチル化PPLを用いて、2-5と同様の操作で徐放性を評価した。

によりアセチル置換度を算出した。その結果をTable 2
３．結果と考察に示す。ここで、DSAはすべての水酸基がアセチル基に3-1-1. PLのリン酸化反応置換されたときを1として表記している。

リン酸化反応を行ったPL中に含まれるリン含有量

この結果、PPLのリン酸置換度に関係なく、無水酢酸

をICP発光分析に基づき算出した結果を、Table 1に示とピリジンの仕込み量の増加に伴い、アセチル基への置す。ここでDSPは、すべての水酸基がリン酸基に置換さ換度DSAが上昇した。

れたときを1として表記している。結果より、塩化ホス
ホリルの量を変化させることで、リン酸化度DSPを制御

3-2. PPL-CHG複合体形成量
PPL-CHG複合体形成量をFig. 3に示す。Fig. 3よりできることが分かった。

PPLとは複合体を形成し、リン酸置換度が高いと形成量
3-1-2. アセチル化PPLの合成結果が増加し、一方、PLの場合には複合体を形成しないこ

3-1-1.で得られたPPLに対して、アセチル化反応を行とが分かる。 また、CHGの代わりにアニオン性の薬剤

い、生成物の1H-NMR測定を行った。2.2ppm付近にアセ分子を添加した場合には、PPLと複合体を形成しないこ

チル基由来の顕著なピークが見られたことから、アセチとが分かった。これらの結果より、複合体形成においてル基の導入を確認できた。更に、アセチル基由来のピー

リン酸基が重要なファクターとなっており、更にカチオ

クと水酸基由来のピーク(3.5～4.3ppm)の積分値を比較ン性であるCHGとは複合体を形成し、アニオン性分子とは形成しないことから、電気的な相互作用が働いてい

7DEOHɻPPLへのアセチル化反応の結果ると考えられる。
3-3. CaCl2添加によるPPL-CHG複合体形成量への影響
3-3-1. CaCl2の添加
PPL-CHG混合溶液にCaCl2水溶液を添加した際の複合体形成量をFig. 4に示す。混合溶液中のCa2+の濃度が上昇すればするほど、複合体形成量は減少している。これは、PPLとCHGが相互作用を起こしているが、相互作用のより強いCa2+の添加により、PPLとCa2+の相互作用に置き換わったからだと考えられる。PPLとCa2+の相互作用は電気的な力であることから、複合体の形成時にリ―­30 ―)LJXUHɻCa2+ 添加によるPPL-CHG 複合体に含有されるCHG量への影響)LJXUHɻPPL-CHG キャストフィルムからのCHGの徐放挙動(破線：蒸留水、実線：生理食塩水)

ン酸基のアニオンとカチオン性であるCHGの電荷の中3-5. Ti表面に形成したPPL-CHG複合体キャストフィル

和が働いていることが示唆される。

ムからのCHG徐放性の評価

2+

しかしながら、Ca の濃度が0.5μM以上になると複合体形成量が減少しなくなっている。つまり、複合体形成

Ti 表面に形成したPPL-CHG複合体キャストフィルム

において電荷の中和だけではなく、他の要因も関与してからのCHGの徐放挙動をFig. 6に示す。超純水中では24いると考えられる。

時間薬物を放出し続けているのに対し、生理食塩水中
では浸漬から数時間のうちにCHGが放出された。これ

3-3-2. 尿素添加の添加は、超純水中に比べイオン強度の高い生理食塩水中で、PPL-CHG-CaCl2混合溶液に尿素を添加した際の複合体

リン酸基とTi板間の相互作用と、リン酸基とCHG間の形成量をFig. 5に示す。CaCl2を添加しても複合体形成量

相互作用の双方が阻害されたためであると考えられる。

が減少しなかった範囲で尿素を添加することで、複合体

しかし、生理食塩水中での薬物放出が早すぎるため、多形成量は減少した。尿素は構造破壊性分子であり、疎水糖を溶け難くして放出を遅くする目的でアセチル化PPL

3)性相互作用を阻害する働きを持つ 。つまり、複合体形を用いて、同様の評価を行った。

成時に疎水性相互作用が働いていると示唆される。
以上のことをまとめると、PPL-CHG複合体は静電相

3-6. アセチル化PPL-CHG複合体形成量の評価
DSP=0.04のPPLとそのアセチル化物とでは、複合体形互作用と疎水性相互作用の双方が働くことで形成されているといえる。

成量に違いは見られた。混合溶液中のCHGの増加に伴い、DSP=0.04のアセチル化PPL-CHG複合体が析出する
ことにより、それ以上複合体を形成できなくなったためだと考えられる。これは、複合体形成量の増加に伴い、CHGと相互作用を起こしていないリン酸基の量が減少することで水和しにくくなり、アセチル基による疎水化と相まって、十分な溶解性を保てなくなったためと考えられる。一方、DSP=0.09のアセチル化PPLでは、混合溶
液中の薬物の量が多くなり相互作用を起こしていないリン酸基が減少しても、元から多くのリン酸基を携えているため溶解状態を保ち、PPLと同等の挙動を示した。低)LJXUHɻ尿素添加によるPPL-CHG 複合体に含有されるCHG量への影響

薬物濃度ではPPLとアセチル化PPLの複合体形成量に差異はなかったため、リン酸置換度・アセチル置換度に関―­31 ―

ンと無水酢酸を加えることでアセチル化PPLもその置換度を制御しながら合成することに成功した。PPLはカチオン性薬剤分子(CHG)とのみ、複合体を形成した。そして、PPL-CHG複合体へCa 2+、尿素の添加により複合体形成量が減少したことから、この複合体形成には静電相互作用と疎水性相互作用の双方が働いていることが示唆された。Ti表面に形成したPPL-CHG複合体キャスト
フィルムは生理食塩水中では急速に薬物を放出したが、PPLのアセチル化により放出機関の長時間化に成功し、)LJXUH ɻ生理食塩水中でのアセチル化PPL-CHG キャ
ストフィルムからのCHGの徐放挙動(破線：DSA=0.62、点線：DSA=0.29、実線：DSA=0)

アセチル化の置換度の調整により、その徐放挙動を制御できることも示された。
５．謝辞
本研究の遂行にあたり多大なご協力を賜りました岡山

わらず同様に複合体を形成する薬物濃度で薬物放出挙動

大学大学院自然科学研究科高分子材料科学研究室沖原巧を評価した。

講師に深く感謝いたします。本稿を終えるにあたり、本
3-7. アセチル化PPL-CHG複合体の徐放性の評価

研究をご支援頂きました公益財団法人松籟科学技術振興

Ti基板上に形成されたPPL-CHGまたはアセチル化

財団に厚く御礼申し上げます。

PPL-CHG複合体フィルムからの生理食塩水中へのCHGの徐放挙動をFig. 7に示す。アセチル基を導入すること

６．参考文献で薬物の放出が遅くなった。なおかつ、アセチル基の導1) Kojima T, Akishita M, Kameyama Y, et al.,入量が増えるほど薬物の放出が遅くなった。これは、Geriatrics Gerontology Int., 12 (4), pp 761-762 (2012).

アセチル基の導入により溶液への溶解性が低下したため

2) K. Ulbrich, V. Subr, Advanced Drug Delivery
Reviews, 56 (7), pp 1023-1050 (2004).

だけではなく、CHGとの疎水性相互作用が増加する事により放出し難くなったためであると考えられる。つま

3) J.M. Choia・B. Lee, J. of Ind. and Eng. Che., 48, 108(2016).

り、薬物放出挙動はアセチル基の導入量によりコントロールでき、アセチル基の導入量も制御可能であること

4) 亀ノ上翔吾, 岡山大学大学院, 自然科学研究科, 修士

から、PPLはアセチル化することで局所的に効果を示す

論文 (2013)., S. Abe, Y. Okajima, et al., Advances in

DDS担体への応用が期待できる。

Functional Maters 20175) H. Zhang, et al., Colloids and Surfaces B :Biointerfaces, 71, pp 19-26 (2009).

４．まとめ
本研究では、PPLをホルムアミドに溶解させ、ピリジ―­32 ―

申請者

昭和薬科大学久保田

高明

共生微細藻類の機能を利用した新規骨粗鬆症の開発
昭和薬科大学

天然物化学研究室

久保田

１．はじめに

高明

化学合成による供給が容易であるとは言えない。

日本における骨粗鬆症の患者は1,000万人以上とさ一方、1995年に中村英士先生らは、無腸動物

れ、特に50歳以上の女性の3人に1人は骨粗鬆症に罹患しAmphiscolops sp. の共生渦鞭毛藻 Symbiodinium sp.

ていると言われている。人口の高齢化に伴い患者数が増(Y-6株)から、Norzoanthamineと構造が類似する炭素

加することが予想され、骨粗鬆症による骨折から要介護数30のアルカロイドであるZooxanthellamineを単離、構状態になるケースも多いことから、今後さらに深刻な問造決定している(Figure 1)。6) また、申請者が2012年に題になることが危惧されている。

沖縄で採取した Amphiscolops属の無腸動物から分離しNorzoanthamineは、1995年に上村大輔先生らにた渦鞭毛藻 Symbiodinium sp.(7-4S株)も、予備実験のよって、奄美大島近海で採取されたスナギンチャク

結果からNorzoanthamine関連化合物を生産することが(Zoanthus sp.)から単離、構造決定された炭素数29のア示唆されており培養法も確立していたため、渦鞭毛藻

ルカロイドで、マウスを用いた活性試験により骨密度お

Symbiodinium sp.(7-4S株)から新しいタイプの骨粗鬆症

よび骨重量の低下を強力に抑制することが見いだされて治療薬のリード化合物となるNorzoanthamine関連化合いる。また、現在、骨粗鬆症の治療に用いられている薬物を獲得することを目的として研究を開始した。

剤とは作用機序が異なることが示唆されており、新しいタイプの骨粗鬆症治療薬のリード化合物として注目され

２．結果と考察2-1. Compound Aの単離1-4)ている(Figure 1)。

Norzoanthamineは5 kgのスナギンチャクから得られ沖縄県で採取した無腸動物Amphiscolops sp.の体内る量が約20 mgとわずかであり、天然からの供給が困難

より分離したSymbiodinium属の渦鞭毛藻7-4S株を、海であるため合成研究が盛んに行われ、2004年には宮下正

水培地を用いて24℃で16時間明期、8時間暗期のサイク

昭先生、谷野圭持先生らにより見事な全合成が達成されルで3週間静置培養した。培養上清25 Lをダイアイオン

5)ている。 しかし、合成には40以上の工程を要するため

HP20カラムに付した後、水で無機物を除き、メタノー
ルおよびアセトンで有機物を溶出させた。この操作を4回繰り返して得られたメタノール溶出画分を有機溶媒(n-ヘキサン、トルエンおよびn-ブタノール)と水で順次分配した。n-ヘキサン可溶画分およびトルエン可溶画分
を各種クロマトグラフィーを用いて分離し、各画分に含まれる化学成分の精査を行なったが、Norzoanthamine
関連化合物の単離には至らなかった。しかし、トルエン

1RU]RDQWKDPLQH          =RR[DQWKHOODPLQH
)LJXUHɻStructures of Norzoanthamine andZooxanthellamine.

可溶画分をシリカゲルカラムおよびC18 HPLCを用いて分離した結果、新規12員環マクロリドであるCompound
A を単離することに成功した。

―­33 ―

していると帰属した。また4位の二重結合は、NOESY
スペクトルにおいてH-3(δh 2.39)とH-5(δh 5.35)の間およびH-4(δh 5.35)とH-6b(δh 1.75)の間に相関が観測されたことからE配置であると帰属した。
以上の解析結果から、Compound Aの平面構造が明ら)LJXUHɻSelected 2D NMR correlations for Compound A.

かになった(Figure 2)。
2-3. Compound Aの相対立体配置の解析

2-2. Compound Aの平面構造の解析

Compound AのC-11~C-14部分の相対立体配置は、Compound Aは、光学活性な無色の非結晶性固体とし

J-based configuration analysis(JBCA)法7)を適用するこて得られた。IRスペクトルにおいては、水酸基やカルとにより帰属した。１H -１H間の結合定数は分解能向上

ボニル基に由来すると考えられる吸収が観測された。ま１

た、高分解能ESIMSより分子式はC16O5H25であることがより算出し、１H -13C間の結合定数は、HETLOCおよび明らかになった。

J-resolved HMBCスペクトルより算出した。
１

H NMR(ウィンドウ関数としてsine-bell関数を用いた)

１

重クロロホルム中で測定した H NMRスペクトルで

H NMR、HETLOCおよびJ-resolved HMBCスペク

は、5.35 ppmに二重結合の水素のシグナル、5.27 ppmに

トルの解析から得られた結合定数に加えNOESYスペク

エステル結合したオキシメチンの水素のシグナルが観測

トルで観測された相関をまとめ、JBCA法の判断基準とされた。2.3~4.0 ppmには水酸基が結合したオキシメチ

照らし合わせると、C-11−C-12、C-12−C-13、C-13−ンの水素のシグナルとそれらに結合した水酸基の水素C-14のコンホメーションはそれぞれFigure 3に示したのシグナルが観測された。また、1.7~2.6 ppmにはカルNewman投影式のようになり、これらをつなぎ合わせ

ボニル基あるいは二重結合に隣接するメチレンの水素、ることにより、C-11~C-14部分の相対立体配置を11R*、

0.9~2.4 ppmにはその他のメチレンおよび末端または分

12R*、13R*、14S*と帰属した。

岐メチル基の水素のシグナルが観測された。
１

7位の相対立体配置は以下の様にして推定した。

Hおよび13C NMRデータとHSQCスペクトルの解析

分子モデリングソフトウェアSpartan’16を用いて、から、Compound Aは、1個のカルボニル炭素、2個のCompound Aの7R*, 11R*, 12R*, 13R*, 14S*体と7S*, 11R*,

sp2メチン、5個のsp3メチン、6個のsp3メチレン、2個の12R*, 13R*, 14S*体について、それぞれ10,000個のコ3ンホマーを発生させ、MMFF94力場を用いて力場計

sp メチルから構成されていることが明らかになった。
Compound Aの平面構造は2D NMRの解析により明１算を行った。安定なコンホマー上位100個を選択し、

１

らかになった(Figure 2)。 H - H COSYおよびTOCSY
スペクトルにおける相関から、C-2~C-11、C-7−C-16およびC-12~C-15、C-12−12-OH、C-13−13-OH、C-14−
14-OHの2個の部分構造の存在が明らかになった。これ
らの部分構造のつながりは、HMBCスペクトルの解析により帰属した。HMBCスペクトルにおいてH-11(δ h5.26)とC-13(δc 72.7)、H-12(δh 3.45)とC-10(δc 50.2)の間に相関が観測されたことから、11位と12位が結合していることが分かった。エステル結合した11位のオキシメ
チン(δh 5.26; δC 71.0)の水素およびカルボニル炭素に隣接する2位のメチレン(δh 2.53, 2.41; δC 35.5)の水素と1位のカルボニル炭素(δc 174.6)の間にHMBC相関が観測されたことから2位と11位はエステル結合を介して結合―­34 ―)LJXUHɻRelative conﬁguration for C-11~C-14
part of Compound A.

造最適化したコンホマーのうち、Bolzmann分布が0.1%以上のコンホマーについて存在比を加味したケミカル
シフト値の予測を行い、重クロロホルム中で測定した
Compound Aのマクロラクトン環部分の13C NMRのケミ
カルシフト値と計算により得られたケミカルシフト値の差を求めた。Figure 5に示す通り7R*, 11R*, 12R*, 13R*,
14S*体の方が実測値と計算値の差が小さく、本結果からも7位の相対立体配置がR*配置であることが支持された。
2-4. Compound Aの絶対立体配置に関する考察)LJXUHɻMost stable conformers for 7ŵ* and 7Ŷ* isomer ofCompound A with observed NOESY correlations
for Compound A.

Compound Aの絶対立体配置は、12位、13位、14位に連続して存在する3個の2級水酸基のうち２個をアセトナイドで保護した後、残る1個の2級水酸基の絶対立体配置

Hartree-Fock(3-21G)計算およびDFT(EDF2/6-31G*)計を改良Mosher法8)により決定することで、相対立体配置

算により、さらに構造最適化を行った。7R*体と7S*体から帰属できると考えている。

それぞれについて、Bolzmann分布が0.1%以上のコンホ

また、Compound Aの7位の絶対立体配置を、以下のマー(それぞれ18個、20個)のコンホメーションを比較しような方法で直接決定することも考えている。すなわちたところ、両ジアステレオマーとも全てのコンホマーのCompound Aのエステル結合をLiAlH4で還元しOsO4でマクロラクトン環部分のコンホメーションはほぼ同一二重結合を酸化した後、NaIO4で酸化分解して得られるであった。Figure 4には両ジアステレオマーの最安定コ

アルデヒドをNaBH4で還元してアルコールへと導く。得

ンホマーのマクロラクトン環部分と実際のNOESYスペられたアルコールを(R)-MTPAClで処理した後HPLCでクトルから得られた相関を示している。NOESY相関は精製し、3-methylheptane-1,7-diolのBis-(S)-MTPAエス

7R*体の構造を良く支持しており、特にH-5とH-7の間、テル体を得る。

H-6bとH 3-16の間、H-9とH 3-16の間のNOESY相関は、

Compound A から得られた3-methylheptane-1,7-diol

7S*体で観測されないと考えられるため、７位の相対立のBis-(S)-MTPAエステル体の１H NMRスペクトルが、体配置をR*配置であると帰属した。

別途合成した(R)-3-methylheptane-1,7-diolのBis-(S)-さらにDFT計算を用いたNMRケミカルシフト値の予

MTPAエステル体のものと一致すればCompound Aの7測からも7位の相対立体配置を検証した。DFT計算で構位の絶対立体配置はR配置、Bis-(R)-MTPAエステル体のものと一致すればS配置と決定できる。
2-5. Compound Aの生合成に関する考察
渦鞭毛藻の生産するポリケチドは、他の生物種がもっている既知のポリケチド生合成経路だけでは説明できな)LJXUHɻDiﬀerences between experimental and calculated
13
C NMR chemical shifts of Compound A.

―­35 ―

6FKHPHɻDegradation of Compound A.

い未解明の特異なポリケチド生合成経路により生合成されていることが知られている。9) 既知のポリケチド生合成経路で生合成されるポリケチドのポリケチド鎖は、酢酸の2炭素がそのまま直列に繋がって構成されている。
その結果、ポリケチド鎖の炭素数は通常偶数である。また、酸素原子に結合した炭素は、通常酢酸のカルボニル炭素に由来するため、末端のカルボニル基の炭素から数)LJXUHɻStructure of Compound A.

えてポリケチド鎖の奇数番目に位置する。一方、分岐メ
チル基をもつ炭素は、通常酢酸のメチル基の炭素に由来３．まとめするため、ポリケチド鎖の偶数番目に位置する。
13

沖縄県で採取したAmphiscolops属の無腸動物から分Figure 6には、 Cラベル酢酸の投与実験により明ら
T１(Amphidinium属の渦離したSymbiodinium属の渦鞭毛藻7-4S株の培養上清か鞭毛藻が生産するマクロリド)を構成する炭素の由来をら、新規12員環マクロリドであるCompound Aを単離かにされたAmphidinolide
10)

Amphidinolide T１のポリケチド鎖にし、各種スペクトルデータに基づき、相対立体配置を含は、そのまま取り込まれた酢酸の2炭素に加え、酢酸のめて構造を明らかにした。Compound Aは、4位にE配メチル基に由来する1炭素のみが単独で取り込まれた箇

置の二重結合、7位に分岐メチル基、12、13、14位に連所が複数存在する。また、酸素原子に結合した炭素は、続して水酸基をもつ炭素鎖長15の新規12員環マクロリド

そのまま取り込まれた酢酸のカルボニル炭素に加え、単である(Figure 7)。

示している。

独で取り込まれた酢酸のメチル基由来の1炭素にも由来

現在、Compound Aの生物活性の評価に向けて準備をし、分岐メチル基をもつ炭素は、そのまま取り込まれた進めている。また、新しいタイプの骨粗鬆症治療薬の酢酸のカルボニル炭素または単独で取り込まれた酢酸のリード化合物となるNorzoanthamine関連化合物の獲得

メチル基由来の1炭素に由来する。

を目指し、渦鞭毛藻Symbiodinium sp.(7-4S株)の培養上

これらの現象は、他の属の渦鞭毛藻が生産するポリエーテル毒などにも共通して見られる特徴で、これによ

清から得られた未分離の画分および藻体に含まれる化学成分の精査を継続して行なっている。

り渦鞭毛藻の生産するポリケチドのポリケチド鎖の炭素数は必ずしも偶数ではなく、酸素原子や分岐メチル基に４．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし

結合した炭素の位置も制約を受けない。
Compound Aの構造の特徴として、ポリケチド鎖の炭素数が15であること、11位、12位、13位、14位に酸素

た、公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。

原子が結合した炭素が連続して存在すること、7位に分岐メチル基をもつことが挙げられる。これらの特徴は、

５．文献

Compound Aが渦鞭毛藻の特異なポリケチド生合成経路

1)

Fukuzawa, S.; Hayashi, Y.; Uemura, D.; Nagatsu, A.;
Yamada, K.; Ijuin, Y. Heterocycl. Commun. 1995, 1,

により、生合成されていることを示唆している。

207-214.
2)

Kuramoto, M.; Hayashi, K.; Fujitani, Y.; Yamaguchi,
K.; Tsuji, T.; Yamada, K.; Ijuin, Y.; Uemura, D.
Tetrahedron Lett. 1997, 38, 5683-5686.

3)

Kuramoto, M.; Hayashi, K.; Yamaguchi, K.; Yada, M.;
Tsuji, T.; Uemura, D. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1998,)LJXUHɻStructure and origin of carbons ofAmphidinolide T1.

71, 771-779.
4)―­36 ―

Yamaguchi, K.; Yada, M.; Tsuji, T.; Kuramoto, M.;

Uemura, D. Biol. Pharm. Bull. 1999, 22, 920-924.
5)

8)

6)

9)

Van Wagoner, R. M.; Satake, M.; Wright, J. L. C.
Nat. Prod. Rep. 2014, 31, 1101-1137.

Nakamura, H.; Kamase, Y.; Maruyama, K.; Murai, A.
Bull. Chem. Soc. Jpn. 1998, 71, 781-787.

7)

Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4092-4096.

Miyashita, M.; Sasaki, M.; Hattori, I.; Sakai, M.;
Tanino, K. Science 2004, 305, 495-499.

Ohtani, I.; Kusumi, T.; Kashman, Y.; Kakisawa, H. J.

10) Kobayashi, J.; Kubota, T.; Endo, T.; Tsuda, M. J.

Matsumori, N.; Kaneno, D.; Murata, M.; Nakamura,H.; Tachibana, K. J. Org. Chem. 1999, 64, 866-876.

―­37 ―

Org. Chem. 2001, 66, 134-142.

申請者

東北大学

菊地

晴久

植物資源の多様性拡大抽出物を活用した新規天然化合物
類縁体ライブラリーの構築
東北大学

大学院薬学研究科

菊地
１．はじめに晴久

られた化合物群は、天然由来化合物と同等あるいはそれ

天然物化学は、新規な分子骨格と薬理活性を有する天然由来化合物を生命科学の様々な分野に提供するという以上の構造多様性を示すことから、創薬における有用な化合物ライブラリーとして近年注目されている。

重要な役割を担っている。創薬においても、これまでに我々は、従来から行われてきた天然由来化合物の探数多くの天然由来化合物が医薬品そのものとして、ある索研究に多様性指向型合成の考え方を組み合わせた新

いはそのシード化合物として利用されてきた。このようたな手法である「多様性拡大抽出物(diversity-enhanced

な天然由来化合物の有用性をもたらしている要因はいく

extract)」を開発してきた(図１)。3-5 本手法では、天然

つか挙げられるが、最も大きい要因はその高度な構造多資源の抽出物に対して直接、化合物の分子骨格を変化様性であると考えられている。1 しかし、天然由来化合させるような反応を行うことで、それに含まれる化合物物の探索は膨大な種類の生物資源を材料として古くからの構造多様性が一層高められた多様性拡大抽出物が得ら旺盛におこなわれているため、新規骨格を含む化合物のれる。これをカラムクロマトグラフィ等で各化合物を単発見が困難になっているのが現状であり、創薬における離・精製することで、構造多様性の高い天然化合物類縁役割も相対的に低下している。したがって、今後も天然体ライブラリーを取得するという手法である。

物化学が創薬に貢献していくためには、多様な構造を有本手法は新規骨格を有する化合物群を得る手段としてした天然化合物あるいは天然化合物類縁体を提供してい有用であるが、実際に創薬等に役立つような化合物ライくための新たな手法を開発する必要がある。

ブラリーとするためには、単に分子骨格が新しいという一方、多様性指向型合成(diversity-oriented synthesis)

だけでは不十分である。そこで、本研究では、これまでは、共通の中間体に対してその分子骨格を変化させる反に知られている薬理活性天然化合物や医薬品の構造を参応をおこなうことで、構造多様性の高い化合物群を取得

考にして薬理活性指向型化合物ライブラリーの構築を行2するための戦略である。 多様性指向型合成によって得うことを目的とした。

ਦ̏ɻ多様性拡大抽出物のコンセプト―­38 ―

ਦ̐ɻメロテルペノイドに見られる特徴的な構造

２．メロテルペノイド型化合物ライブラリー

原料となる天然資源としてガジュツCurcuma zedoaria

メロテルペノイドは、テルペノイドとそれ以外の生合やハマスゲCyperus rotundus(生薬名コウブシ)、オケラ

成経路由来の構造を併せ持つハイブリッド型天然化合物

Atractylodes japonica(生薬名ビャクジュツ)を用いた。

であり、強力な薬理活性を示す化合物も数多く知られこれらの植物はいずれもケトン構造をもったセスキテ

6ている。 その大部分はテルペノイドとポリケチドとがルペン類を多く含んでいるため、まずその抽出物に対融合した構造をもっているが、そのなかでも、例えばしてDIBALを作用させて、含まれる化合物中のケトン

siccaninやpyripyropene Aのように、立体的な広がりをを第二級アルコールへと還元した。つづいて、光延反応もったテルペノイド部分と平面性の高いポリケチド部分

によってo-ヨードフェノール誘導体Aとエーテル結合さ(ベンゼン環・ピロン環など)とが環状エーテル構造を介せ、さらにパラジウム触媒存在下、溝呂木-Heck反応をして結合している化合物が多く存在する。したがって、おこない、環状エーテル構造を形成させることで多様性

多様性拡大抽出物を利用して、天然に存在するテルペノ

拡大抽出物とした。これを分離することで、非天然型骨イド型化合物にフェノール類またはヒドロキシピロン類

格を有するフェノール型メロテルペノイド類縁体1-7をを結合・環化させれば、非天然型のメロテルペノイド類得た。また、o-ヨードフェノール誘導体Aの代わりにヒ縁体を得ることができると考えた(図２)。

ドロキシヨードピロン誘導体Bを用いることで、ピロンਦ̑ɻ多様性拡大抽出物より得られたメロテルペノイド型化合物群―­39 ―

ਦ̒ɻ新規骨格を有するインドールアルカロイド型化合物を取得するための戦略を含む多様性拡大抽出物を得た。これを分離した結果、型メロテルペノイド類縁体8-11を得た(図３)。

モノテルペンインドールアルカロイド類縁体としてサン
３．モノテルペンインドールアルカロイド型化合物ライブラリー

シュユから12-15を、クチナシから16-22をそれぞれ得た(図５)。8 また、イリドイド配糖体を含む植物センブ

モノテルペンインドールアルカロイドは、天然由来

リ(Swertia japonica)の抽出物についても同様に処理す化合物の中でも特に多様な薬理活性を有する化合物群

ることで化合物23を得た。これらの化合物のうち、化であり、医薬品あるいはそのリード化合物として利用

合物11および15-17は天然に存在するモノテルペンイン

されている化合物も数多く知られている。7 天然に存在

ドールアルカロイドには見られない非天然型五環性骨格

するほぼ全てのモノテルペンインドールアルカロイド

を、化合物18はより複雑な非天然型六環性骨格を有しは、tryptamineとセコイリドイド配糖体secologaninとていた。
得られたモノテルペンインドールアルカロイド型化合のPictet-Spengler型反応によって生じるstrictosidineを
7

経由して生合成される。 ここでもし、secologaninでは物ライブラリーの応用として、近年新たながん治療法となく他のモノテルペノイドをtryptamineと縮合させるこして注目されている免疫チェックポイント阻害作用9 にとが出来れば、非天然型の骨格を有したモノテルペンイ

関するスクリーニングをおこなった。その結果、化合物

ンドールアルカロイドを得ることができる。そのような12が免疫チェックポイント分子CTLA-4の遺伝子発現と試みを、多様性拡大抽出物を用いておこなうことにした

それに関連する免疫制御性サイトカインIL-10の産生に(図４)。

対して有意に阻害作用を示し、低分子による免疫チェッ原料となる天然資源として、イリドイド配糖体を多クポイント阻害剤のリード化合物になりうることが明らく含む植物(サンシュユ(Cornus officinalis)、クチナシ

かとなった。このことは、多様性拡大抽出物に基づく天(Gardenia jasminoides))を用いた。これらの抽出物は然化合物類縁体ライブラリーが、創薬研究にも応用可能

大量の糖を含むため、まず活性炭を用いたカラムクロマであることを示す結果である。

トグラフィによって糖を除いた後、β-グルコシダーゼを作用させて抽出物中に含まれるイリドイド配糖体を脱以上のように、多様性拡大抽出物を用いることで、薬グルコシド化した。さらにルイス酸触媒下tryptamineを用植物などの容易に入手可能な天然資源から、新規骨格作用させることでPictet-Spengler型に縮合した化合物群を有する多くの天然化合物類縁体を得ることができた。

―­40 ―

ਦ̓ɻ多様性拡大抽出物より得られたモノテルペンインドールアルカロイド型化合物群

Schreiber, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 46-58.

今後さらに、創薬研究に十分利用できる構造多様性の高

3. H. Kikuchi, K. Sakurai and Y. Oshima, Org. Lett.

い化合物ライブラリーの構築を進めていきたい。

2014, 16, 1916-1919.
謝辞

4. H. Kikuchi and Y. Oshima, 有機合成化学協会誌
2017, 75, 349-359.

本研究は東北大学大学院薬学研究科医薬資源化学分野
でおこなわれたものであり、多くのご助言をいただいた

5. H. Kikuchi and Y. Oshima, Heterocycles 2018, inpress (DOI: 10.3987/REV-18-885).

大島吉輝教授(現・名誉教授)、ならびに昼夜を問わず実験を進めてくれた多くの学生諸氏に心より御礼申し上げ

6. R. Geria and J. S. Thomas, Nat. Prod. Rep. 2009, 26,1063-1094.

ます。また、本研究は松籟科学技術振興財団の支援を受けておこなわれたものであり、ここに厚く御礼申し上げ

7. S. E. O’Connor and J. Maresh, J. Nat. Prod. Rep.
2006, 23, 532-547.

ます。

8. H. Kikuchi, K. Ichinohe, S. Kida, S. Murase, O.
参考文献

Yamada and Y. Oshima, Org. Lett. 2016, 18, 5948-

1. M. Feher and J. M. Schmidt, J. Chem. Inf. Comput.

5951.
9. (a) D. M. Pardoll, Nat. Rev. Cancer 2012, 12, 252-264.

Sci. 2003, 43, 218-227.
2. (a) S. L. Schreiber, Science 2000, 287, 1964-1969.

(b) P. Sharma and J. P. Allison, Science 2015, 348,(b) M. D. Burke, E. M. Berger and S. L. Schreiber,

56-61. (c) J. L. Adams, J. Smothers, R. Srinivasan andScience 2003, 302, 613-618. (c) M. D. Burke and S. L.

A. Hoos, Nat. Rev. Drug. Discov. 2015, 14, 603-622.

―­41 ―

申請者

東京大学

岡田

憲典

適応代謝産物モミラクトン生産植物におけるアレロパシー耐性機構の解明とその利用
東京大学

生物生産工学研究センター岡田
１．はじめに憲典

子群がクラスターを形成する場合がある。筆者らは、イジテルペン型ファイトアレキシンであるモミラクトン

ネのモミラクトン生合成遺伝子探索の過程で、ジテルペ

は、イネが生産する二次代謝産物(ここでは適応代謝産

ン型ファイトアレキシンであるモミラクトンの生合成遺物と称する)であり、病原菌感染時の防御物質として、伝子クラスターの存在を、その酵素活性と共に証明した

また、近傍の植物の生育を妨げるアレロパシー物質とし2)て機能する。イネ以外のモミラクトン生産植物としてクラスターが10例以上報告されている 3, 4)。また、多く

は、最近、水田雑草のイヌビエが、いもち病菌の感染にのクラスター内の遺伝子群は、ある特定の組織での同調

よって誘導的にモミラクトンを生産することが明らかに的な発現を示すことが報告されているものの、その転写なった 1)。また、アジアに広く生育している蘚類ハイゴ

制御機構は明らかにされていない。一方、筆者らは、イケは、下等植物では唯一のモミラクトン生産植物として

ネの病害抵抗性発現時にファイトアレキシンの生産が誘報告されている。これらの植物は生物的・非生物的スト導を受けることから、病害応答性の転写因子に着目し、レスに応答しモミラクトンを生産誘導することから、そファイトアレキシンの生産制御に関与するbZIP型転写の生産制御機構の解明は、耐病性向上や雑草耐性向上の因子としてOsTGAP1を見出した 5, 6)。これにより、イ

観点からイネの有用形質の増強につながる戦略のひとつ

ネのモミラクトン生合成遺伝子クラスターの同調的な転として着目されている。筆者らはこれまでに、イネとハ

写制御の解明の糸口が開かれ、高等植物の遺伝子クラス

イゴケにおいてストレス応答的に生産されるモミラクト

ターを転写制御の観点から解析した数少ない研究のひと

ンの生合成経路と制御機構に関する研究を進めてきた。

つとなった。筆者らによるこれまでの研究によって、主。現在までに高等植物における適応代謝産物の遺伝子

モミラクトンなどの植物の適応代謝産物の中には、高にイネの根で働くOsTGAP1のゲノム上の結合領域を特等生物では希有であるが、ゲノム上において生合成遺伝

定し、ファイトアレキシン生合成の上流経路であるメチ
ルエリスリトールリン酸経路の初発酵素遺伝子OsDXS3の制御がOsTGAP1の機能の一つであることを明らかにしている 6, 7)。また、さらに多くのファイトアレキシン

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生産制御に関与する転写因子も見出しており、ファイト
アレキシン生合成遺伝子クラスターの転写制御解析において、世界をリードしつつ研究を展開している 8, 9)。
イネにおいてモミラクトンは病原菌感染などで誘導されるが、アレロパシー物質としては根において恒常的に生産・分泌され、実際に水田雑草の成育に影響を与える 10)。
一方、蘚類ハイゴケにおいても、アレロパシー物質としてモミラクトンが恒常的に生産されることが報告されていたが、その生合成経路についての情報はなかった。筆―­42 ―

者らはハイゴケのモミラクトン生産が塩化銅処理によりがすべてモミラクトン生産に必要な機能を保持している

誘導を受けることから、誘導条件下での RNA シーケン

ならば、ゲノム上に集まり機能的なクラスターを形成しスを行い、モミラクトン生合成に関わるピマラジエン合ていることになり、下等植物のコケにおいてはじめての成酵素遺伝子 HpDTC1 とモミラクトン合成酵素遺伝子

二次代謝産物生合成遺伝子クラスターの存在を示すこと

HpMAS を同定した。さらに、これら 2 つの遺伝子の発になる。現在、論文報告に向けて機能解析を急いでいる。

現は、灰色カビ病菌 Botrytis cinerea の感染によっても誘導を受けることから、モミラクトンはハイゴケの病害抵抗性にも関与することを示した

11)

２.２

野生イネのモミラクトン生産能とクラスター保持の進化的保存性。

このような背景のもと本研究では、進化的にかけ離れモミラクトン生合成遺伝子クラスター出現の起源を調たハイゴケとイネが、いつ、どうやってモミラクトン合

べるために、進化的な距離を保つ複数の野生イネを用い成能を獲得してきたのかと言う疑問を明らかにするこて、野生イネにおけるモミラクトン生合成遺伝子クラスと、また、このようなモミラクトン生産植物自身が、どターの存在とモミラクトンのストレス誘導的な生産につのように生物活性の高いモミラクトンに対する耐性能をいての関係を検討した。その結果、AAゲノムの野生イ発揮しているのかについて明らかにすることを目指した。

ネであるOryza rufipogon, BBゲノムのO. punctataまで
はモミラクトン生産能とクラスターの保持が確認され２．結果と考察たことから、Oryza属ではBBゲノムに分岐する祖先種

２.１で、すでにモミラクトン生合成遺伝子クラスターが構成

ハイゴケのゲノムシーケンス

クラスター起源について、イネとはかけ離れたモミラされていたものと考えられた。

クトン生産植物であるハイゴケのゲノム情報を得るた

このように、モミラクトン生合成遺伝子のクラスター

め、次世代シーケンスを駆使したゲノム配列情報の取得化については、Oryza属における進化的な起源が明らかを浙江大学との国際共同研究として進めた。その結果、になりつつあり、また、ハイゴケの例から、モミラクト

モミラクトン生合成遺伝子の2種の他に、シトクロムンの生合成経路は必ずしも水平伝播による遺伝子クラス

P450酸化酵素遺伝子を含む遺伝子クラスターの存在がターの取り込みが起こったわけではなく、収斂進化に明らかになってきた。シトクロムP450酸化酵素遺伝子

よって、モミラクトンの生産能を遺伝子のクラスター化

は、アミノ酸配列の比較から、イネの酵素とは異なるクと共に獲得したものと思われる。

ラスに属す遺伝子であり、その酵素反応について、現在
機能解析を進めているところである。これらの遺伝子群ύ΢βί,͘ƉůƵŵ ĂĞĨŽƌŵ Ğ΢ϊϑΦ͘ĐƌƵƐͲŐĂůůŝ

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प৚୮घॊ‫؛‬―­44 ―

２.３

酵母におけるモミラクトンの抗菌活性

ン感受性がより高い傾向を示した。また、生残性試験のモミラクトン生合成遺伝子クラスターの起源について結果から、このようなモミラクトン効果は酵母に対しては、これまでの研究で多くの情報が得られたが、モミラ致死的には作用しておらず、一時的に生育を抑制していクトンの作用メカニズムや耐性機構については依然としることが明らかとなった。

て不明の点が多い。そこで、本研究では、酵母を用いた実験系を利用し、モミラクトンの生物活性と耐性機構に

２.４

モミラクトン処理による分裂酵母の形態および核相の変化影響を与える遺伝子情報の取得を試みた。まず、モデル
実験酵母として出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeと分

モミラクトンの生物活性について、動物細胞を用いた

裂酵母Shizosaccharomyces pombeに対するモミラクトン

研究から細胞増殖や細胞周期に影響を与えることが報告の抗菌効果について調べてみた。その結果、どちらの酵されていた。すなわち、モミラクトンＢ処理後にＧ１ア

母に対しても，モミラクトンは抗菌効果を示しIC50値

レストやアポトーシスが引き起こされることが示されては1.5〜13µMとなったが、分裂酵母におけるモミラクト

いた 12)。そこで、モミラクトンＢに対してより感受性の高いS. pombeに着目し、顕微鏡下での形態変化および細胞周期の状況を調べた。ヒストンH3であるHht1と&RQWURO 0 0%%のRFP融合タンパク質または核内局在が知られているアクチン関連タンパク質Arp8とのGFP融合タンパク質を&DOFRIOXRU$

発現させた株にモミラクトンＢ処理を行い、核と細胞の状態を蛍光顕微鏡観察したところ、核の分離は正常に進んでいるが、細胞分裂が進まず細胞がつながったマルチセプタムを持つ細胞が見られた。また、セルソーターに&RQWURO ȝ0 0%よる核相の変化を調べてみると、モミラクトンＢ未処理

0RUSKRORJ\の細胞では2nが多いのに対し、処理によって多核化して4n~8nの核相を示すことがわかった。これらの結果から、モミラクトンＢ処理によって、分裂酵母ではDNAの複製と分離が進み、細胞壁が構築されるが、細胞周期の後半において細胞分離が正常に進んでいないものと思

P5)3+KW

われる。
２.５

モミラクトン耐性酵母のスクリーニング

このような分裂酵母におけるモミラクトンB感受性を回避して耐性を示す酵母のスクリーニングから、その原因遺伝子を取得して、モミラクトンB作用解明の足がかりを得ることを試みた。スクリーニングでは、分裂酵母

DĂƌŐĞの遺伝子約5000種が個別に過剰発現した分裂酵母ライブ
ラリーを用い、得られた耐性株が保持する過剰発現遺伝
子を特定した。その際、ホストの分裂酵母には、薬剤耐性に関わるABCトランスポーターのPmd1とBfr1を欠損した株を用いて、より低濃度のモミラクトンBでのスクਦ̓ɻ0RPLODFWRQH૪৶ৎभীຝᇪಟभ஄ଙ૗৲
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リーニングが可能な系を用いた。その結果、679個を耐性株として取得し、過剰発現遺伝子を同定したところ、その内の約400個は欠損したトランスポーターpmd1自―­45 ―

ਦ̔ɻ0RPLODFWRQH૪৶ৎभীຝᇪಟपउऐॊறৼ૗৲
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身であった。また、カフェインの排出能をもつトランス

資源科学部の川向誠先生、松尾安浩先生にお世話になり

ポーター遺伝子として報告されているcaf5が、次に多いました。この場をかりて感謝申し上げます。

遺伝子として約200個得られた。さらに、AP-1タイプの転写因子遺伝子としてPap1が約30個得られた。Pap1は５．引用文献caf5の転写を誘導する転写因子のCaf3として同定されて

1) Guo L, Qiu J, Ye C, Jin G, Mao L, Zhang H, Yang

いたことから、Pap1過剰発現によるトランスポーター

X, Peng Q, Wang Y, Jia L, Lin Z, Li G, Fu F, Liu C,

Caf5の誘導によって、モミラクトンB耐性が付与されたChen L, Shen E, Wang W, Wu S, Xia C, Zhang Y,のではないかと考えられる。その他、いくつかの因子がZhou X, Wang L, Wu L, Song W, Wang Y, Shu Q,

一次選抜で得られたが、最終的な再現性試験において、Aoki D, Yumoto E, Yokota T, Miyamoto M, Okada K,

ベクターコントロール株と同様の感受性となり、本スクKim DC, Cai D, Zhang C, Lou Y, Qian Q, Yamaguchi

リーニングにおいては、全てトランスポーターそのもの

H, Yamane H, Kong CH,

か、その発現に関わる制御因子が分裂酵母にモミラクト

L "Barnyardgrass (Echinochloa crus-galli) genome

ンB耐性を付与することが明らかになった。

analysis provides insight into its adaptation andTimko MP, Bai L, Faninvasiveness as a weed." Nature Communications.
３．まとめと展望8(1):1031 (2017)

今回の酵母を用いたスクリーニングでは、モミラクト

2) Shimura K, Okada A, Okada K, Jikumaru Y, Ko

ンの作用機作を解き明かすために必要な、直接的なター

KW, Toyomasu T, Sassa T, Hasegawa M, Kodama

ゲット分子の同定には至らなかった。一方で、分裂酵

O, Shibuya N, Koga J, Nojiri H, Yamane, H.

母の保持するABCトランスポーターが、ジテルペノイ“Identification of a biosynthetic gene cluster in riceドであるモミラクトンBを輸送できることが明らかにな

for momilactones" Journal of Biological Chemistry,

り、同様なトランスポーターの植物オルソログを探索す

282, 34013-34018 (2007)

ることで、モミラクトン生産植物におけるアレロパシー

3) Osbourn A. “Gene clusters for secondary metabolic

耐性機構の解明につながる糸口が見つかるかも知れな

pathways: an emerging theme in plant biology.”い。今後は、モミラクトン耐性を示すコムギなどのモミ

Plant Physiol. 154 (2):531-5. (2010)

ラクトン生産植物以外の植物を対象とした、モミラクト

4) Kliebenstein DJ, Osbourn A. “Making new molecules

ン処理時の転写変動を調べるなどして、どのようにアレ- evolution of pathways for novel metabolites in

ロパシー物質であるモミラクトンBの効果を回避していplants.” Curr Opin Plant Biol. Aug;15(4):415-23.

るのかを明らかにしたい。また、分裂酵母を用いた実験(2012)

系においては、変異剤処理によっても、モミラクトン耐

5) Okada A, Okada K, Miyamoto K, Koga J, Shibuya性株が取得されており、現在、その変異箇所の特定を急

N, Nojiri H, Yamane H. "OsTGAP1, a bZIP

いでいる。これらのモミラクトン耐性酵母の解析から、

transcription factor, coordinately regulates the

トランスポーターではない新たなモミラクトンBのター

inductive production of diterpenoid phytoalexins in

ゲット分子が見つかることが期待される。

rice." J Biol Chem. Sep 25;284(39):26510-8. (2009)6) Miyamoto K, Matsumoto T, Okada A, Komiyama

４．謝辞

K, Chujo T, Yoshikawa H, Nojiri H, Yamane

本研究を進めるにあたり分裂酵母の過剰発現ライブラ

H, Okada K "Identification of target genes

リーを分与頂き、研究をサポートして頂きました、東京of the bZIP transcription factor OsTGAP1,

大学 農学生命科学研究科の吉田稔先生、理化学研究所

whose overexpression causes elicitor-induced

環境資源科学研究センター ケミカルゲノミクス研究グ

hyperaccumulation of diterpenoid phytoalexins in

ループの八代田陽子先生ならびに松本健先生に感謝申しrice cells" (2014) PLOS ONE Aug 26;9(8):e105823

上げます。分裂酵母の変異体解析では、島根大学 生物

7) Yoshida Y, Miyamoto K, Yamane H, Nishizawa Y,―­47 ―

Minami E, Nojiri H, Okada K (2017) “OsTGAP1 isrice phytoalexins: characterization of a knockdown

responsible for JA-inducible diterpenoid phytoalexin

mutant of OsCPS4 phytoalexin biosynthetic gene inbiosynthesis in rice roots with biological impacts on

rice." (2013) Physiol Plant. 150: 55-62

allelopathic interaction.” Physiol Plant. Aug 30. doi:11)Okada K, Kawaide H, Miyamoto K, Miyazaki S,
Kainuma R, Kimura H, Fujiwara K, Natsume

10.1111/ppl.12638.
8) Miyamoto K, Shimizu T, Okada K. "Transcriptional

M, Nojiri H, Nakajima M, Yamane H, Hatano Y,

regulation of the biosynthesis of phytoalexin: a

Nozaki H, Hayashi K. HpDTC1, a Stress-Inducible

lesson from specialized metabolites in rice" (2014)

Bifunctional Diterpene Cyclase Involved in

Plant Biotechnology 31,377-388 (2014)

Momilactone Biosynthesis, Functions in Chemical
Defence in the Moss Hypnum plumaeforme. Sci

9) Schmelz EA, Huffaker A, Sims JW, Christensen SA,

Rep. 2016 May 3;6:25316.

Lu X, Okada K, Peters RJ."Biosynthesis, elicitation
and roles of monocot terpenoid phytoalexins." (2014)12)Park C, Jeong NY, Kim GY, Han MH, Chung
IM, Kim WJ, Yoo YH, Choi YH. “Momilactone B

Plant J 79(4):659-678
10)Toyomasu T, Usui M, Sugawara C, Otomo K, Hirose

induces apoptosis and G1 arrest of the cell cycle

Y, Miyao A, Hirochika H, Okada K, Shimizu T,

in human monocytic leukemia U937 cells throughKoga J, Hasegawa M, Chuba M, Kawana Y, Kuroda

downregulation of pRB phosphorylation and

M, Minami E, Mitsuhashi W, Yamane H.: "Reverse-

induction of the cyclin-dependent kinase inhibitor

genetic approach to verify physiological roles of

p21Waf1/Cip1.” Oncol Rep. Apr;31(4):1653-60. (2014)―­48 ―

申請者

東北大学

木口

賢紀

蛍石型強誘電体薄膜の創製とドメインエンジニアリング
東北大学

金属材料研究所

木口

１．研究の背景と目的

賢紀

ことも可能となる。ZrO2やHfO2は既にHigh-kゲート絶ZrO2、HfO2及び関連材料は、常圧下で高温側から立縁膜材料として超薄膜の形態で既にSiデバイスで実用化

方相-正方相-単斜相と逐次相転移を起こす常誘電体であされているので、デバイス開発にとっても既存のシリコる。近年、強誘電性を発現するHfO2基超薄膜材料が発ンプロセスとの親和性が高く応用の観点からも優位性を見され、非鉛かつ非ペロブスカイト型構造の新奇強誘電持つ材料であると言える。

(1-4)

。この材料はc軸方向の

当該研究分野では、世界的に見ると半導体ゲート絶縁

空間対称性が破れた斜方相HfO2(空間群Pca21)を持つ。

膜の分野を中心に主に多結晶無配向膜の電気特性評価の

このHfO 2ベースの強誘電性超薄膜は、膜厚が薄くなっ研究が主流であり、材料化学的な観点からの取り組みはてもサイズ効果を示さない画期的な材料である。この事極めて少ない。これらの研究に対し、我々は最先端の収実は、電気双極子である自発分極の長距離相互作用がこ

差補正電子顕微鏡を活用し、HfO2-ZrO2固溶体薄膜のエの材料の極性発現の直接的な起源ではないことを示してピタキシャル成長と回折実験では評価が困難なドメイン

おり、ペロブスカイト型強誘電体とは異なる間接型強誘構造、2相共存組織などの微細組織の局所構造解析を切電体であることを示唆している。よって、斜方晶相の結り口にして研究を進め、自己弾性場を利用したイオンビー晶構造の対称性が破れるような原子変位、弾性場によっ

ムスパッタリング法によるHfO2-ZrO2固溶体薄膜の成膜て相安定性を制御できうることを示している。ここに、を試み、固相エピタキシーにより斜方晶相がエピタキ

本材料の面白さと革新的特徴がある。しかし、未だ斜方

シャル成長可能なこと、斜方晶相のドメイン構造、結晶相の単相化や詳細な結晶構造等に関する知見は理解が進

相制御、結晶性の向上、微細組織について検討した(5,6)。

体材料として注目されている

んでいないため、斜方相の相・結晶構造の安定性の基礎
２．実験方法学理の究明が求められている。
一方、強誘電体・圧電体には、今世紀の大きな課題で

ZrxHf1-xO2(x=0.3-0.7)薄膜は以下の手順で成膜した。

ある電力消費や環境問題解決に向けて、振動発電に代表

ZrxHf1-xO2(x=0.3-0.7)組成となるようにZrO2及びHfO2粉されるエネルギーハーベスティングや圧電体超薄膜と圧末原料を混合し、ディスク状に成形した後1200℃で焼抵抗半導体を利用した低消費電力圧電トランジスタなど

成してスパッタリング用ターゲットを作製した。YSZ

大きな役割が期待される。しかし、実用化されている

基板、SiO2ガラス基板上にイオンビームスパッタリング

ペロブスカイト型強誘電体は、低い絶縁性やサイズ効果法でZrxHf1-xO2(x=0.3-0.7)薄膜を室温下で堆積した。赤による極性の消失など超薄膜化には大きな困難を伴う。

外線ランプアニール炉中、酸素フロー条件で700-1000℃

本研究で対象とするHfO2-ZrO2固溶体薄膜ではこれらのでポストアニールを行い、熱応力や格子ミスマッチと問題を解決可能であることから、上記のデバイスに加えいった自己弾性場の下でZrxHf1-xO2(x=0.3-0.7)超薄膜をて、二次元ナノレイヤ強誘電体の創製によってこれまで結晶化した。高分解能X線回折(XRD)法により相同定実現困難とされてきた不揮発性と超低消費電力での高速と構造解析を行った。収差補正電子顕微鏡によるhigh-

動作性を兼ね備え、高密度化が可能な強誘電体トンネル

angle annular dark field-scanning transmission electron(Ferroelectric Tunnel Junction; FTJ)メモリを実現する

microscopy(HAADF-STEM)法を併用し、超薄膜の原―­49 ―

子分解能観察を行った。斜方晶相及び単斜晶相の方位や３．結果と考察(5,6)

相同定はマルチスライス法によるHAADF-STEM像シ

Fig. 1にSiO2ガラス基板上に成膜・結晶化したHZO薄ミュレーションにより行った。薄膜の組成は、Energy

膜のXRDプロファイルとシミュレーションによる単斜

Dispersive X-ray Spectroscopy(STEM-EDS)法で行っ晶相、斜方晶相、正方晶相、立方晶相のプロファイル

た。

を示す。SiO 2ガラス基板上では単斜晶相111, 11-1ピー
クに加え斜方晶相の111ピークのみが確認されたことか
ら、111の一軸配向膜であると考えられる。ガラス基板)LJXUHɻXRD 2θ/ω proﬁle of an Hf0.5Zr0.5O2 thin ﬁlm deposited on SiO2 glass substrates followed by annealing
at 1073 K, (b) enlarged proﬁles of (a) around 30 deg, and (c) simulated powder diﬀraction patterns.

)LJXUHɻ(a) XRD 2θ/ω proﬁle of an Hf0.5Zr0.5O2 thin ﬁlm deposited on YSZ (100) substrates followed by annealed
at 1073 K, (b) enlarged proﬁles of (a) around 35 deg, and (c) simulated powder diﬀraction patterns.

―­50 ―

上への結晶成長であることから、薄膜基板間の格子マッ

次に、YSZ単結晶基板上に成膜・結晶化したHZO

チングの影響は小さく、蛍石型構造の最稠密面である

薄膜のXRDプロファイルとシミュレーションによる(111)面が優先的に成長したと理解できる。ZrO2を同様単斜晶相、斜方晶相、正方晶相、立方晶相のプロファの膜厚まで成膜を行うとほぼ単斜晶相が形成されること

イルをFig. 2に示す。YSZ基板002, 004ピークの低角側から、このHZO薄膜において不完全ながら斜方晶相がのテールに重なる形で薄膜のブロードなピークが見ら得られたことは、Zr中へのHfの固溶の効果が考えられれる。このピーク位置に相当するピークとしては、シる。ただし、バルク結晶ではHfO2はZrO2の安定化剤にミュレーションパターンの2θ=34-35degに存在する単なり得ないことから、いわゆる安定化剤とは異なり、薄斜晶相002/020、斜方晶相200、正方晶002の可能性が挙膜化の際に現れる弱い効果であろうと推測される。既往げられるが、XRDパターンのみではこれ以上の判別はの研究では、SiO2やAl2O3等安定化剤ではない元素の固困難である。そこで、Fig. 3に薄膜断面構造を観察した

溶でも斜方晶相が報告されており、HfO2も同様の役割

HAADF-STEM像と制限視野電子回折図形を示す。制を果たしているものと考えられる。

限視野電子回折図形からYSZ基板に帰属されるスポッ)LJXUHɻ(a) HAADF-STEM image of Hf0.5Zr0.5O2 thin ﬁlm and (b) selected area electron diﬀraction pattern.

)LJXUHɻ(a) STEM-EDS mapping, using the net intensity of Y-K, Zr-K, and Hf-L characteristic X-rays,
with a HAADF-STEM image obtained simultaneously, and (b) the line proﬁles of Y-K, Zr-K,
and Hf-L elemental maps, which were integrated along the in-plane direction.

―­51 ―

トに加え、複数相のスポットが観察され、基板に対しる。斜方晶相のドメイン境界は(110)、(100), (001)等て特定の方位関係を示しCube-on-cubeライクなエピタの特定の結晶面に平行に入り、境界は原子レベルで急キシャル成長している。HAADF-STEM像は10nm程峻であることから、軸比に伴うドメイン境界の歪みは小度の不均一なコントラストを示している。HAADF-

さい。斜方晶相の長軸であるa軸が約8°傾斜して単斜晶

STEM像は、一般に原子番号コントラストを強く反映相の長軸であるc軸に変化することから、単斜晶相の核するが、粒界、ドメイン構造、配向の乱れに起因した生成・成長には巨大な応力が発生する。その結果、単斜回折コントラストも無視できない。そこで、Fig. 4に晶相のみならず、周囲の斜方晶相も大きく変形し、結晶薄膜断面のSTEM-EDS観察結果を示す。HfとZrの元素面の回転が起きている。ゆえに、エピタキシャル薄膜のマップからいずれの元素も均一に分布していることか

結晶完全性の低下をもたらしたと考えられる。したがっら、Fig. 3のHAADF-STEM像のコントラストは回折て、単斜晶相の抑制により単相化や配向の完全性の向コントラストに起因すると判断できる。また、組成は上、直方晶相のドメインの配向制御、つまり、ドメイン

Hf:Zr=47:53(at%)であり、スタンダードレスEDS定量分エンジニアリングのためにも重要となる。

析では、ターゲット仕込み組成に50:50とよい一致を示

本研究から、斜方晶相の相安定化には基板界面の格子しており、ほぼ1:1組成のHZO薄膜が成長していること

整合や熱応力による基板の拘束が必要であること、またを示している。

異種元素の固溶の効果が関係すると考えられる。既存のここで、この回折コントラストの起源について考研究や本研究では斜方晶相単相の薄膜は得られていなえる。Fig. 5は、HZO薄膜の(a)原子分解能HAADF-

い。斜方晶相は、正方晶相から単斜晶相へのマルテンサ

STEM像と各ドメインに拡大像と対応した(b)拡大像

イト変態の中間状態であることから、斜方晶相から単斜とDiffractogramを示す。薄膜はPca21の斜方晶相と晶相への応力誘起変態を抑制するようなドーパント、いP2 1/cの単斜晶相の2相共存組織を形成し、いずれの相わゆるバルクのZrO 2の安定化剤が相変態制御に有効でも数nm-10 nm程度のドメインに分かれていることがあると推察される。現在、結晶化条件により斜方晶相の分かった。ここで、ドメインの配向を示すため、記号

配向完全性の向上が可能であることを見出しており、条Axy(A：相(M：単斜晶相、O：斜方晶相)、x：面外方件を精査している。これらの条件と安定化剤のドープに向を向く結晶軸、y：面内方向を向く結晶軸)を定義す

よって単斜晶相の生成を完全に抑制できれば、斜方晶相)LJXUHɻ(a) an atomic-resolution HAADF-STEM image of thin ﬁlm with (b) enlarged images of typical region in (a) for orthorhombic, monoclinic, and cubic phases (YSZ) with corresponding diﬀractograms. Here, the notation “Axy” signiﬁes A(orthorhombic or monoclinic) phase with the orientation x-axis and y-axis in the out-of-plane and in-plane directions.

―­52 ―

単相化の実現が可能となる。紙面の関係で省略するが、

５．謝辞

Zr/Hf組成比の異なる斜方晶相エピタキシャル薄膜の作

本研究は、公益財団法人 松籟科学技術振興財団の研製や、XANS・EELSなどの吸収分光法によって局所的究助成を受けて実施しました。同財団に深甚なる謝意をな配位構造、結合状態の特異性に基づいた斜方晶相安定表します。また、東北大学金属材料研究所、今野豊彦

性の議論や添加元素が強誘電相安定化に及ぼす効果に関教授、白石貴久 助教、赤間章裕 氏、指導学生である東する系統的な研究を進めている。

北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻 中村奨梧氏、Sujin Choi氏の協力の下に実施されました。こ

４．結論

こに謝意を表します。

本研究では、固相エピタキシーによるHZO薄膜のエ
ピタキシャル成長を初めて実現し、添加元素と弾性的拘６．参考文献束の二つの効果が斜方晶相形成に不可欠であることを明(1) T. S. Böscke, J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder

らかした。エピタキシャル薄膜においては、既往の研究

and U. Böttger, Appl. Phys. Lett., 99, 102903 (2011).

で重視されていた薄膜表面キャッピング効果は斜方晶相(2) J. Müller, U. Schröder, T. S. Böscke, I. Müller, U.

安定化の本質ではなく、基板による弾性的拘束も同等の

Böttger, L. Wild, J. Sundqvist, M. Lemberger, P.

効果を示す。また、ナノサイズの斜方晶相ドメイン構造

Kücher, T. Mikolajick, and L. Frey, J. Appl. Phys.,を持つと同時に単斜晶相が共存すること、単斜晶の成長

110, 114113 (2011).

が斜方晶相の結晶完全性を低下させることを初めて明ら(3) T. Shimizu, K. Katayama, T. Kiguchi, A. Akama,かにした。添加元素と弾性的拘束の二つの効果を最適化

T.J. Konno and H. Funakubo, Appl. Phys. Lett.,

することによって、斜方晶相の更なる安定性向上が期待

106, 112904 (2015).

でき、本研究はその方向性を示唆する先駆け的な成果で(4) T. Shimizu, K. Katayama, T. Kiguchi, A. Akama,

あると言える。本研究成果を発展させ、非鉛・非ペロブ

T.J. Konno and H. Funakubo, Appl. Phys. Lett.,

スカイト型の強誘電体超薄膜材料創製を実現できれば、

107, 032910 (2015).

サイズ効果や絶縁性の問題が無く、Siプロセスへの適合(5) T. Kiguchi, S. Nakamura, A. Akama, T. Shiraishi,

性を活かして、強誘電・圧電デバイスと半導体デバイス

T.J. Konno, J. Ceram. Soc. Jpn. 124, 689-693 (2016).

と融合させた新奇電子デバイスの創出への展開が期待さ(6) T. Kiguchi, T. Shiraishi1, T. Shimizu2, H. Funakubo2,れる。

and T. J. Konno, Jpn. J. Appl. Phys. (2018) inprinting.

―­53 ―

申請者

東北大学

中西

亮

スピントロニクスを目指した単分子磁石内包
カーボンナノチューブの創製と構造・磁性評価
東北大学

大学院理学研究科

中西
１．はじめに亮

たSMMになり得る点が挙げられる。その他、分子サイ

単分子磁石(Single-Molecule Magnet: SMM)は一分子が一磁石として働く量子磁石であり、磁気メモリ等へズを小さくできる点や、昇華性を持つものもある点も重要なポイントである。

の応用が期待される新奇分子である。1993年に見出さ[1]

SMMは分子性磁石であり、例えばTbPc2は分子メモ

をはリとして機能することも確認されているが [3] 、実際にじめ、これまで様々なSMMが報告されてきた。希土類

個々の分子を孤立した磁石として扱うためにはSMM間金属(Ln)のSMMも数多く報告されており、その先駆けの相互作用の制御が必須であり、またその実用化にはナとなったものは2003年に現大阪大学の石川直人教授らにノスケールの分子をマクロスコピックな我々の世界と繋より見出された、テルビウムイオン(Tb 3+)が二つのフ

げる架け橋が必要である。そのような架け橋の一つにタロシアニンにサンドイッチされた分子であるダブル

カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube : CNT)が挙げれたマンガン(Mn)イオン12個からなる錯体Mn12

[2]

3+

デッカー型Tb-フタロシアニン(TbPc2) である。Tb のられる[4]。CNTは炭素から成るチューブ状物質であり、基底状態 7F 6が上下に配位したフタロシアニンにより配高い電子物性や一次元の内部ナノ空間を有するという特位子場分裂を起こし、生じたJz=±6と±5 間のギャップ

徴を有するため、SMMと組み合わせることで、スピン(ΔE)により二極小ポテンシャルが形成され、ΔEを越トロニクス等の応用的な研究が期待できる。実際、そえない低温時においてスピンが上向き・下向きの２つののような応用研究例として、単層CNT表面にTbPc2の誘状態を最安定としてとることで磁石として働く(図1)。

導体を付着させ、TbPc2上のスピンにより単層CNTの伝

Ln-SMMの大きな特徴として、例えばTbPc2においては導電子を制御することで300%もの巨大磁気抵抗効果を

分子内に一つの金属イオンしか含まないにも関わらず約実現した例や[5]、あるいは多層CNTにMn12を内包する

400 cm-1と比較的大きなΔEを有するなど、非常に優れことでスタッキングを一次元的に制御し、SMM特性のਦ̏ɿэDю7E3Fभଡୗঔॹঝउेलী৕ଡୗ‫؛‬эEю7E3Fभ੸ா৵এॸথ३কঝঔॹঝ‫؛‬7Eभ੦ೲ
૾ଙऋଦਜ਼৕ৃীຝख‫ؚ‬েगञਈ਍৒भౢ૆ਜ਼पउःथ‫ؚ‬೸೹ਮૌங॑૮ଳ૭ચऩৎप঱਱
ऌ‫ৣ؞‬਱ऌ५আথ॑৳੅૭ચपऩॉ‫ؚ‬჌લधखथ௮ऎ‫؛‬эFю౐ী৕჌લभ჌ਞ঄५ॸজ३५‫؛‬୤৕ॺথॿজথॢभ୶஭पेॉ५ॸॵউ૾पऩॊ‫؛‬―­54 ―

２．Dy(acac)3(H2O)2内包多層CNT [7]Dy(acac)3(H2O)2は2010年に報告されたLn-SMMである [8]。1つのDy 3+イオンのみで比較的高い特性を示し、かつ市販されているため入手性も良い。そこで、多層CNTへ内包を行い、複合化を試みた。CNTは平均内径5nmの多層CNTを用い、酸素雰囲気下で加熱することで開端した。これをDy(acac)3(H2O)2の1,2-ジクロロエ
タン溶液中に浸すことで、毛細管現象により内包した。
図3(b)に示す透過型電子顕微鏡(TEM)像より多層CNT
内にDy(acac)3(H2O)2錯体と思われるコントラストを確認でき、またエネルギー分散型X線分析からDyを検出することもできたため、内包に成功したといえる。交流ਦ̐ɿढ़‫ش‬঎থॼঀॳগ‫ش‬ঈ‫ؚ‬उेल৔ෆऔचॊ౐ী৕
჌લभଡୗঔॹঝ‫؛‬

磁化率測定の結果周波数依存性を確認することが出来た
ため(図3(c))、CNT内においてもSMM特性を保持していると思われる。明瞭なピークが確認できなかったため[6]制御に成功した例が報告されている 。しかしながら、詳細な特性は不明であるが、Kramers-Kronigの式より

SMMとCNTの複合的な研究は主としてこの2例のみで頻度因子が10-6 - 10-7 s、活性化障壁が4 - 5 cm-1であるとあり、その発展にはさらなる探求が必要である。そこで見積もることが出来た(図3(d))。バルクの状態と比べ

本研究では、トリス(アセチルアセトナト)ジスプロシウてSMM特性が変化していることから、CNTへの内包にム(Dy)錯体Dy(acac)3(H2O)2や金属窒化物内包フラーレよりDy(acac)3(H2O)2の構造およびスタッキングが変化

ンDySc2N@C80といったLn-SMMに着目し、これらを多したためであると予測され、すなわちSMM特性を制御

層および単層CNTへ内包することで新たな複合体を創することが可能であることを示す一例と言える。

製し、さらなるSMMの制御を試みた。

ਦ̑ɿ'\эDFDFюэ+2ю৔ෆ੗ಽ&17भэD ଡୗঔॹঝ‫ؚ‬эEю7(0൸‫ؚ‬эFю̸ìYVŷউটॵॺ‫ؚ‬उेल
эHю.पउऐॊ̸ì̸ëYVŷউটॵॺ‫؛‬ৰ଍म.UDPHUV.URQLJभૄपेॊইॕॵॸॕথॢ‫؛‬―­55 ―

３．DySc2N@C80内包単層CNT
金属内包フラーレンとはその名の通り、C2n (2n = 60,
70, 72, 74, ...)で表されるフラーレンケージ内部に金属が取り込まれた分子であり、その特異な構造により興味深
い物性を示し、種々の応用が期待されている。金属窒化物内包フラーレンDySc2N@C80はC80(Ih)ケージフラー
レンにDyイオンとスカンジウム(Sc)イオンがNイオンと共に内包されたもので、2012年にSMM特性を示すこ

ਦ̓ɿ'\6F1#&৔ෆ౐ಽ&17भэDю7(0൸उेल
эEю௒ਪ7(0पेॊৈഓ২ങೊพଳ৙൸‫؛‬とが見出された[9]。ここで、フラーレンはCNTと同様にπ共役系が構造全体に広がっており、両者の親和性は非常に高く、高効率でCNT内部に導入されてナノピー
ポッド(＝さやえんどう)とも呼ばれる「フラーレン内包

次に、単層CNTへの内包を試みた。単層CNTはアー

CNT」を容易に形成する 。そこで、DySc2N@C80におクプラズマジェット法[12] で合成された1.4 ± 0.1 nmのいてもCNT内部への導入が可能であると考え、その創狭い直径分布を有するもの(株式会社名城ナノカーボン製を試みた。

製、Meijo-SO)を選択し、塩酸洗浄および高真空下での[10]

DySc2N@C80の合成は一般的な金属内包フラーレンの加熱により金属不純物を十分に除去した後、大気下で合成法であるアーク放電法を用いた。ただし、空フラー

550 ℃で30分程度加熱することで開端して用いた。そレンの抑制など合成の効率化のために窒素源としてNH3の後単層CNTとDySc 2N@C 80を10 -5 Paの高真空下で封ガスを用いる必要があり[11]、専用の装置を構築した(図じ、550 ℃で加熱することでDySc2N@C80を昇華させ単4)。そして陽極側にDyとScを含有した炭素棒を用い、層CNT内部へ導入した。図5(a)に得られたサンプルのNH3およびHeガス雰囲気下、140 Aでアーク放電を行う

TEM像を示す。単層CNTに由来する2本の線の間にフことで目的物を含むススを得た。ここから二硫化炭素等

ラーレン由来の丸いコントラストを確認できる。エネル

でフラーレン類を抽出し、HPLCによりDySc 2N@C80を

ギー分散型X線分析からDyとScも確認でき、DySc2N@単離した。

C 80 の内包に成功したと言える。また、図5(b)に走査
TEMによる高角度散乱暗視野像を示す。この手法では高角側に散乱された電子のみを取得するため原子番号の二乗に比例したコントラストを得ることができる。得られた像においてはDy由来の白いコントラストが単層
CNT内に一列に並んでいる様が確認できたため、すな
わちDySc2N@C80を一次元的に配列させることに成功した。
そこで得られたDySc2N@C80内包単層CNTについて磁化測定を行った。図6に得られた磁化の磁場依存性を示す。SWCNT内包後においても特異なステップ状のヒ
ステリシスを示し、SMM特性を失っていないことが確認できた。さらに、内包前後で比較した際、内包前は
0.5 kOe程度であった保磁力が、内包後においては約4
kOeと大幅に上昇していることが確認できた。これは、単層CNTへ内包されることでDySc 2N@C 80が一次元的に並びSMM間のカップリングが制御された、あるいは
ਦ̒ɿ構築したアーク放電装置。

SWCNTとDySc2N@C80の間に電子移動が生じ、結果と―­56 ―

ਦ̔ɿ౐ಽ&17षभ৔ෆ৐эహюध৏э஧юपउऐॊ'\6F1#&भ჌ਞ঄५ॸজ३५‫؛‬

謝辞

してQTMが抑制されたためであると類推される。

本研究は名古屋大学大学院理学研究科物理化学(篠原４．今後の展望久典教授)研究室との共同研究です。また本研究を遂行

その他、TbPc 2 や希土類塩化物DyCl 3 など、種々のするにあたり、公益財団法人 松籟科学技術振興財団にSMMの内包も試みている。特にTbPc2は一次元的にス

多大なご支援を賜りました。深く感謝申し上げます。

タックした場合に高いSMM特性を示すことも報告されているため、CNT内で同様の効果が期待できる。ま

参考文献

た、CNTの特徴として、その内部ナノ空間内は外界か[1] R. Sessoli, D. Gatteschi, A. Caneschi, M. A. Novak,
Nature 1993, 365, 141-143.

ら隔絶されているため内包した物質はCNTにより保護されるという特徴がある。そこで、「高い特性を有する[2] N. Ishikawa, M. Sugita, T. Ishikawa, S.-y.

も大気中で不安定なSMM」等にも着目し、単層CNTへ

Koshihara, Y. Kaizu, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125,の内包・解析を試みている。さらに展望として、創製し8694-8695.

たSMM内包単層CNTを用いたデバイスの形成について[3] T. Komeda, H. Isshiki, J. Liu, Y.-F. Zhang, N.

も試行中である。まずは図7に示すように孤立したSMM

Lorente, K. Katoh, B. K. Breedlove, M. Yamashita,

内包単層CNTについて、基板上に担持し両端に電極をNat. Commn. 2011, 2, 217.

つけ、磁場下で伝導度を測定することで巨大磁気抵抗効[4] S. Iijima, Nature 1991, 354, 56-58.

果等が見られるか検討する予定である。これにより、ス[5] M. Urdampilleta, S. Klyatskaya, J. P. Cleuziou, M.

ピンバルブ等のスピントロニクスへの応用展開を目指

Ruben, W. Wernsdorfer, Nat. Mater. 2011, 10, 502-

す。

506.
[6] M. del Carmen Giménez-López, F. Moro, A. La
Torre, C. J. Gómez-García, P. D. Brown, J. van
Slageren, A. N. Khlobystov, Nat. Commn. 2011, 2,
407.
[7] R. Nakanishi, M. Yatoo, K. Katoh, B. Breedlove, M.
Yamashita, Materials 2017, 10, 7.
[8] S.-D. Jiang, B.-W. Wang, G. Su, Z.-M. Wang, S. Gao,
Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 7448-7451.
[9] R. Westerström, J. Dreiser, C. Piamonteze, M.
ਦ̕ɿSMM内包CNTによるデバイスモデル。

Muntwiler, S. Weyeneth, H. Brune, S. Rusponi, F.

―­57 ―

Nolting, A. Popov, S. Yang, L. Dunsch, T. Greber, J.

[11] L. Dunsch, M. Krause, J. Noack, P. Georgi, J. Phys.

Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9840-9843.

Chem. Solids 2004, 65, 309-315.

[10] K. Hirahara, K. Suenaga, S. Bandow, H. Kato, T.

[12] Y. Ando, X. Zhao, K. Hirahara, K. Suenaga, S.

Okazaki, H. Shinohara, S. Iijima, Phys. Rev. Lett.

Bandow, S. Iijima, Chem. Phys. Lett. 2000, 323,

2000, 85, 5384-5387.

580-585.

―­58 ―

申請者

大阪大学

関谷

毅

低エネルギー循環型プラスティックセンサの開発
大阪大学

産業科学研究所

関谷

１．はじめに毅

シブル、低消費電力のセンサが求められている。しかしあらゆるモノをインターネットに接続することで、社IoT実現にはもう一点重要な側面がある。それは、セン会を最適化することを目的として、「生活環境に様々なサが役割を果たした後には膨大な量の廃棄物が生じる問

センサを配置する試み」が注目を集めている。Internet

題である。

of Things(IoT)と呼ばれ、実空間と情報空間をシームレ

IoTを支えるセンサには、低環境負荷、低エネルギー

スにつなげることで社会を最適化する社会システムでもでリサイクルできる要素が求められており、持続可能なあり、少子高齢社会を迎えた我が国において重要な成長

社会基盤を構築する上で欠かせない。この様なエレクト戦略の一つと考えられている。

ロニクスは、シリコンテクノロジーでは実現が困難であ膨大なセンサが生活環境に入り込み、実世界の情報をる。

正確に収集するためには、広い面積を覆い、かつフレキ

そこで本研究では、低エネルギー・低環境負荷で分ਦ̏ʁ本取り組みの目指す概要を示す図―­59 ―

解、再構築可能な“生分解性プラスティックフィルム”をを研究開発項目と定め、取り組んだ。

高機能化し、この上に環境(インフラ)モニタリングセン
サを開発し、その有用性を実証することを最終目標とし「研究開発項目１．環境(インフラ)センサの設計と作製た。

技術｣、｢研究開発項目２．センサ性能計測｣、｢研究開発

IoT時代の低環境負荷製造に資する低エネルギー循環

項目３．通信モジュール、信号処理モジュール、電源モ型プラスティックセンサシステムの開発を行うことで、ジュールの構築と環境(インフラ)センサとの集積化によ膨大に増え行くエレクトロニクス産業廃棄物を高効率にるシステム化｣、｢研究開発項目４．高効率リサイクル材

回収、再利用することでサステイナブルなIoT社会実現

料開発｣、｢研究開発項目５．デバイスの信号品質解析に向けた基盤技術開発を進めた。

と改善｣、｢研究開発項目６．“低エネルギー循環型環境
センサシステム”の材料循環効率、エネルギー効率の検【本研究の意義】

証」という6点の技術課題に取り組む必要がある。

生活環境におけるエレクトロニクスの数は急激に増え関谷らのグループでは、これまでの研究活動を通しており、この材料を地下資源(石油由来などの天然資源)て、｢研究開発項目１」から「研究開発項目３」までのだけでまかなうには限界がある。

技術開発に成功しており、必要不可欠な要素技術が確立

本研究では、地下資源に頼らない「材料循環型エレクしている。

トロニクス」の概念を創出し、持続可能かつ豊かな社会生活の実現に貢献する。

そこで本研究期間では「研究開発項目４｣、｢研究開発項目５｣、｢研究開発項目６」に集中的に取り組み、環境
センサシステムを社会実装可能なレベルまで磨き上げる

２．本研究での取り組み概要

取り組みを進めた。

【本研究の創意：自己組織化単分子による生分解性プラ研究開発項目４．

スティックの平坦化と高耐久化】
生分解性プラスティックは水により容易に分解できる「高効率リサイクル材料開発」

ため、低環境負荷でリサイクル可能である。その一方で研究開発項目５．

環境耐久性がないこと、表面の平坦性が低いこと、から「デバイスの信号品質解析と改善」

エレクトロニクスには使われてこなかった。

分解性プラスティックの多くは、表面の平滑性が十分

本研究では、自己組織化単分子膜や気相成長高分子膜ではないため、容易に劣化するのでこれまでエレクトロ

により、このプラスティック表面を修飾し、平坦化を実ニクス基材には用いられてこなかった。本研究では、こ現する試みを行った。さらに、特殊な水溶液によりエレの表面に自己組織化単分子膜(SAM)および気相成長可クトロニクス基板を溶解し、材料分離するプロセス開発

能な高分子パリレン膜を薄膜成膜させる二つの手法を検を進めた。

討し、この二つの課題に取り組んだ。
その結果、自己組織化膜を付与するための液体プロセ

３．具体的な取り組みと成果

スが生分解性基板フィルムに大きなダメージを与えるこ本研究が目指す「低エネルギー循環型環境センサ」をとが分かった。自己組織化膜のプロセス溶剤を複数種類実現するためには、6つの課題があると認識し、これら試したものの、生分解性フィルムの表面が数十ナノメー
トルレベルで荒らされてしまうため、本プロセスは困難であるとの結論に達した。
一方で、薄膜パリレンを気相成長した生分解性プラス
ティックの最表面では、極めて高い平坦性が見られ、その平滑性は数ナノメートルに達することを確認した。
これを基材として、有機薄膜トランジスタの作製を

ਦ̐ʁ生分解性基材が、水で溶解していく様子を示す写真行った。薄膜パリレンをコートしたのち、100nmのアル―­60 ―

ミを蒸着し、ゲート電極とした。そののちに改めて、パを行った。

リレンを30nm製膜し、ゲート絶縁膜とした。有機半導最表面に数十ナノメートル程度のパリレン平滑化層が体層には30nmのDNTT(dinaphtho- thienothiophene)をあるため、そのまま漬け込むだけでは溶解しない。一方

真空製膜し、p型半導体チャネル層とした。最後に50nm

で、表面を軽く研磨し、パリレン平滑化層をはがしたのの金薄膜を蒸着製膜することで、ソース・ドレイン電

ち、水溶液へ浸漬し、撹拌機により攪拌したところ溶解極を形成した。ボトムゲート・トップコンタクト型の有を確認することが出来た。有機半導体は極めて薄膜なた

機薄膜トランジスタを蒸着製膜により試作した。そのめ材料の抽出は難しいが、金属膜などは回収できる可能2

結果、生分解性基板フィルム上において移動度0.4cm /性があることを確かめた。

5

Vs、ON/OFF比10 以上を実現した。特性ばらつきも30％程度と従来のプラステティックフィルム上の有機薄４．今後の取り組み
これまでに開発してきた技術を集積化し、一つのシス

膜トランジスタとそん色のない特性が得られることを確テムとして機能させる。これにより環境センサとしての認した。

有用性を評価していく予定である。具体的には、研究協研究開発項目６．

力をしている東京電力ホールディングス(株)、東電設計「低エネルギー循環型環境センサシステムの材料循環効(株)、富山市などと連携し、大規模インフラへ展開し、率、エネルギー効率の検証」

コンクリート表面で見られる劣化の様子を評価するシス

この有機薄膜トランジスタが作製されている生分解性
プラスティック基板を水溶液へ漬け込み分解させる実験

テムへ一部組み込み、その有用性を検証する予定である。

ਦ̑ʁ将来的に目指すべきエレクトロニクスリサイクルの在り方を示す図。大面積環境センサシステムのリサイクルプロセスの概念模式図。分解性プラスティックを用いることにより、Si-LSI回路以外はすべて低エネルギーにより分離され、エレキトロニクス部材を抽出し、再び環境センサを作製できることを実証する。これにより、“低エネルギー循環型エレクトロニクス”の基盤技術を確立する。

―­61 ―

５．おわりに

関谷研究室の教員である植村隆文特任准教授、和泉慎太

超少子高齢化を迎える我が国においてIoTやAIの活用郎特任准教授、荒木徹平助教、野田祐樹特任助教、吉本は欠かせない取り組みである。この環境の中でエレク

秀輔招へい教員、研究室メンバーに心から感謝いたしま

トロニクスは多様化しており、これまでのように5~10す。最後になりますが、多大なご支援を賜りました公年間使い続けるものばかりではなく、1年以内であった

益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げまり、場合によっては数時間で使い切る用途も増えていす。

る。すなわち、エレクトロニクスを構成する希少材料はもちろんのこと、あらゆる材料をリサイクルして用いる

参考文献

ことが必須である時代がやってくる。これまでのように

1)

Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature Materials 6, 413(2007).

大きなエネルギーや温度をかけてリサイクルするようではリサイクルコストが高くなりすぎて、現実的でない。

2)

Tsuyoshi Sekitani, et al., Science 321, 1468 (2008).

本研究では、分解性の高いシルクフィブロインを中心

3)

Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature Materials 8, 494(2009).

としたプラスティック基材を用いて、その上に低エネルギーで作製可能な有機薄膜トランジスタをベースとした4)

Tsuyoshi Sekitani, et al., Science, 326, 1516 (2009).

エレクトロニクス回路を作製してきた。溶液に溶解させ

5)Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature Materials 9, 1015
(2010).

た金属や半導体材料をどのようにして高純度に効率よく抽出するかについては今後の取り組みが必要であるが、6)

Nature 499,458 (2013).

低エネルギーで溶解可能な基材上に高性能なエレクトロニクス回路を作製すること、さらに低エネルギー、低環

7)8)Sungwon Lee, Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature
Communications, 5,5898 (2014).

リサイクルなどですでに実績がある製紙会社等との連携を行いながら、今後このような取り組みを加速させMatthew S. White, Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature
Photonics 7,811 (2013).

境負荷のプロセスで容易に溶解させる手法を開発することが出来た意義は大きい。

Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani, et al.,9)Michael Melzer, Tsuyoshi Sekitani, et al., Nature
Communications 6,6080 (2015).

て、社会に浸透させていくことを使命としていきたい。

10) Naoji Matsuhisa, Tsuyoshi Sekitani,et al., Nature
６．謝辞

Communications, 6,7461 (2015).

本研究を遂行するにあたり、大阪大学産業科学研究所―­62 ―

申請者

国立医薬品食品衛生研究所

出水庸介

Hisタグタンパク質を特異的に分解できる
ハイブリッド分子の開発
国立医薬品食品衛生研究所

有機化学部

出水
１．背景と目的

庸介

でき、さらに小分子を使用するため、試薬の安定性、生体内においてタンパク質は様々な機能を担ってい

導入の簡便さという点も特徴的である。現在、Yale大る。そのためタンパク質を質的、及び量的に制御するこ学のCrewsらのグループからPROTACs(Proteolysisとはそのタンパク質機能の解明の手がかりとなり、生体

Targeting Chimeric molecule)法、東京大学の橋本ら

機能の理解や病気の治療に繋がる。細胞内タンパク質のや国立医薬品食品衛生研究所の内藤らのグループか

発現量を制御する方法にはRNAi、CRISPR/Cas9、遺伝

らSNIPER(Specific and Non-genetic IAP-dependent

子ノックアウト法が汎用されている。しかしながら、こProtein Eraser)法が報告されている。PROTACs法、れらの手法は複雑な操作が必要であることや試薬が不安

SNIPER法は、標的タンパク質のリガンドとE3のリガン定であること、タンパク質の減少までのタイムラグがドを適する長さのリンカーで連結させた有機分子を用あることといった課題を持つ。そこでこの課題を解決

い、標的タンパク質のユビキチン化を誘導し、プロテア

するため、化合物を作用させることで、細胞内のタンソームにより分解させる手法である(Fig. 1)。2001年か

パク質分解系の1つであるユビキチン-プロテアソーム系

ら現在までに様々なタンパク質をターゲットとしたもの(Ubiquitin-Proteasome System; UPS)によって任意のタや様々なE3リガンドを用いたものが報告されている。

ンパク質を分解させる手法がケミカルバイオロジー分野

筆者らも内藤博士との共同研究により、エストロゲン受を中心に注目されている。UPSは細胞の備えている機能

容体、BCL-ABL、NOTCH1などの疾病関連タンパク質

であるが、近年、有機分子を用いることで人工的にUPSの分解誘導分子の開発に成功している。

を適用させ、任意のタンパク質(Protein Of Interest;

このようにプロテインノックダウン法は疾患に関わるPOI)を分解する手法(プロテインノックダウン法)が注

タンパク質の発現そのものを減少させることができるの目されている。この手法では翻訳後のタンパク質の存在で、タンパク質機能解明のツールとしてだけではなく、量を制御することができるため、任意のタイミングでタ

これまでにない新しいタイプの治療薬となる可能性があ

ンパク質の存在量を減少、及び回復させることが期待る。しかしながら、現在の手法では標的タンパク質にPROTACSNIPER

Ub
E3

Ub Ub
Ub

POI

Protein Of
Interest

E3

E3 ligase

Ub

Ubiquitin

POI)LJɿPROTAC、SNIPER法によるプロテインノックダウン―­63 ―

His tag
Ni-NTA
CPPs
BS/MV1

POI

IAP

Ub

Ub
Ub
Ub

)LJɿHisタグ融合タンパク質のプロテインノックダウン

合わせたリガンドを用いなければならず広い範囲に適用

ウン法を開発することを目的とした。Hisタグは小分子が困難、リガンドが不明なタンパク質には適用不可など

タグでタンパク質に融合することが容易であり、様々なの問題点が挙げられる。またUPSを介したタンパク質分

Hisタグ融合タンパク質が報告されている。従って本手解の適用可能範囲は未解明であり、網羅的に解析する手法を開発することで、UPSを介したタンパク質分解の適法は確立されていない。そこで本研究では、標的タンパ

用可能範囲を網羅的に解析することが可能となると考えク質に融合させたHisタグをターゲットとすることで標た(Fig. 2)。

的タンパク質のリガンドを用いないプロテインノックダ

Ni-NTA

CPPs
MV1cell surface
1) internalization
cytosol
Ni-NTA

CPPs

Ni-NTA

CPPs

His
His

POI

His

MV1

E3 MV1Ub2) bind to POI
POI

Ub
Ub Ub

POI

proteasomeO

Ni-NTA

O

H 2O
OH2
O
2+
O Ni ON3) UPS mediated degradation

O
Ph
O

O

N

BS/MV1

H 2N

O

OH

O

BS/MV1

N
H

S
N
H

CPPs

N
H

O

BS-Tat-Ni-NTA
MV1-Tat-Ni-NTA
BS-R9-Ni-NTA
MV1-R9-Ni-NTA

CPPs

H
N
O

O
N

N
H

H
N
O
Ph

BS
O

O

MV1
Ph

㼅 㻳 㻾 㻷 㻷 㻾 㻾 㻽 㻾 㻾 㻾 : Tat㼅 㻳 㻾 㻾 㻾 㻾 㻾 㻾 㻾 㻾 㻾 : R9

)LJɿ分子設計とHisタグ融合タンパク質の分解誘導の推定機構―­64 ―Cbz

CO 2Bu t
N
H

DIPEA BrNH 2

CO 2tBuDMF, 55oC, 48h1Cbz

CO 2Bu t
N
H

CO 2H

O
CO 2Bu tN

CO 2Bu t289%1) H 2, Pd-C, MeOH, rt, 6h2) NaOH, NaHCO 3 aq. THF, rt, 24h
O

N

N

CO 2H
CO 2H

O
3
52% for 3 steps

N CO 2MeO
3) TFA, CH 2Cl 2, rt, 15h

HO 2C

O

O

CO 2H
N

O

CO 2H

O

N

BS/MV1

N
H

N
H

CPPs
O

DIPEA, 3
MeOH/DMSO
rt, 15hO

BS/MV1N
H

BS-Tat
MV1-Tat
BS-R9
MV1-R9

CPPs
O

O

O

S
N
H

N

N

O

HS
O

H 2O
OH 2
O
2+
O Ni O

NiCl2
PBS
rt, 2hBS-Tat-NTA
MV1-Tat-NTA
BS-R9-NTA
MV1-R9-NTA

BS/MV1

O
N
H

S
N
H

CPPs
O

BS-Tat-NiNTA
MV1-Tat-NiNTA
BS-R9-NiNTA
MV1-R9-NiNTA

6FKHPHɻハイブリッド分子の合成ルート

２．実験、結果、考察

相法により合成したBS/MV1-CPPsをコンジュゲートさ2-1 Hisタグタンパク質分解誘導作用を有するハイブ

せ、最後にNiをNTAに配位させることで目的とするBS-

リッド分子の開発

Tat-NiNTA、MV1-Tat-NiNTA、BS-R9-NiNTA、MV1-

2-1-1. 分子設計

R9-NiNTAを合成した(Scheme 1)。

目的を達成するためには、UPSを介したプロテイン
ノックダウン誘導化合物を標的タンパク質へ運搬、相互

2-1-3. Hisタグタンパク質の分解誘導能評価

作用させること、プロテインノックダウン誘導化合物がプロテインノックダウンの検討は、Hisタグ融合タン

標的タンパク質のノックダウンを行うこと、の2つが課

パク質を安定発現させた細胞に対して化合物処理を行題となる。これらの課題を解決するため本手法ではプロいウェスタンブロット法によって細胞内タンパク質をテインノックダウン誘導化合物としてHisタグと相互作

定量的に確認することで評価した。標的タンパク質に用するNiNTA(nickel-nitrilotriacetic acid)とユビキチン

は、既にUPSによるプロテインノックダウンが可能でリガーゼリガンド(BS/MV1）、および細胞膜透過ペプあることが知られているcellular retinoic acid binding

チド(CPPs: Tat, R9)をコンジュゲートしたハイブリッ

protein 2(CRABP2)を選択した。CRABP2のN末端にド分子(BS/MV1-CPPs-NiNTA)を設計した。Ni-NTAは10残基のヒスチジン(His)、C末端にT7タグを融合した極性が高く細胞内へ導入されないが、CPPsとコンジュ

10xHis-CRABP2-T7をHT1080細胞に安定発現させた。

ゲートすることで細胞内への導入効率を高めることが可

次いで、合成した化合物(BS-Tat-NiNTA、MV1-Tat-

能となる。細胞内では、NiNTA がHisタグタンパク質とNiNTA、BS-R9-NiNTA、MV1-R9-NiNTA)を細胞に添加

相互作用することでMV1を標的タンパク質のHisタグにし、37℃、6時間インキュベート後、各種抗体を用いて相互作用させることができ、標的タンパク質のポリユビ

ウェスタンブロッティングを行うことで細胞内タンパク

キチン化それに続くプロテアソームの分解を誘導できる質を検出し、その存在量の変化を評価した(Fig. 4)。
CRABP2分解誘導作用があるMV1-ATRA(レーン3)とと考えた(Fig. 3)。

同様に、合成した全ての化合物は10xHis-CRABP2-T7
2-1-2. ハイブリッド分子合成を分解した(レーン5〜20)。ユビキチンリガーゼリガン

ハイブリッド分子(BS/MV1-CPPs-NiNTA)はScheme

ドとしてはBSよりもMV1を導入した化合物がより高い

1に示すルートで合成した。すなわち、L-リジン誘導体1活性を示し、CPPsに関してはTatとR9間に顕著な活性を出発原料として合成したマレイミド体3とペプチド固の差は見られなかった。また、プロテアソーム阻害剤で―­65 ―)LJɿハイブリッド分子のHisタグ融合タンパク質分解誘導評価

SNIPER(CH6)
His
N

O

O

N

O

O

His

complex

CPP-Hiscell surface

1) delivery

E3 Ligandcytosol2) dissociation

Ni-NTA

His
CPP

N

O

O

E3

CH6
CH6

POI

N

O

O

SH

SH

CH6

Ub

O

N

O

His

His-tag

CH6

CH6-tagSHS3) bind to POI
Ub
Ub Ub

POI
O

O
H 2O
H 2O

O
O

O O

O

O

proteasomeO
O

Ni-NTA

O

N

N

N

N

O

O
N
O
O

4) UPS mediated degradation

H 2O
OH2
O
2+
O Ni O
N

N

Ni 2+

POI

Ph
H
N

O

O
N
H

O Ni 2+O
O
OH2
H 2O

O

O

N

Ph
N
H

O

O
N
O

N
H

N
N

MV1

㻾㻾㻾㻾㻾㻾㻾㻾㻾㻾㻴 㻴 㻴 㻴 㻴 㻴

N
O

H
N

SNIPER(CH6)CPP-His [R10H6])LJɿ分子設計とHisタグ融合タンパク質の分解誘導の推定機構―­66 ―

あるMG132共存下では化合物の活性が低下したことか

定分解機構をFig.5に示す。分解誘導分子は、Hisタグ

らCRABP2の分解にはプロテアソームが関与していること相互作用するNiNTA、ユビキチンリガーゼリガンドとが示唆された。

(MV1)、さらにCH6タグのシステインと共有結合する

今回開発したハイブリッド分子は、Hisタグ融合タン

ためのマレイミド基を導入した分子(SNIPER(CH6))を

パク質の分解を誘導することができたが、合成が煩雑で設計・合成した。また、デリバリーペプチドとしてHis

あり評価に必要な量を安定して供給することが困難であタグを導入した膜透過ペプチド(R10-H6、R10-H4A2)ることから、これらの問題点を克服するためにCPPsとを用いることによりSNIPER(CH6)の細胞内への導入効

リガンド部を切り離した新たな分子設計と評価系の構築

率を高めることを計画した。標的タンパク質としては、を検討した。

CRABP2のN末端にシステインとヒスチジンから構成されるCH6タグと検出用のFLAGタグを融合した2x(CH6)-

2-2 Hisタグタンパク質分解誘導作用を有する分子およびデリバリーペプチドの開発

FLAG-CRABP2タンパク質をHT1080細胞に安定発現させた系を構築することで、SNIPER(CH6)による分解誘

2-2-1. 分子設計

導を評価することとした。

新たに設計した分解誘導分子、デリバリーペプチド、さらに、タンパク質の分解メカニズムを解析するた及びこれらの分子によるHisタグ融合タンパク質の推めに以下の分子を設計した。即ち、デリバリーペプチ)LJɿ分子設計―­67 ―

ドによるNiNTA搭載分子の細胞内導入を評価するために

2-2-3. NiNTA搭載分子の細胞内導入評価および分解誘MV1をFluoresceinに置換したFluro-triNTA、分子中の導分子のCH6タグ融合タンパク質結合評価

マレイミド基とCH6タグ融合タンパク質の結合を評価す

2x(CH6)-FLAG-CRABP2を安定発現させたHT1080細るためにBiotinを導入したBiotin-mal-triNTA、タンパク胞に、3μMのFluro-triNTA、及び6μMのデリバリーペ

質の分解におけるマレイミド基の効果を確認するためのプチドR10-H4A2を添加し37℃で3 時間インキュベート

SNIPER(His)、分解誘導分子の細胞内デリバリー効果をした後、蛍光顕微鏡を用いてFluro-triNTAの細胞内導入評価するための2種類のペプチドR10-H6、R10-H4A2をを観察した。その結果、Fluro-triNTA単独では細胞内の設計した(Fig.6)。

蛍光は観察されず、デリバリーペプチドとの共添加により細胞内輸送が達成された(Fig. 7(a))。

2-2-2. 分解誘導分子の合成

標的タンパク質へのリガンド結合を評価するため

Hisタグとの親和性を向上させることを狙ってNiNTAに、ビオチンを導入したBiotin-mal-triNTAを用いてを3分子導入した分解誘導分子SNIPER(CH6)はScheme

2x(CH6)-FLAG-CRABP2のビオチン化を検討した。

2に示すルートにより合成した。さらにマレイミド基は2x(CH6)-FLAG-CRABP2を安定発現させたHT1080細合成の終盤でクリック反応を利用することで効率的に導胞に3μMのBiotin-mal-triNTA／R10-H4A2複合体を添入した。メカニズム解析を行うための他の分子も同様の

加し37℃、2時間インキュベート後、ビオチンのプルルートで合成し、デリバリーペプチドはマイクロ波を利ダウンアッセイを行った。その結果、ビオチン化した用した固相法により効率的に合成した。

CRABP2が検出されたため、本手法によって標的タンパ
ク質に対してBiotin-mal-triNTAが共有結合していることが示唆された(Fig. 7(b))。

6FKHPHɻSNIPER(CH6)の合成―­68 ―

D

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EORW&5$%3,,/DQHQRQH/DQHȝ0 61,3(5 &+ 5+$
/DQHȝ0 %LRWLQPDOWUL17$ 5+$

)LJɿ(a)NiNTA搭載分子の細胞内導入評価、(b)CH6タグ融合タンパク質のプルダウンアッセイ

2-2-4. CH6タグ融合タンパク質の分解誘導能評価

し、37℃、6時間インキュベート後、各種抗体を用いて2x(CH6)-FLAG-CRABP2を安定発現させたHT1080細ウェスタンブロッティングを行うことで細胞内タンパク胞を用いて、合成した化合物の活性を評価した。本実験

質を検出し、その存在量の変化を評価した。Fig. 8(a)のでは3μMの化合物および3μMのペプチドを細胞に添加

レーン2に示すように、SNIPER(CH6)とR10-H4A2を共D

61,3(5 &+  ȝ0
5++ ȝ0
5+ ȝ0E

[ &+ )/$*&5$%3,,
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)LJɿCH6タグ融合タンパク質分解誘導評価―­69 ―

61,3(5 &+  ȝ061,3(5 +LV  ȝ0
5+ ȝ00* ȝ0
FDUILO]RPLE ȝ0
EDILORP\FLQ ȝ0)LJɿCH6タグ融合Smad2分解誘導評価

添加することで2x(CH6)-FLAG-CRABP2が分解するこ用いている化合物群の細胞毒性を確認し、汎用可能な化とが明らかとなった。また、R10-H4A2とR10-H6間で合物であるか検討した。本実験では各濃度(1, 3, 10μM)の活性の差は見られなかった(レーン2および3)。

に調整したSNIPER(CH6)、R10-H6、R10-H4A2及びそ続いて、SNIPER(CH6)による分解がプロテアソーの複合体溶液でHT1080細胞を処理し、24時間37℃でイム由来であることを確認するため、プロテアソーム阻

ンキュベート後、細胞生存率をCell Counting Kit-8を利害剤であるMG132、carfilzomibとリソソーム阻害剤で用して450nmの吸光度から算出した。その結果、プロテあるbafilomycinを用いて、評価を行った。同時に、インノックダウンの有効濃度範囲では顕著な細胞毒性

SNIPER(CH6)とSNIPER(His)を用いて標的タンパク質は示されていないため、本手法は汎用可能なプロテイン

への共有結合が分解誘導活性に与える影響を検討した

ノックダウン法になり得ることが示唆された。

(Fig.8(b))。なお、本実験では化合物添加前、予め細胞に阻害剤を添加して37℃、30分インキュベートした後、３．まとめ化合物を添加し37℃、6時間インキュベートし、ウェス

多種多様なタンパク質に対しUPSを介したプロテイン

タンブロッティングにより評価を行った。実験の結果、

ノックダウンを簡便に行うため、CH6タグを標的タンパ

プロテアソーム阻害剤によりSNIPER(CH6)の活性が低ク質に融合し、タグ特異的に結合する分解誘導剤を開下した(レーン5、7)。また、SNIPER(His)の活性は見発し、用いることで課題の解決を試みた。各条件でのられなかった(レーン2、ただし20μMにおいては分解活

評価結果からSNIPER(His)は分解活性を示さないが、性が見られた)。よってSNIPER(CH6)による2x(CH6)-

SNIPER(CH6)はUPSを介した分解活性を示すことが明FLAG-CRABP2の分解にはプロテアソームが関与してらかとなった。この結果から分解誘導剤が標的タンパクいることが示唆された。加えてSNIPER(His)では活性が質に共有結合で結合することが重要であることが示唆さ見られないことから、分解誘導剤は共有結合により標的れた。これは非共有性の結合であると標的タンパク質のタンパク質への親和力を高めることが活性に重要である

ユビキチン化が十分に行われる前に標的タンパク質からことが示唆された。

分解誘導剤が乖離してしまうことが原因であると推測さ

次いで汎用性を確かめるために、CH6タグを2回繰りれる。今回報告したシステムは、今後のUPSによるプロ

返したタグ、抗体検出用に2回繰り返しFLAGタグをN

テインノックダウン法の発展のみならず、新規医薬品開末端に融合した2x(CH6)-2xFLAG-Smad2を安定発現す発へ繋がることで創薬、医学、生理学等の研究分野に貢るHT1080細胞を用いて、本化合物の活性を評価した。

献することを期待する。

その結果、SNIPER(CH6)は3μMで2x(CH6)-2xFLAGSmad2の存在量を減少させた(Fig.9)。最後に本手法で―­70 ―

４．謝辞

彦，出水庸介，Hisタグ融合タンパク質分解誘導分子の設計と合成，ケミカルバイオロジー第12回年会，

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし札幌(2017．6)．

た、公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し

2. 沖津航陽，服部隆行，出水庸介，三澤隆史，正田卓

上げます。

司，内藤幹彦，栗原正明，ユビキチンープロテア
発表論文

ソーム系を介したHisタグタンパク質分解誘導分子の1. Development of a small hybrid molecule that

開発，日本薬学会第137回年会，仙台(2017．3)．

mediates degradation of His tag-fused proteins,

3. 出水庸介，沖津航陽，服部隆行，三澤隆史，内藤幹K. Okitsu, T. Hattori, T. Misawa, T. Shoda, M.

彦，栗原正明，Hisタグ融合タンパク質分解誘導分子

Kurihara, M. Naito,* Y. Demizu,* J. Med. Chem., 61,の開発，第42回反応と合成の進歩シンポジウム，静576-582 (2018).

岡(2016．11)．

2. Simple and efficient knockdown of His-tagged

4. 沖津航陽，服部隆行，出水庸介，三澤隆史，正田卓

proteins by ternary molecules consist of His-tag

司，内藤幹彦，栗原正明，Design and synthesis ofligand, ubiquitin ligase ligand and cell penetrating

degradation of inducers targeted on His-tag fused

peptide, T. Hattori, K. Okitsu, N. Yamazaki, N.

proteins，第53回ペプチド討論会，京都(2016．

Ohoka, N. Shibata, T. Misawa, M. Kurihara, Y.

10)．

Demizu,* M. Naito,* Bioorg. Med. Chem. Lett., 27,

5. 沖津航陽，服部隆行，出水庸介，三澤隆史，正田卓
司，内藤幹彦，栗原正明，Hisタグ融合タンパク質4478-4481 (2017).

分解誘導分子の開発，第60回日本薬学会関東支部大3. Development of an ON/OFF switchable fluorescent会，東京(2016．9).

probe targeting His tag fused proteins in living
cells, K. Okitsu, T. Misawa,* T. Shoda, M. Kurihara,

6. 沖津航陽，出水庸介，三澤隆史，栗原正明，Hisタグ

Y. Demizu,* Bioorg. Med. Chem. Lett., 27, 3417-3422

融合タンパク質分解誘導分子の開発，第48回若手ペ(2017).

プチド夏の勉強会，東京(2016．8).
7. 沖津航陽，服部隆行，出水庸介，三澤隆史，正田卓

関連学会発表司，内藤幹彦，栗原正明，Hisタグタンパク質分解誘1. 沖津航陽，服部隆行，三澤隆史，栗原正明，内藤幹

導分子の開発，日本薬学会第136回年会(2016．3)．

―­71 ―

申請者

富山県立大学竹井敏

真空系プラズマエッチング装置・プロセスを不要にできる
感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料の開発
富山県立大学

工学部医薬品工学科

竹井
１．背景と目的敏性有機無機ハイブリッドナノパターニング材料に関する

現在、半導体やディスプレイ等の製造で必須である無ものである。バイオマス資源であるプルランや糖鎖材料

機薄膜表面のナノパターンは、あらかじめ無機物質を蒸などの水溶性材料を用いて水現像可能な感光性有機無着やスパッタなど真空を必要とする装置で成膜後、レジ機ハイブリッドナノパターニング材料を開発し、環境配ストを塗布・露光・有機溶媒またはアルカリで現像・再慮型の無機物質パターンニングプロセスの実現を目指しび真空装置内で反応性ガスを用いてエッチング・レジス

た。本技術により、半導体、ディスプレイなどの電子デト剥離という非常に複雑な工程で形成されている。この

バイス、センサー、MEMSなど様々な分野に展開可能工程で用いる有機溶媒やアルカリ現像液は環境に優しいな種々の無機物質のパターンニングが可能となり、現行とは言えず、真空装置は一般に高価である。

プロセスに代わる新規な環境適応型・省エネルギープロ

本研究は、高価な真空装置による製膜、有機溶媒やアセスが達成できる。

ルカリを用いた現像工程を不要とする、全く新規な感光ਦ̏ɻ感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料によるエッチングレスパターン形成技術の優位性―­72 ―

３．感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料の２．環境配慮型の無機物質パターンニングプロセス

開発

環境配慮型の無機物質パターンニングプロセスを現在のプロセスに比較して図１に示す。①従来の無機膜形成

次の方法を含む、新たな水現像可能な感光性有機系ハ➡レジスト塗布➡露光➡有機溶媒またはアルカリによるイブリッドナノパターニング材料の開発を進めた。通常

現像➡エッチング➡レジスト剥離という複雑かつ高コスの感光性ペーストは、感光性樹脂や感光性モノマーなどトな工程に比べて、感光性有機無機ハイブリッド材料の有機成分に感光性を持たない無機粒子を分散したものを塗布➡露光➡水現像➡加熱・焼成という極めてシンプである。我々は無機粒子にも感光性を付与することによルかつ安価なプロセスで無機物質のパターンが形成できり、無機粒子自身が有機成分と、あるいは無機粒子同士る。

で硬化反応するようにした。このことにより、露光部でまた、②有機材料としてバイオマス由来の材料を使用の硬化が促進され、少ない露光量でも十分硬化する高感することで、従来のプロセスで用いられていた有機溶度化が達成できると共に、極めて強固な硬化膜が形成で媒、アルカリ、エッチング用ガスといった環境に優しくきた。

ない材料をすべて水に変えることができ、環境配慮型プ
１）有機成分

ロセスが可能となる。
更に、③パターンを形成できる無機材料の範囲拡大がバイオマス由来の材料として水溶性のHydroxypropyl

できる。現在の無機物質のパターン形成法のさらなる問

cellulose(HPC)、架橋剤として2-methacryloyloxyet

題点は、パターン形成できる無機物質の種類が限定されhylisocyanate(MOI)等を使用することで、架橋機構ることであった。蒸着やスパッタなどの真空法で均一なを有する熱または光硬化性セルロースを開発した。

薄膜ができる材料や、反応性ガスでエッチングできる材

HPCとは、セルロースの水酸基を酸化プロピレンで料以外の無機材料の微細パターンを形成するには極めてエーテル化することで得られるセルロースの誘導体で特殊な材料やプロセスが必要であったが、環境配慮型のある。HPCはセルロース骨格にヒドロキシプロポキ

無機物質パターンニングプロセスにより改善できる利点

シ基を導入してセルロースの水素結合を妨げることでがある。

溶媒に可溶である。さらに反応性も良く高い分子量をਦ̐ɻバイオマス由来のセルロースへの感光性基の導入―­73 ―

持つことからラジカル重合の機構を有するモノマーを３）感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料の調整付与させる主材料として用いられている。
MOIは一方に二重結合を有しておりウレタン結合得られた両成分を複合化して、感光性有機系ハイブ

誘導体においてアクリレート並の光硬化性があるUV

リッドナノパターニング材料とした。上記１）の有機成

硬化モノマーである。またもう一方にはイソシアネー

分TPUSと２）の無機成分を適度に配合することによりト基を有しており、水酸基と反応することでウレタン

有機成分、無機成分の双方に感光性を付与する感光性有結合するイソシアネートモノマーでもある。MOIの機系ハイブリッドナノパターニング材料を複数調整しイソシアネート基と、HPCの水酸基を先に反応させた。

ることで、HPCに二重結合を残し、架橋性を持たせることができる。HPCとMOIの構造、およびそれら

４．感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料による垂直現像法の反応式を図２に示す。
HPCの水酸基の一部がMOIに置換された熱または有機成分、無機成分の双方に感光性を付与する感光性

光硬化性セルロースを、TPUSと名づけた。得られた有機系ハイブリッドナノパターニング材料により、露光

TPUSはメチルエチルケトンに可溶で黄色の均一な液量を少なくすること(高感度化)ができ入射光の散乱がか体物が得られた。

なりの程度抑えられるが、粒子による入射光の吸収がある限り、ペースト底部での硬化不足は依然として存在する。そこで底部まで硬化させるのではなく、硬化は表面

２）無機成分
図３に示す無機粒子への感光性の付与方法により、感部分のみとし、底部は未硬化のままでパターンニングす

光性の付与は無機物粒子の表面に存在するヒドロキシルる方法を本研究で採用した。図２と３で合成した有機成基などにシランカップリング剤を介して導入した。

分、無機成分の双方に感光性を付与する感光性有機系ハ

ਦ̑ɻ無機粒子への感光性基の導入―­74 ―

イブリッドナノパターニング材料による垂直現像法を開な逆台形に、また水圧を時間経過と共に徐々に低くする発した。

ことにより右側の台形状のパターンとなった。また斜面

表面部分には極めて強固な硬化膜(表面難溶化層)が形の部分を湾曲させることも可能であった。また、水の照成されているので、これをマスクにして露光されていな

射角度を基板に対して斜め方向にすることにより、非対い非硬化部分を現像しながら基板に対して垂直方向に称形状のパターンも得られた。

エッチングできれば、露光部分の底部が十分硬化してい

特に、図２と３で合成した有機成分、無機成分の双なくても良好な垂直形状のパターンが得られるはずであ方に感光性を付与する感光性有機無機ハイブリッド材る。種々の現像液や現像方法を試みた結果、超高圧水を料(フォーミレーション最適化品

基板に対して垂直方向に照射すると、非露光部は現像とエッチングレスパターン(ディスプレイパネルの隔壁)形

共にエッチングされ、露光部のみに良好な矩形性を持つ

成例を図５に示す。

TPUS-hybrid)によるディスプレイパネルの隔壁の場合は、ディスプレイパ

パターンを形成することができた。
基板に対して垂直方向に照射することから我々はこのネルの発光効率を高めるため隔壁間に配置される蛍光体

現像を「垂直現像」と名付けた。極めて興味深いことの表面積ができるだけ大きくなるように、側壁が湾曲しに、この現像時の条件、たとえば水圧や水噴射ノズルのた富士山型の隔壁形状が好ましい。無機粒子として感光

形状、照射する方向や時間を適度に調整することによ性を付与した無機粒子を用い、さらに粒径を制御、これり、種々の断面形状を有するパターンが得られることがらを高充填(90重量％以上)した感光性ペーストを塗布、明らかになった。

露光後、垂直現像によりパターンニングすることによ

具体的には、水圧が高い場合は図４の左側の絵のようり、所望の形状のパターンを得ることができた。

ਦ̒ɻ感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料による垂直現像法―­75 ―

ਦ̓ɻ感光性有機系ハイブリッドナノパターニング材料によるエッチングレスパターン形成例

ペースト材料や露光量を調整して表面難溶化層の強度⃝ Shinya Nakajima, Satoshi Takei, Soichiro Takamatsu,(硬化度)や厚さを変え、またこれらと現像条件の組み合

Kento Mizui, Toshitaka Oka, Yoko Matsumoto,

わせにより、さらに種々の形状を持つパターンが得らAtsushi Sekiguchi, Makoto Hanabata: “Ultraviolet

れ、これらを利用した感光性有機系ハイブリッドナノパ

nanoimprint gas-permeable templates derived fromターニング材料によるエッチングレスパターン形成のcellulose with acrylate and methacrylate groups to

種々の展開に活用できる。

reduce void defects” accepted to Jpn. J. Appl. Phys.,
57 (2018).

５．本研究の成果（まとめ）⃝ Satoshi Takei, Naoto Sugino, Makoto Hanabata,「高価な真空装置による製膜、有機溶媒やアルカリを

Akihiro Oshima, Miki Kashiwakura, Takahiro

用いた現像工程を不要とする感光性有機系ハイブリッド

Kozawa, and Seiichi Tagawa: “Ecofriendly ethanol-

ナノパターニング材料」の試作品を開発した。具体的にdevelopable processes of electron beam lithography

は、①バイオマス材料である水溶性のセルロース材料を

using positive-tone dextrin resist material” Appl.

用い、②無機物質に感光性を付与し、③水現像に適合

Phys. Express, 10 (2017) 076502:1-076502:4.

する有機成分、無機成分の双方に感光性を付与する感光⃝ Satoshi Takei and Makoto Hanabata: “High-性有機無機ハイブリッド材料(TPUS-hybrid)のサンプル

resolution nanopatterning of biodegradable

ワークを開始した。

polylactide by thermal nanoimprint lithographyusing gas permeable mold” AIP adv., 7 (2017)

６．謝辞

035110.1-7.

本研究では目的とした、「真空系プラズマエッチング
装置・プロセスを不要にできる感光性有機系ハイブリッ

国際会議発表

ドナノパターニング材料の開発」の開発をほぼ計画通り⃝ Satoshi Takei, Naoto Sugino, Makoto Hanabata:

進めることができた。公益財団法人松籟科学技術振興財“Organic-inorganic hybrid resist materials in団の関係者様に心から感謝申し上げる。

advanced lithography” Proc. SPIE (2017) 103541Q.1103541Q.6.

７．成果公開
学術論文

展示会発表⃝ Satoshi Takei, Shinya Nakajima, Makoto Hanabata:⃝ 竹井敏、「真空系プラズマエッチング装置・プロ“High-resolution patterning of silver nanopaste

セスを不要にできる感光性有機系ハイブリッドナノ

containing volatile solvents achieved with gas-

パターニング材料」Nano tech 2018 第17回 国際ナ

permeable mold” Microelectronic Engineering,

ノテクノロジー総合展・技術会議、東京ビックサイ

190(2018) 68-72.

ト、平成30年2月14-16日(2018)小間番号：6X-08―­76 ―⃝ 竹井

敏、「グリーンリソグラフィを用いた植物系-2018 in Nanotechnology, Outstanding scientific

機能性材料の開発」Nano tech 2017 第16回 国際ナ

contributions in Nanotechnology International

ノテクノロジー総合展・技術会議、東京ビックサイ

Agency for Standards and Ratings, Feb. 7, 2018

ト、平成29年2月15-17日(2017)小間番号：５S-08⃝ 竹井敏、第34回とやま賞、｢植物由来高付加価値機能材料｣、2017年5月30日、富山県ひとづくり財団
受賞⃝ Satoshi Takei, World Academic Championship―­77 ―

申請者

山形大学

東原

知哉

分子内触媒移動重合法を用いた全共役p型/n型半導体ブロック
共重合体の開発と非フラーレン系有機薄膜太陽電池への応用
山形大学

大学院有機材料システム研究科

東原
１．目的と背景知哉

AA型モノマーとBB型モノマーは厳密に等モル使用する

本研究では、光電変換機能を有するエネルギー材料の必要がある。ところが、2,5-ビス(トリメチルスタニル)創出を目的とした。製造プロセスの容易な太陽電池としチオフェン(1)とナフタレンジイミド含有ジブロモモて、有機太陽電池やペロブスカイト太陽電池が注目されノマー(2)との右田-小杉-スティルカップリング重縮合ており、国内外で効率競争や低温プロセス化が進んでい(Scheme 1)において、2を1に対して1～10当量用いてもる。ペロブスカイト太陽電池は高効率(エネルギー変換

高分子量のn型半導体ポリマー(P(NDI2DT-T1))が得ら

効率PCE～22.7％[1])であるが、一般には約500℃のTiO2れることを発見した(Table 1)[15,16]

コンパクト層焼成温度が必要である。一方、有機太陽電
池は低温製造プロセス(＜150 ℃)が可能で、印刷による安価な製造プロセスやフレキシブル性付与が期待される
ものの、まだ効率改善の余地がある(PCE~15%[2])。
最近のトレンドとして、分子設計や合成の容易な非フラーレン系n型半導体材料を用いた全ポリマー型有機薄膜太陽電池が注目されており [3-8]、PCE~9%が達成されている[9]。ただし、用いる半導体高分子材料の分子量や分子量分布が規制された例は非常に少ない。半導体高分子の分子量や分子量分布は半導体性能に影響を及ぼすことが知られているため[10]、これらパラメーターの制御は極めて重要である。本研究では、分子内触媒移動[11-20]を利用した全共役ｐ型/ｎ型半導体ブロック共重合体群の合成法の開発および一部材料についてホール移動度および太陽電池評価を行った。
２．分子内触媒移動を用いた末端官能基化ナフタレンジ
イミド含有ポリマーの合成
π共役系高分子は、主にAA型モノマーとBB型モノ
マーの重縮合により合成さる。例えば、ジスタニル含有モノマー(AA型モノマー)とジブロモ含有モノマー(BB型モノマー)の右田-小杉-スティルカップリング重縮合により、ドナー・アクセプター型交互共重合体が得られる。一方、高い重合度のポリマーを得るため、―­78 ―

6FKHPHɻNonstoichiometric Migita-Kosugi-Stille coupling
polycondensation between  and .

7DEOHɻResults of nonstoichiometric Migita-Kosugi-StilleƄ
coupling polycondensation between  and Ƅ>@>@E







0QF
 G






が分かった[19,20]。反応点であるブロモ基近傍のカルボニル基の存在が、分子内Pd(0)触媒移動を促進していると

ι0F
G






示唆される結果を得ており(Figure 1)、今後、両末端官能基の特定とブロック化への応用が期待される。
３．全共役系p型/n型半導体ブロック共重合体の合成
全共役系p型/n型半導体ブロック共重合体の合成例は

The polymerization yields were almost quantitativeƅ
based on the feeding quantity of  when []0/[]0>1. TheƆfeeding molar ratio of  and . Determined by SEC inƒ-dichlorobenzene at 140 using polystyrene standards.
ƇThe polymerization was not proceeded.

少ない。p型半導体高分子とn型半導体高分子のカップリング反応により、ポリ(3-オクチルチオフェン)-b-ポリ(キノキサリン)-b-ポリ(3-オクチルチオフェン)[21]、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)(P3HT)-b-PFTBTT[22]、および
P3HT-b-PF8TBT[23]が合成されたものの、高分子量体同

これは、辻-トロストアリル化反応による非等モル下[11,12]士のカップリング反応収率は一般に低くなる。また、と同じ機構

鎖末端にブロモ基を有するP3HTとn型モノマーを共重によるものと考えられ、ポリマー鎖末端のブロモ基が合させる方法が開発され、P3HT-b-ポリ(ピリジニウム

成長反応に完全消費されるまで、過剰のジブロモモノ

フェニレン)[24]、P3HT-b-ポリ(ナフタレンジイミド)-b-

マーが重合に関与しないためと考察できる。同様の現象

P3HT [25]、およびP3HT-b-ポリ(ジケトピロロピロール-

が、鈴木-宮浦カップリング重縮合系でも発見されていターチオフェン)[26]の合成が報告されている。しかし、る[17,18]。

方法論的にABジブロック共重合体とABAトリブロック

重合で報告された分子内Pd(0)触媒移動得られたP(NDI2DT-T1)の両末端は過剰量用いたナ共重合体が混在する恐れがある。
我々は、鎖末端にブロモ基を有するP(NDI2DT-T1)

フタレンジイミド骨格になっており、ブロック共重合体の[16]

ビルディングブロックとしての利用可能性を示した 。

をマクロ開始剤として使用し、チオフェンモノマーを重ごく最近、マレイミド骨格やエステル骨格を有するジ合する開始法を開発した。Scheme 2に、全共役p型/n型

ブロモモノマーをジスタニルモノマーよりも過剰に用い半導体グラフトポリマーの合成経路を示す。ナフタレン

た右田-小杉-スティルカップリング重縮合系においてもジイミド含有モノマーとo-クロロトリル基含有チオフェ

非等モル下での重合が進行し高分子量体が得られること

ンモノマーとの共重合体をマクロ開始剤とし、3-ヘキシ
ルチオフェンモノマーの分子内触媒移動重縮合 [13]により、目的のグラフトポリマーの合成に成功した[27]。

2&O&+1&+&+
2
1L &2' 33K GSSS

2
&+
&+

6
1

2

6

[

6

&O0J

6

%U

\

31',&77[\

+%U
P

&+

6
2

2
&+ 1&+

)LJXUHɻNonstoichiometric Migita-Kosugi-Stille Coupling
Polycondensation via Intramolecular Pd(0) catalysttransfer promoted by imide-based monomer.

&+
1&+
2
6

[

6

6

\

2
31',&77[\J3+7

6FKHPHɻSynthetic route of an all-conjugated graftpolymer initiated by n-type polymer
backbone.

―­79 ―

6FKHPHɻ6\QWKHWLFURXWHRIDQSQSW\SHDOOFRQMXJDWHGEORFNSRO\PHULQLWLDWHGE\QW\SHSRO\PHU

また、同様のマクロ開始剤を使用する方法論によりれ、分子量分布が極めて狭くなることである。SEC曲線

p/n/p型トリブロック共重合体(P3HT-b-P(NDI2DT-(Figure 2）より、1stモノマーの重合終了後に2ndモノT1)-b-P3HT)の合成に成功した(Scheme 3)

[28]

。実際

マーを加えると、狭い分子量分布を保ったままトップに、数平均分子量26,400-33,70O(P3HT: 25-45 wt%)およ

ピークが高分子量側にシフトしていることから、構造のび比較的狭い分子量分布1.15-1.29を有するブロック共重

明確なP3HT-b-P3DFPhT(Mn = 24,700, ÐM = 1.08)が得

合体が得られた。

られたことを確認した。現在、得られたブロック共重合

一方、より簡便なモノマー逐次添加法によるドナー・アクセプターブロック共重合体合成の検討を行った

体の詳細解析、薄膜状態のモルフォロジー、および非フラーレン系有機太陽電池の評価を行っている。

(Scheme 4)。チオフェン環の3位に4-フルオロ-3-アルコ
キシアリール基を導入することにより、P3HTよりも

４．非フラーレン系有機太陽電池の評価

HOMO/LUMOエネルギー準位の深いポリ(3-(3’-ドデシ

前章で得られたP3HT-b-P(NDI2DT-T1)-b-P3HT(Mn

ロキシ-4’-フルオロフェニル)チオフェン)(P3DFPhT)を= 42,900, ÐM = 1.51)の単一薄膜を使用した有機電界効果

新たに開発した。3-ヘキシルチオフェンモノマーを重合

トランジスタおよび有機薄膜太陽電池デバイスを作製し後に、開発したフッ素含有チオフェンモノマーを添加すた。それらデバイスの評価の結果、ホール移動度=3.93

ることで、鎖延長反応によるABジブロック共重合体の×10-4(cm2V-1s-1)、開放電圧値=0.45(V)、短絡電流密度合成に成功した[29]。

値=0.106(mA/cm2)、FF値=0.333、PCE=1.6×10-2(%)

本手法の特徴は、すべての反応系に分子内触媒移動をとなり、単一膜での光電変化機能を確認した[30]。しかし利用していることより、数平均分子量が厳密に制御さながら、特に短絡電流密度が低く、効率が低いため、光吸収や電荷分離・捕集効率の向上が急務である。

6FKHPHɻSynthetic route of p/n-type all-conjugatedblock polymer by sequential monomer
addition technique based on condensative
chain-growth polymerization.

)LJXUH ɻThe SEC UV curve trace of P3HT(blue)1st
block(P3HT)(Űn = 12,200, ǵM = 1.09)and(red)P3HT-ƅ-P3DFPhT(Űn = 24,700, ǵM = 1.08).

―­80 ―

５．まとめ[8] Gao, L.; Zhang, Z.; Xue, L.; Min, J.; Zhang, J.; Wei, Z.;
Li, Y. Adv. Mater. 2016, 28, 1884-1890.

分子内触媒移動を利用することで、非等モル下での重縮合や縮合的連鎖重合を利用した全共役p型/n型半導体[9] Fan, B.; Ying, L.; Wang, Z.;   He, B.; Jiang, X. -F,;

グラフト/ブロック共重合体の合成が可能になった。特Huang, F.; Cao, Y. Energy Environ. Sci. 2017, 10,にn型半導体ポリマーの鎖末端制御や分子量分布の狭い

1243-1251.

全共役系ブロック共重合体の合成の簡便化に成功した。

[10] Spoltore, D.; Vangerven, T.; Verstappen, P.;

全共役p型/n型半導体ブロック共重合体を単膜として使Piersimoni, F.; Bertho, S.; Vandewal, K.; den

用した非フラーレン系有機太陽電池の作製および初期評

Brande, N. V.; Defour, M.; Mele, B. V.; Sio, A. D.;

価も行い、光電変換機能を有することを示した。

Parisi, J.; Lutsen, L.; Vanderzande, D.; Maes, W.;
Manca, J. V. Org. Electron. 2015, 21, 160-170.

６．謝辞[11] Nomura, N.; Tsurugi, K.; Okada, M. Angew. Chem.,
Int. Ed., 2001, 40, 1932-1935.

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りました松籟科学技術振興財団に厚く御礼申し上げます。ま[12] Nomura, N.; Tsurugi, K.; RajanBabu, T. V.; Kondo,

た、本研究の実施にあたり、ポリマー合成・解析を担当

T. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5354-5355.

した山形大学大学院有機材料システム研究科Jin Wang

[13] Yokoyama, A.; Miyakoshi, R.; Yokozawa, T.
Macromolecules 2004, 37, 1169-1171.

博士、後藤栄祐博士、落合優登氏、寺山幸佑氏、ホール
移動度および非フラーレン系有機太陽電池の評価にご協[14] Sheina, E. E.; Liu, J. M.; Iovu, C.; Laird, D. W.;

力いただきました国立台湾大Chien Lu氏、Wen-Chang

McCullough, R. D. Macromolecules 2004, 37, 3526-

Chen教授に感謝申し上げます。

3528.
[15] Goto, E. Unpublished results. 2013, laboratory

参考文献

notebook 2: P.54 and P.68.

[1] Efficiency chart from NREL HP. https://www.nrel.

[16] Goto, E.; Ando, S.; Ueda, M.; Higashihara, T. ACS
Macro Lett. 2015, 4, 1004-1007.

gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png[2] Che, X.; Li, Y.; Qu, Y.; Forrest, S. R. Nature Energy[17] Nojima, M.; Kosaka, K.; Ohta, Y.; Yokozawa, T.
Polym. Prepr. Jpn. 2015, 64, 1Pa011.

2018, 3, 422–427.
[3] Zhou, Y.; Kurosawa, T.; Ma, W.; Guo, Y.; Fang,[18] Nojima, M.; Kosaka, K.; Kato, M.; Ohta, Y.;

L.; Vandewal, K.; Diao, Y.; Wang, C.; Yan, Q.;

Yokozawa, T. Macromol. Rapid Commun. 2016,

Reinspach, J.; Mei, J.; Appleton, A. L.: Koleilat, G.

37, 79-85.

I.; Gao, Y.; Mannsfeld, S. C. B.; Salleo, A.; Ade, H.;[19] Terayama, K.; Goto, E.; Higashihara, T. Macromol.
Rapid Commun. 2018, 219, 1800175.

Zhao, D.; Bao, Z. Adv. Mater. 2014, 26, 3767-3772.
[4] Zhou, N.; Lin, H.; Lou, S. J.; Yu, X.; Guo, P.; Manley, E.

[20] Terayama, K.; Higashihara, T Polym. Prepr. Jpn.
2018, 66, in press.

F.; Loser, S.; Hartnett, P.; Huang, H.; Wasielewski,
M. R.; Chen, L. X.; Chang, R. P. H.; Facchetti, A.;[21] Woody, K. B.; Leever, B. J.; Durstock, M. F.;

Marks, T. J. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1300785.

Collard, D. M. Macromolecules 2011, 44, 4690-4698.

[5] Kang, H.; Kim, K. H.; Chio, J.; Lee.; Kim, B. J. ACS[22] Mulherin, R. C.; Jung, S.; Huettner, S.; Johnson,

Macro Lett. 2014, 3, 1009-1014.

K.; Kohn, R.; Sommer, M.; Allard, S.; Scherf, U.;
Greenham, N. C. Nano Lett. 2011, 11, 4846-4851.

[6] Lee, C.; Kang, H.; Lee, W.; Kim, T.; Kim, K. H,; Woo,
H. Y.; Wang, C.; Kim, B. J. Adv. Mater. 2015, 27,[23] Sommer, M.; Komber, H.; Huettner, S.; Mulherin,
R.; Kohn, P.; Greenham, N. C.; Huck, W. T. S.

2466-2471.

Macromolecules 2012, 45, 4142-4151.

[7] Benten, H.; Nishida, T.; Mori, D.; Xu, H.; Ohkita, H.;
Ito, S. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 135-140.

[24] Izuhara, D.; Swager, T. M. Macromolecules 2011,―­81 ―

1793.

44, 2678-2684.
[25] Nakabayashi, K.; Mori, H. Macromolecules 2012,[28] Wang, J.; Ueda, M.; Higashihara, T. ACS Macro
Lett. 2013, 2, 506-510.

45, 9618-9625.
[26] Ku, S. -Y.; Brady, M. A.; Treat, N. D.; Cochran, J. E.;[29] Ochiai, Y.; Higashihara, T. Polym. Prepr. Jpn.
2017, 66, 3M13.

Robb, M. J.; Kramer, E. J.; Chabinyc, M. L.; Hawker
C. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16040–16046.

[30] Wang, J.; Lu, C.; Higashihara, T.; Chen, W. -C.

[27] Wang, J.; Lu, C.; Mizobe, T.; Ueda, M.; Chen, W. -C.;
Higashihara, T. Macromolecules 2013, 46, 1783-―­82 ―

Microsyst. Technol. 2017, 23, 1183-1189.

申請者

東京大学

草本

哲郎

ナノスケールフォトスピントロニクスを指向した
有機ラジカルナノシートの創製
東京大学

大学院理学系研究科

草本
１．はじめに哲郎の研究例(特に電子機能解明に関する研究例)は未だ少な

二次元シート構造を有するグラフェンは、2004年の登

く、黎明期にある。

場以来、次世代の電子デバイス(エレクトロニクス・ス

不対電子を有する有機ラジカルは、強磁性、超伝導、

ピントロニクス・フォトニクスデバイス)を担う分子性

長距離電子移動など様々な物理物性を示す機能物質であ物質の主役となっている。その理由は、グラフェンが炭る。これらの物性はラジカルの配列様式や次元性に大き素のみで構成された単純な構造を有し優れた物性を示す

く依存する。これまで、ラジカルの三次元結晶におけることに合わせて、二次元シート構造が既存の半導体デバ

電気特性および磁気特性が精力的に研究されてきた一方

イス作製技術に容易に適用できるからである。様々な望で、ラジカルの発光性に関する研究は皆無である。そのみの性質や機能を示す二次元シート材料の創製は、低コ

理由は(1)ほとんどすべてのラジカルは発光性を示さな

スト、低消費電力、高機能のシステムの実現につながるい、(2)ラジカルが光励起状態において分解する、という重要課題である。

2点に集約されるが、申請者は2014年に、高い光安定性

分子性二次元シート材料を得る手法として、三次元結を有する発光性ラジカルPyBTM(図1a)を開発した[1]。

晶から剥離するトップダウン法と、分子（あるいは原PyBTMは二重項を基とする発光特性という未開拓研究子）を構成単位としてこれを連結して組み上げるボトム

分野を切り開くことができる有力物質である。

アップ法がある。ボトムアップ法には、〇構成単位とな

本研究では、新たな分子性ナノシート材料として、ナる分子を様々にデザインできる、〇適切な分子設計によノスケールで二次元集積化されたラジカル材料(＝ラジり、構成単位同士の結合様式や方向、次元性を自在制御

カルナノシート)を創製し、将来のフォトスピントロニ

できる、のように、グラフェンや無機系ナノシート材料

クスの創出につながるような新機能の開発と解明を目指とは一線を画す特長があり、ボトムアップ法により多様

し、(1)PyBTMの化学修飾ならびに刺激応答性を利用な分子性ナノシート物質を合成することができる。これして、本系において発光機能を支配する要因を明らかにまで電気伝導性や光電変換特性などの機能を示す分子性

し、より優れた発光機能をしめす新奇ラジカルを創出す

ナノシートのボトムアップ合成が報告されてきたが、そる、(2)(1)の知見を基に、発光ラジカルを構成要素とすਦ̏ɿ(a)ラジカルの分子構造と(b)フロンティア軌道のエネルギーダイアグラム。

―­83 ―

る二次元ラジカルナノシートを開発する、の二点を目的

うな影響を与えるか、を調べた。その結果、もともと­として研究を行った。

－0.74 V(vs Fc+/Fc)に観測されていたPyBTMの可逆な還元波が、B(C6F5)3の添加によって－0.14 Vにまでシフ

２．化学刺激によるPyBTMの機能制御と電子状態変化の解明[2]

トすることを見出した。このシフトは、B(C6F5)3により電子を受け取る空軌道のエネルギーが大きく減少した結PyBTMの窒素部位の刺激応答性に着目し、プロトン(H +)、ルイス酸であるB(C 6F 5) 3、Au Iイオンへの配位を利用して、PyBTMの光物性、電気化学特性、電子状
態がどのように変化するか、を調べた。PyBTMを含む
ジクロロメタン溶液にB(C6F5)3を滴下すると、442 nmと575 nmにあらたな吸収帯が現れた(図2a)。最低エネ
ルギー電子遷移である575 nmの吸収帯はD0→D1遷移に相当し、PyBTMのそれよりも長波長シフトした。この
長波長シフトはB(C6F5)3がPyBTMの窒素原子に付加した(＝[(C6F5)3BN-PyBTM](図1a)が生成した)ことにより、ピリジン環上の電子密度が下がったことに起因していると考えられる。吸収スペクトルの形状は[MeNPyBTM]BF 4や[HN-PyBTM]OTf(図1a)のそれらと同様であった。この溶液にルイス塩基としてNEt 3を滴下した結果、スペクトルはPyBTMのそれと似通ったものに変化した(図2b)。これはNEt 3の滴下によりB(C 6F 5) 3がPyBTMから解離しPyBTMが再生成したことを示している。B(C 6F 5) 3とNEt 3の滴下の繰り返し実験によりB(C 6F 5) 3の配位と脱離は可逆的であることが明らかとなった。同様の吸収スペクトルの変化は、化学刺激としてプロトンを用いた際にも観測された。
一方、発光スペクトル測定の結果、B(C 6F 5) 3の滴下により発光極大は586 nmから666 nmへと長波長シフトし(図2c)、NEt3の添加に伴い元のPyBTMの発光スペク
トルと同様のスペクトル変化となった(図2d)。この結果もPyBTMとB(C6F5)3のルイス酸―塩基反応の可逆性を示している。一方で、PyBTMの溶液にプロトンを滴下した際は発光強度が一義に低下するのみであった。
この違いは、窒素原子とB(C6F5)3の結合定数(2.8(5)×10 5m -1)が窒素とプロトンとの結合定数よりも大きいことに起因している。B(C6F5)3を2等量添加したPyBTMのジクロロメタン溶液の発光量子収率は3%であり、発光
寿命は5.5 nsであった。これらの値はPyBTMと大きくは変わらない。
サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を用いて、
PyBTMへの、B(C6F5)3の添加が電気化学特性にどのよ―­84 ―

ਦ̐ɿэDю3\%70भ४ॡটটওॱথྃัप%э&)ю॑‫ع‬ಉ୤ਸइञৎभลઽ५ঌॡॺঝभ૗৲‫ؚ‬जखथэEюऔैप1(W॑‫ع‬ಉ୤ਸइञৎभลઽ
५ঌॡॺঝभ૗৲‫؛‬эFю3\%70भ४ॡটটওॱথ
ྃัप%э&)ю॑‫ع‬ಉ୤ਸइञৎभ৅୾५ঌ
ॡॺঝभ૗৲‫ؚ‬जखथэEюऔैप1(W॑‫ع‬ಉ୤ਸइञৎभ৅୾५ঌॡॺঝभ૗৲‫ཫ؛‬କణশ‫؟‬
QP‫؛‬果、ラジカルの電子受容能が向上したことを意味していい、この二つのラジカルの物性の違いが何に起因するる。

のか、を調べた。その結果、B(C6F5)3への配位により、DFTおよびTDDFT法に基づく分子軌道計算により、

PyBTMのβ-SOMO(129β)の軌道エネルギーが相対的[(C 6F5)3BN-PyBTM]とPyBTMの電子状態の比較を行に大きく減少することが明らかとなった(図3)。この軌

ਦ̑ɿDFT法により計算されたラジカルの分子軌道のエネルギーダイアグラム。黒丸は電子を示す。赤丸はα-SOMOにある電子を示す。

―­85 ―

道は、ラジカルの電気化学特性(CVにおける還元電位)を決める重要なエネルギー準位である。また本系においては128β→129βの電子遷移により軌最低励起状態(D1状態)が形成されることから、129βは吸光・発光特性についても支配的に関与する軌道である。これらの実験および理論計算の結果から、PyBTMの窒素原子のプロトン

ਦ̓ɿ(a)bisPyTMのジクロロメタン溶液の177KにおけるESRスペクトルとそのシミュレーション。(b) DFT法により計算されたス
ピン密度分布(UB3LYP/6-31G(d,p))。

やルイス酸への配位により、主にPyBTMの最低エネル
ギー空軌道である129βのエネルギー準位が下がること、
これに伴い発光波長は長波長シフトし、還元電子は正にシフトすることが分かった。これは、化学刺激を適切に選ぶことで本発光ラジカル系の物性を望み通りに制御でピン密度が炭素や水素原子のみならず二つの窒素原子上きることを意味している。一方で発光量子収率に関してまで広がってることが分かった。これはDFT法を用いはこの通りではなく、結合の強さや分子構造のフレキシ

た計算結果とも一致する。
bisPyTMのジクロロメタン中における発光スペクト

ビリティなど他の要素が支配的であることが予想される。
I

これらの他、PyBTMの窒素原子がAu イオンに配位す[3,4]

ルを測定したところ、650 nmを極大とする発光帯が観、ラ測された。発光量子収率は0.9%であり、PyBTMと比べジカルの二重項蛍光では重原子による発光失活が起こらて低い量子収率であった。量子収率と発光寿命からD 1ることにより発光量子収率が20%を超えることや[5]ない可能性を指摘した 。

状態からの放射速度(kr)と無輻射失活の速度(knr)を算出
した結果、PyBTMに比べkrは小さくknrは大きいことが３．ピリジン環を二つ導入した新規な発光ラジカルの創製と物性評価[6]分かった。二重項発光では無輻射失活の原因として項間交差の寄与は無視できるくらい小さく内部転換が支配的

PyBTMではトリアリルメチル骨格へのピリジン環のであると考えられる。そこで振電相互作用密度解析を用導入が、光安定性向上の要因と考えられてきたが、そいてbisPyTM とPyBTM の内部転換について理論的にの妥当性は明らかでなかった。本研究では、2個のピリ調べ、実験から得られた無輻射失活速度（k r)と比較しジン環がトリアリルメチルラジカル骨格に導入されたた結果、(1)算出された非対角振電相互作用定数からknr

bisPyTM(図4）を新たに合成し、その物性をPyBTMのを推測できること、さらに(2) knr を小さくする(＝φem

それと比較することで、ピリジン環の更なる導入が光物を大きくする)にはD１→D0遷移に関わる軌道の波動関数性や光安定性にどのような影響を与えるかを調べた。

が分子骨格上により非局在化していることが重要である

bisPyTMは図4のスキームに従い合成し、元素分析、こと、を見出した。これは発光ラジカルの無輻射失活の高分解質量分析、ESRや単結晶構造解析により同定し主因が内部転換であることを強く示唆し、それを詳細また。bisPyTMのジクロロメタン溶液のESRスペクトルで解析・解明した初めての例である。光放射速度(kr)には複雑な超微細結結合を示した(図5)。解析の結果、ス

関してはTD-DFT 法で計算されるD１→D0遷移の振動子
強度から見積もられることを明らかにした。
ジクロロメタン、アセトニトリル、アセトン、ヘキ
サン、クロロホルム、メタノール、エタノール中においてbisPyTMの光安定性をPyBTMとTIPSペンタセンのそれと比較した。TIPSペンタセンは高い光安定性を示す有機半導体でありベンチマークとしても用いられる。実験の結果、bisPyTMは光照射下においてアルコール中では分解が見られるものの他の溶媒中では総じਦ̒ɿbisPyTMの合成経路。

てPyBTMとTIPSペンタセンよりも高い光安定性を示し―­86 ―

ルメチルラジカル(TPM)骨格を用いることで発光特性を導入できる可能性がある。
PTM-CHO3を合成し1,4-ジアミノベンゼンとの脱水縮合反応を酢酸共存下ジオキサンを溶媒として150度の温度で試みたところ、得られた化合物のスピン量は予想していた量の0.1％以下であり、目的とするラジカルポリ
マーは得られなかった。この縮合反応を様々な温度で行ਦ̔ɿジクロロメタン中、継続的な光照射下における発光強度の時間変化。

い、反応の進行を溶液の吸収スペクトルで追跡した結果、この反応条件下ではPTM-CHO3が80度以上の温度において急速に分解することがわかった。そこで反応温度た。ジクロロメタン中継続的な光照射下における発光強を80度以下として様々な反応条件を検討したところ、ス

度の時間依存性を調べた結果を図6に示す。bisPyTMはカンジウム塩をルイス酸触媒として用いた場合に室温でPyBTMやTIPSペンタセンに比べ長時間光照射下におい反応が進行することが明らかとなった。元素分析、FT-ても発光強度の減少が少なく、高い光安定性を有するこ

IR、ESR、CV測定の結果は生成物質がTPM骨格を有すとがわかる。これは、窒素原子の導入により空軌道のエるラジカルナノシートであることと矛盾しない。ラジカ

ネルギー準位が低下したことと関連していると考えていルナノシートのスピン量は60％であり、不対電子を有する。この実験結果は、ヘテロ原子の導入が発光性ラジカ

るTPM骨格の中心炭素原子の一部がC-Hとなっている

ルの光安定性向上に有力な手法であることを示唆していと考えられる。SQUIDの測定結果から、スピン間に反る。

強磁性的な相互作用が働いていることが示唆された。今後ラジカルナノシートの不対電子に基づく酸化還元特４．ラジカルナノシートの創製

性、多孔性を活かした応用として、電極材料へ導入する

有機ラジカルを構成要素とするナノシート＝ラジカル

ことを考えている。

ナノシートをボトムアップ合成するために図7のような方法を考えた。アルデヒドとアミンを用いたイミン結合

５．終わりに生成に基づくこの方法は、これまでも有機ナノシート合

ラジカルの二重項に基づく発光特性は研究例が少な

成にしばし用いられてきた有力な合成手法である。このく、構造―物性―電子状態の相関といった基礎科学的理手法ではラジカル構成単位同士がπ共役系で連結される

解もまだまだ未解明である。本研究では、発光性ラジカ

ため、ラジカル不対電子が広く非局在化し、有効なスピ

ルPyBTMの化学刺激存在下における電子状態や物性をン―スピン間相互作用が期待できる。さらにトリフェニ

調べ、プロトンやB(C6F5)3の付加がPyBTMの最低エネ
ルギー空軌道である129βのエネルギー準位を下げることを見出した。これが原因となり、発光波長が長波長シ
フトし還元電位が正にシフトする。bisPyTMとPyBTMの比較により、ピリジン環のトリアリルメチルラジカル
骨格への導入が光安定性を向上させることを明らかにした。これらの結果はラジカルの発光機能の基礎理解を大きく前進させるものである。新しい二次元材料として、ラジカルを構成要素とするラジカルナノシートを合成した。二次元材料は三次元バルク材料とは異なる物性や機能を示すとして大きな注目を集めている。本研究ではラジカルナノシートの特異な物性を見出すには至らなかっਦ̕ɿラジカルナノシートの合成。

たが、今後この材料の磁性、伝導性、電子移動特性、物―­87 ―

質輸送能、熱電特性などを調べ、二次元構造に基づくユTsuchiya, Y. Yamanoi, E. Nishibori, K. Sugimoto,

ニークな物性を明らかにするとともに、ナノシートの特and H. Nishihara ‘‘Solvent-Controlled Doublet

性を生かした応用、例えば電池材料への応用などを進めEmission of an Organometallic Gold(I) Complex with

る予定である。

a Polychlorinated Diphenyl(4-pyridyl)methyl Radical
Ligand: Dual Fluorescence and Enhanced Emission

６．謝辞

Efficiency’’ Inorg. Chem. 56, 3909–3915 (2017).

本研究を遂行するにあたりご支援賜りました公益財団

4. Y. Hattori, T. Kusamoto, T. Sato, and H. Nishihara

法人 松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。

‘‘Synergistic Luminescence Enhancement of a
Pyridyl-substituted Triarylmethyl Radical Based７．参考文献on Fluorine Substitution and Coordination to Gold’’

1. Y . H at tor i , T . K usamot o, and H . N ish ih a r aChem. Comm. 52, 13393–13396 (2016).

‘‘Luminescence, Stability, and Proton Response

5. Y. Hattori, S. Kimura, T. Kusamoto, H. Maeda, and H.

of an Open-Shell (3,5-Dichloro-4-pyridyl)bis(2,4,6-

Nishihara ‘‘Cation-responsive turn-on fluorescencetrichlorophenyl)methyl Radical’’ Angew. Chem. Int.

and absence of heavy atom effects of pyridyl-Ed., 53, 11845–11848 (2014).

substituted triarylmethyl radicals’’ Chem. Comm.
54, 615–618 (2018).

2. T. Kusamoto, S. Kimura, Y. Ogino, C. Ohde, andH. Nishihara ‘‘Modulated Luminescence of a

6. S. Kimura, A. Tanushi, T. Kusamoto, S. Kochi,

Stable Open-shell Triarylmethyl Radical: Effects of

T . S a t o , a n d H . N is h ih a r a ‘‘A Lu min e scent

Chemical Modification on its Electronic Structure

Organic Radical with Two Pyridyl Groups: Highand Physical Properties’’ Chem. Eur. J. 22, 17725–

Photostability, Dual Stimuli-Responsive Property,

17733 (2016)

and Theoretical Analyses of Photophysical

3. Y. Ogino, T. Kusamoto, Y. Hattori, M. Shimada, M.

―­88 ―

Processes’’ Chem. Sci. 9, 1996–2007 (2018).

申請者

北海道大学

小林

厚志

発光性Pt(II)錯体配位子からなる
環境マルチセンシングナノ集積体の構築
北海道大学

大学院理学研究院

小林厚志

１．研究背景と目的
クロミズムはある外部刺激に対して可逆的に物質の色が変化する現象であり、光、温度、圧力や蒸気といった様々な物理パラメータを目に見える色として出力できることから「センサー」を構築する中枢現象であり、様々な分野で応用されている。我々はこれまでに、ジイミン
白金(II)錯体を発色/発光団として用いて、ガスや蒸気の吸脱着に基づいて可逆的に色変化を起こすベイポクロ
ミック錯体を数多く開発してきた。[1-3] これらはいずれ

ਦ̏ɻ錯体１の分子構造

も平面型白金(II)錯体の分子間Pt-Pt相互作用を発色団として活用したものであり、蒸気吸脱着という微細な構造変化を本発色団が鋭敏に検出可能な優れたプローブであ力を有するホスホン酸基を導入した錯体１(図１)を新規る事を明確に示している。一方、これらのベイポクロミに合成した。用いる有機配位子4,4'-ジホスホン酸-2,2'-ビ

ズムは、結晶構造に強く依存したバルク固体としての性ピリジンは既報に参考に行い、[4] ジシアニド白金(II)と質であり、また高価な白金を多量に使用してしまう。

アンモニア水中で２日間加熱還流することで得た。X線

そこで本研究ではこれらの問題点を克服するべく、優構造解析に適する単結晶は、得られた粗生成物を最小量れた発光団かつセンサー機能を発現するジイミン白金の水に溶解させ、アセトン蒸気を用いた気-液拡散法に(II)錯体分子を、酸化物ナノ粒子表面へ固定化しながらより、５水和物を含むオレンジ色結晶(１・5H2O)としナノ薄膜化させることで使用白金量を極少量に抑えつて得た。また、このオレンジ色結晶を最小量の水に溶解

つ、固体状態のみならず分散状態でもそのセンサー機能

させ、エタノール蒸気を用いた気-液拡散法により、水を発現し得る「発光性ナノセンサー」の開発を目指して

和水を含まない無色結晶(１)も得た。

研究を行った。
３．結晶構造２．分子設計と合成得られた錯体１の無水物相と５水和物相の結晶構造を

我々はこれまでに、カルボン酸基を有するジイミン系

図２に示す。いずれも平面四配位型Pt(II)錯体がa軸方Pt(II)錯体が水蒸気などの高極性溶媒蒸気に対して鋭敏

向へ積層した結晶構造を有していたが、分子間白金間な発光色変化を示すことや、その発光色変化が分子間白相互作用という観点では著しく異なっていた。すなわ

金間相互作用の変動に基づくものであることを見出してち、無水物相では積層軸がジグザグ型になった結果、隣本研究では、高価な白金資源の使用量削

接Pt(II)イオン間の距離が4.59Åと非常に長い一方(図２減と結晶構造非依存型クロミズムを目指し、ジイミン系a)、５水和物相では直鎖型に積層しており、隣接Pt(II)Pt(II)錯体骨格に対し、酸化物固体に対して安定な結合

イオン間の距離が3.39Åと顕著に短くなっていた(図２

きている。

[1-3]

―­89 ―

ਦ̐ɻ(a)無水物相１と(b)５水和物相１・5H2Oの結晶構造b)。これは、白金間相互作用を示すしきい値3.5Åよりた。これは無水物結晶の発光スペクトルと酷似しておも短いことから、水和水の有無により分子間白金間相互り、加熱乾燥により全ての水和水が取り除かれた結果、作用のON-OFF制御が可能なことを示す有望な結果と考

分子間白金間相互作用が消失したことで、発光起源が白えられる。ホスホン酸基のP-O結合距離に注目すると、

金間相互作用に基づく3MMLCT(Metal-Metal-to-Ligand

無水物相ではいずれのホスホン酸基にも２つのプロトン

Charge Transfer)発光から配位子中心の3π-π*発光へ切が結合しており分子全体として中性を保っていたが、５り替わったためと考えられる。一方、５水和物結晶を水和物相では２つのホスホン酸基のうち片方は１つしか室温減圧条件下で乾燥させると、701 nmを発光極大とプロトンが結合していないことが示唆された。したがっする赤色発光体へと変化した。減圧乾燥体の結晶構造はて、高い酸性度を有するホスホン酸基は、水和水を取り未だ不明なものの、発光極大波長がレッドシフトした

込む際に水和水の一部をプロトン化する可能性があり、ことから、分子間白金間相互作用が増強されたことで本錯体１が分子間白金間相互作用のON-OFF制御と同時にプロトン脱着が連動する稀有な例になりえることが示唆された。
４．発光特性
錯体１が無水物で無色、５水和物ではオレンジ色と顕著に異なる色を示したことから、水和数に応じて発光色が大きく変化することを期待して、発光スペクトル変化を検討した。図３に、５水和物結晶と、５水和物結晶を加熱乾燥(1-H)または減圧乾燥(1-V)した固体サンプルの発光スペクトルを示す。乾燥前の５水和物結晶は585nmにブロードな発光帯を示す黄色発光体であったが、加熱により水和水を取り除くと、469 nmを極大とする振動構造を伴う青緑色発光体へ変化することが分かっ―­90 ―

ਦ̑ɻ錯体１の発光スペクトル変化（室温、固体状態、
̬ex = 400 nm）*分光器ノイズ

3

MMLCT発光状態が安定化したことが、発光色変化の一因として考えられる。いずれの乾燥サンプル1-H, 1-V
も飽和水蒸気下において徐々に元の５水和物結晶へ戻る
ことから、錯体１が乾燥過程を認識可能なベイポクロ
ミック発光を示す稀有な例であることが確認できた。
いずれの乾燥過程も水和水を取り除くという観点では同じであるにもかかわらず、加熱乾燥と減圧乾燥で全く異なる変化を示したということは非常に興味深い。現在
そのメカニズムを解明するべく検討を進めているが、IRスペクトルなどを用いた予備検討から、減圧乾燥体
では水和水の一部が脱離せずに残存するのに対して、加熱乾燥体では完全に無水物へ変化しているという違いがਦ̒ɻ@TiO2の発光スペクトル変化（室温、固体状態、
̬ex = 400 nm）

示唆されており、残存する水分子の存在が乾燥過程を識別する鍵であろうと推測している。
５．発光性ナノ集積体の構築と水蒸気応答性

えられる発光バンドは、飽和水蒸気に晒すことで徐々に錯体１が固体状態において、乾燥と水蒸気に応答した発光強度が減少しつつレッドシフトし、７時間暴露後は興味深い発光特性を示したことから、相対湿度変化の検約30 nmも長波長シフトすることが確認できた。この発出に対して有望な発光団と期待される。しかしながら、

光帯のレッドシフトに関するメカニズムは現在検討中でこの機能は固体中における分子間白金間相互作用に基づあるが、錯体１をTiO 2ナノ粒子に固定化しても、水蒸

くものであり、溶液中などの希薄条件下では機能しな気の存在を鋭敏に感知可能な発光団として機能し得るこい可能性がある。そこでこのような欠点を克服する目的とが確認されたことは、非常に意義深い。今後、このメで、錯体１を酸化物ナノ粒子表面へ固定化し、分子間白カニズムを解明しつつ、水蒸気のみならず多様なゲスト

金間相互作用が発現し得るのかを検討した。酸化チタン

分子(有機溶剤、金属イオンなど)をより鋭敏に検知可能ナノ粒子(堺化学工業社製SSP-M、粒子径約15 nm)を錯なナノセンサーの開発へとつなげていきたい。

体１の水溶液に懸濁させ、室温で１日撹拌した後に、超遠心分離によって、目的とする錯体１担持TiO 2ナノ

６．まとめと今後の展望

粒子(1＠TiO2)を単離した。この際、分離した上澄み液

本研究では、優れたセンシング機能を発現し得る発光に残存している錯体１の濃度をUV-Vis吸収スペクトル性Pt(II)錯体をより実用的なセンサー系へと適応させるから算出し、TiO 2ナノ粒子表面積と錯体１の分子体積べく、高い親水性と酸化物表面への強い結合力を有するから錯体１の被覆率を概算すると97％となり、TiO 2ナ

新たな発光性白金錯体１を合成し、その結晶構造を決定

ノ粒子表面は錯体１によりほぼ完全に被覆されているこするとともに興味深い水蒸気応答型ベイポクロミック特とが示唆された。図４に1＠TiO2の発光スペクトルを示性を示すことを見出した。従来型のカルボン酸を有するす。1＠TiO2は減圧乾燥条件下において、TiO2ナノ粒子系と比較して、水和水を取り除く過程を認識する能力がには存在しない616 nmにブロードな発光帯を示したこ

あること、またそれがホスホン酸基の高い酸性度に関連とから、錯体１がTiO 2ナノ粒子表面に固定化され、発していることを明らかとした。さらに、酸化チタンナノ

光団として機能することが確認された。注目すべきこと

粒子に錯体１を固定化しても、水蒸気に応答したベイポに、観測された発光極大波長616 nmは錯体１の５水和

クロミック発光性を示すことを確認し、本研究戦略の有物結晶よりもレッドシフトしており、TiO 2ナノ粒子表効性が実証できた。今後は、固定化に用いるナノ粒子の面においても強い白金間相互作用を保持していると考え

粒径や組成、錯体１の担持量などを系統的に制御し、水3られる。それに加えて、1＠TiO2の MMLCT発光帯と考蒸気のみならず様々なゲスト分子を認識可能なナノセン―­91 ―

2016, 22, 2682-2690.

サーの開発を目指し、さらに研究を展開させていく予定[3] A. Kobayashi, S. Oizumi, Y. Shigeta, M. Yoshida, M.

である。

Kato, Dalton Trans. 2016, 45, 17485-17494.
謝辞[4] W.-S. Han, J.-K. Han, H.-Y. Kim, M. J. Choi, Y.-S.
Kang, C. Pac, S. O. Kang, Inorg. Chem. 2011, 50,

本研究を遂行するにあたり、研究助成を賜りました公

3271-3280.

益財団法人松籟科学技術振興財団に感謝申し上げます。
また、本研究に対してご助言頂きました北海道大学大学

発表論文

院理学研究院の加藤昌子教授と吉田将己助教、精力的に[1] A. Watanabe, A. Kobayashi, E. Saitoh, Y. Nagao,

実験を進めてくれた北海道大学大学院総合化学院の学生

S. Omagari, T. Nakanishi, Y. Hasegawa, W. M. C.

諸氏（重田泰宏氏、大泉詩織氏、山本尚孝氏）に深く御Sameera, M. Yoshida, M. Kato, Inorg. Chem. 2017,

礼申し上げます。

56, 3005–3013.
[2] Y. Shigeta, A. Kobayashi, M. Yoshida, M. Kato,
Cryst. Growth Des. 2018, 18, 3419-3427.

参考文献[1] A. Kobayashi, M. Kato, Eur. J. Inorg. Chem. 2014,[3] A. Kobayashi, N. Yamamoto, Y. Shigeta, M.
Yoshida, M. Kato, Dalton Trans. 2018, 47, 1548-

4469-4483.
[2] Y. Shigeta, A. Kobayashi, T. Ohba, M. Yoshida, T.
Matsumoto, H.-C. Chang, M. Kato, Chem. Eur. J.

―­92 ―

1556.

申請者

大阪大学

髙島

義徳

材料間の直接接合に着目した異種材料間接着
大阪大学

高等共創研究院理学研究科

髙島

義徳【研究の背景】【序論】
人間は古から「もの」と「もの」の接着に必ず接着剤

これまでに我々は高分子ヒドロゲルに環状多糖のシクを利用しており、科学技術は発展した現代社会においてロデキストリン(CD)を修飾したCD gelと対応する疎水も、材料間の接合に接着剤は欠かすことができない材料

性ゲスト分子を修飾したGuest gelとが分子選択的に接になっている。通常、材料間の接着には同種の材料間を着することを発見した(Nat. Chem. 2011、図２)1。さら接着させることは容易であり、柔らかく、平滑でない材にこのような分子認識に基づいた接着は異種材料間にお料の接着は比較的容易と考えられている。これは材料間いても対応し、ゲスト分子修飾ガラス基板とCD gelとの接着には主にアンカー効果による寄与が大きいためでの間で接着制御を達成した(Macromol. Rapid Commun.

ある(図１)。ファンデルワールス力による効果も提唱さ2014、図３) 2。このような異種材料間の接着に非共有れているが、明確に接着を制御できるわけではない。よっ結合を通した接着から共有結合を通した接着に展開するてガラスや金属など硬度の高い材料と有機物からなる高ため、鈴木カップリング反応をもちいた共有結合形成に分子材料を接着させるには特殊な技術が必要となる。
二つの材料の接合に接着剤を使用しない接合が実現できれば、作業工程を軽減できだけでなく、材料が一体となることで高強度を示すことが期待される。
本研究課題では材料間の接合に接着剤を用いるのではなく、接触界面で直接共有結合形成や非共有結合形成を行うことで、｢もの」と「もの」との直接接合させる革新的な方法を提案する。特にこのような非共有結合・共ਦ̐ɿ分子認識に基づいたゲルの接着。

有結合といった結合形成を通した接合は二つの材料が化学的に融合された材料であり、新たな複合材料の創製に繋げる。

ਦ̑ɿ分子認識を通した異種材料の接着。

ਦ̒ɿ共有結合形成を通した異種材料の接着。

ਦ̏ɿ材料間の接着界面の想定図―­93 ―

種材料を化学結合で接着することと考えた。これによって接着層の凝集破壊はなくなる。我々は異種材料間の接着において、これまでのガラスと高分子材料間の接着か
ら、製造において要求の高い①金属基板(アルミおよび鉄)と高分子材料との異種材料直接接着や②金属基板間の直接接着を試みた。さらにこの材料間の接着に③非共有結合(ホスト－ゲスト相互作用)と共有結合を組み合わせ直接接合に取り組む。非共有結合を利用することで熱力学的に安定な結合形成と可逆性が付与できる(図５)。
よって、自己修復的接着機能が付与できる。さらに結合の自由度が高いために、急激な界面剥離を抑制できる。
このように熱力学支配の非共有結合と速度論的支配の共ਦ̓ɿ本研究の共有結合と非共有結合を組み合わせた異種材料間接着の概念図

有結合を組み合わせることで、生体系に近い、より理想的な接着が構築できると考えた。

よるガラス基板とゲルの異種材料間の直接接着に成功し【本研究課題の成果】

た。このような直接接着は従来の接着剤を用いた接合と（１）共有結合形成を通した異種材料間接着は異なり、接着層が存在しないため、より強い直接接着

膨潤したゲルを薗頭クロスカップリング反応に用いたを達成した(Sci. Rep. 2014、図４)3。これらの研究は共接着実験を試みた。この反応では、パラジウム触媒、銅有結合を通した接着は二つの物質が共有結合で接合して触媒、塩基の存在下でアルキンとハロゲン化アリールがいることから、新たな有機・無機融合材料を創製する方

クロスカップリングして共有結合を形成する4,5。

法と考えられる。

オルガノゲルの主鎖には有機溶媒に親和性のあるポリスチレンを選択した。接着の反応性官能基としてヨウ化【本研究課題の目的】

アリール基を導入したI-Sty-gelとエチニル基を導入した

材料間の接着は積極的に化学結合を利用することにあ

E-Sty-gelをそれぞれラジカル共重合で作製した(図６)。

る。通常の接着では、接着層が存在しており、その接着

I-Sty-gelとE-Sty-gelに対して、アルゴン雰囲気下、トリ層の凝集破壊や被着体破壊が接着強度低下の要因であエチルアミン存在下でパラジウム触媒、銅触媒を添加しる。本研究課題は究極の接合強度向上の方策は二つの異たところ両者の接着を確認した。その際に、触媒、ヨウਦ̔ɿ薗頭クロスカップリング反応をそれぞれ用いてゲル間に共有結合を直接生成させて、接着層の存在しない強靭な接合体を得ることに成功した。

―­94 ―

ਦ̕ɿ(a)表面に反応性官能基を修飾したガラス基板材料の化学構造。(b)薗頭クロスカップリング
反応をそれぞれ用いたガラス基板と高分子ゲル間の異種材料間接合。

化アリール、エチニル基のいずれかの要素を欠いた場合でパラジウム触媒、銅触媒を添加したところ、反応開始

は接着しなかった。また、I-Sty-gelとE-Sty-gelの接着強

24時間後には両者は接着した。基板とゲルの反応性官能度をクリープメーターによる引っ張り試験で評価したと基の組み合わせを逆にしたE-Sty-gelとI-Subの組み合わ

ころ、反応性官能基の導入量の増加に従いゲル間の接着せにおいても接着が確認された。一方で、触媒、エチニ

強度が増加しており、オルガノゲル間の接着が薗頭クロ

ル基、ヨウ化アリール基のいずれかがない場合、基材は6

接着しなかった。同様に摩擦試験により接着強度を評価

スカップリング反応で形成された 。
さらに、薗頭クロスカップリング反応を用いて高分子したところ、ゲルの反応性置換基の導入量が増加するに

ゲルと無機ガラス基板の接着を行った。高分子ゲルには伴い、接着強度の増加が観測された。さらに、この薗頭

I-Sty-gelとE-Sty-gelを選択した。ガラス基板はI-Sub、

クロスカップリング反応を用いた場合でも、接合を有機

もしくはE-Subを用いた(図７(a))。アルゴン雰囲気下で溶媒に浸漬しても接着が保持されることが確認された6。

I-Sty-gelの上にE-Subを重ね、トリエチルアミン存在下

これらの異種材料間の接着では、両者が共有結合で直ਦ̖ɿホストゲスト架橋接着法の模式図と実際の接合の様子。

―­95 ―

接に接合されているために接合層が存在せず、接合体がHGとCCについて引張試験を行いったところ、HGの接あたかも新しい一つの物質であるかのような強靭な接合

合部の剪断応力は6.0MPa、CCの接合部では3.7MPaであを示した。

り、HGの方が1.6倍の高い値を示した。両者の破断面を共焦点レーザー顕微鏡にて観察したところ、どちらも（２）分子認識と共有結合形成を通した異種材料間の接着

Acryl sub上に接着層が残っていた。この剪断は凝集破さらに強力かつ柔軟な接着技術の開発を目指し、接着壊であり、被着体との接合部は接着状態を保っていたこの対象を金属基板としてホストゲスト相互作用での架とが確認された。

橋、接着を試みた。図８に示したように、アルミニウム

ここで、一度破断したHG、CCのそれぞれについて、合金の基板にプラズマ処理を施して親水化した後、シラ

破断面にイオン交換水15µLを塗布してから、その面をンカップリング剤の3-(アクリルオキシ)プロピルトリメ

元通り合わせた状態で圧着した。圧着状態で終夜静置後トキシシランで処理して、表面に重合性のアクリレーに、真空乾燥して水を除去すると、基板同士は再接着

ト官能基を修飾した基板Acryl subを得た。続いて、βしていた(図10(a))。このサンプルの引張剪断試験と再CDとアダマンタンの各ビニル誘導体を水中で混合して接着を繰り返し行った。ここで、第N回目のせん断応力

包接錯体を形成させ、さらに、AAmとペルオキソ二硫(Nth stress)を第1回目の剪断応力(モノマー溶液を重合

酸アンモニウムを加え、ホストゲスト超分子マテリアルさせて得た初回値)で除した値を剪断応力回復率としてのモノマー溶液を調製した(モノマー濃度 4mol/kg)。

算出、評価した(図10(b))。2nd stressでCCの剪断応力

Acryl sub上にモノマー水溶液を15µL塗布し、もう一回復率が10%であったのに対し、HGは100%の回復を示

枚のAcryl subで塗布面を挟み込むように被せて圧着しした。その後、破断と再接着を5回繰り返しても、HGはた。この状態にて70℃で12時間加熱してモノマー溶液の80％以上の剪断応力回復率を維持していた。

重合反応を進行させた後、真空乾燥して溶媒の水を除去

HGを一度剪断後に、その破断面に競争阻害ゲスト分した。乾燥後、1対のAcryl subは強固に接合されてお子であるアダマンタンカルボン酸ナトリウムの0.1M水り、ホストゲスト架橋接着体HGが得られた。比較サン溶液を塗布して圧着し、再接着を試みたところ、HGのプルとして、ホストゲスト架橋の代わりにMBAAmを

剪断応力回復率は21%にとどまった。これは、HGの再架橋剤とした化学架橋接着体CCも作製した(図９)。

接合にはホスト-ゲスト相互作用の重要性を示唆する結ਦ̗ɿホストゲスト架橋接着層、および、比較対象の化学架橋接着層のそれぞれの推定化学構造。

―­96 ―

ਦɿ(a)再接着評価試験の手順。(b)引張剪断による再接着時の接着力の回復評価。ホストゲスト
架橋(左)では5回の接着を繰り返しても80%もの接着強度を維持している。一方、比較対象の化学架橋接着(右)では一度破断が起こると以降の接着力にはほどんど回復がみれらない。

な結合は応力が加えられたときに、ある一点に応力が集果である。
以上の結果より考察すると、HGが破断するときは、中するのではなく、分散が図れることで、材料自身の破高分子鎖の共有結合よりも非共有結合であるホスト-ゲ

断歪が向上するという点である。また可逆的な結合であ

スト架橋点が優先的に切断され、そのため、再接着操作

るため、材料内部で結合が切れたとしても、再形成によ

では界面間にて再度ホストゲスト架橋点が形成して材料

り、材料強度の回復や再接着などの自己修復が期待でき強度の回復に繋がったとみられる。また、ここに競争阻る。当研究室では、シクロデキストリン(CD)と疎水性害剤を添加した場合は、HGのホストゲスト錯体形成がのゲスト分子からなる包接錯体をゲルの架橋点とするこ抑えられ、接着強度が低下したものと考えられる。一とで、自己修復性や高靱性を有する超分子材料を作製し方、CCの破断では化学架橋が剪断によって不可逆に破た。本研究では、高分子側鎖に様々なゲスト分子を導入

壊されており、CCがわずかに示した非常に低い剪断応

し、CDとゲスト分子の会合定数等の違いが力学物性へ

力回復率は、表面のポリマーの絡み合い効果によるものと及ぼす影響について検討した。
αCDまたはβCDに対してN-ヒドロキシメチルアクリと考えられる。

ルアミドを修飾したホストモノマー(CDAAmMe)を用（３）自己修復性の接着層の開発いた。αCDAAmMeに対する直鎖アルキルゲストモノ

近年、高分子材料の作製に当たり、従来の化学架橋を

マーはブチルアクリレート(Bu)、ヘキシルアクリレー

駆使した材料設計ではなく、可逆的な非共有結合を利用

ト(Hex)、オクチルアクリレート(Oct)、ドデシルアク

した材料設計が盛んに行われている。このような可逆的リレート(Dod)を選択した。またβCDAAmMeに対し―­97 ―

＜CDAAmMe-R gelとCDAAm-R gelの比較＞
CDから主鎖までのリンカーの長さが長いα
CDAAmMeと短いαCDAAmで材料物性を比較した。
その結果、αCDAAmMe-Oct hydrogelとαCDAAmOct hydrogelは化学架橋型のAAm hydrogelよりも高い応力と歪を示した(図12)。また、αCDAAmMe-OcthydrogelのほうがαCDAAm-Oct hydrogelよりも高い破断応力と歪を示した。これは、αCDAAmMeの方がポリマー主鎖からの距離が長いため、CD部位の可動性が向上したためと考えた。
＜αCDAAmMe-R gelにおける置換基と力学物性の関係＞
αCDAAmMe-Oct hydrogelをシート状に整形後、固定したカッターの刃に強く押し付けたところ、刃はゲルシートを貫通せず、高靱性を示した(図13)。このような高靭性の起源を調べるために、種々のアルキル側鎖を有するαCDAAmMe-R hydrogelsの力学物性を比較した。

ਦɿCDAAmMe-R hydrogels と xerogelsの化学構造

図14aに導入率1-3mol%のヒドロゲルでの破断応力を破断歪を比較した。アルキル鎖長の上昇に応じて破断応力てはイソボロニルアクリレート(Ibr)、アダマンチルアが上昇する傾向が見られた。破断応力と会合定数の関係

クリルアミド(AdAAm)、ヒドロキシアダマンチルアクを見ると、会合定数の上昇に伴い、破断応力が上昇する

リレート(HAdA)、エチルアダマンチルアクリレート

挙動が見られた。通常、応力が上昇すると、破断歪は減(AdEtA)を用いた。超分子ヒドロゲル(CDAAmMe-R

少するが、αCDAAmMe-Dod hydrogelにおいて高い破hydrogels)はCDAAmMeと適切なゲストモノマーを混合し、アクリルアミド(AAm)、または低T g モノマーであるトリエチレングリコールアクリレート(TEGA)とのラジカル共重合により得た。さらに乾燥体のCDAAmMe-R xerogels も得た(図11)。力学特性は引っ張り試験により評価した。
ਦɿHighly toughness of αCDAAmMe-Oct hydrogel.

ਦɿComparison of stress and strain of D α
CDAAmMe-R hydrogels and E βCD AAmMe-R
hydrogels and each assistant constants between CD
and guest molecule.5,6ਦɿαCDAAmMe-Oct hydrogel, αCD AAm-Octhydrogel、 reference hydrogelの力学特性。

―­98 ―

断応力と破断歪の両方が上昇する傾向が見られた。αに、ガラス転移点の低いTEGAを主鎖成分に選択し、β

CDAAmMe-Bu hydrogelとαCDAAmMe-Dod hydrogel

CDAAmMe-R TEGA xerogelを作製した。切断したキを比較すると破断歪が上昇しており、アルキル側鎖の分セロゲルの破断面を接触させると、再接着することが分子鎖長が破断歪に影響していた。

かった。自己修復率はβCDAAmMe-AdAAm xerogel＜βCDAAmMe-R gelにおける置換基と力学物性の関係＞が最も高く、初期の材料強度に対して、25％まで回復す

βCDAAmMe-R hydrogelsの力学物性を図14bに示ることが分かった(図15b)。このようは再接着を通したした。導入率1-3mol%のヒドロゲルでの破断応力と破自己修復性は化学架橋されたTEGA xerogelでは観察さ断歪を比較した。βCDと各々のゲスト分子の会合定数れ無かった。βCDAAmMe-AdAAm xerogelに導入さの上昇に伴って、βCDAAmMe-R hydrogelsの応力がれたβCDとアダマンチル基の錯体形成を通して、自己上昇する挙動が観察された。一方で、βCDAAmMe-R

修復が発現していると考えられる。

hydrogelsはαCDAAmMe-R hydrogelsで観察されたよ
うな高い破断歪は観測されなかった。選択したシクロア（４）力学的刺激を可視化する材料の開発

ルキル基のゲスト分子は棒状の構造ではない。その結本研究ではCDのゲスト分子としてフェノールフタレ

果、応力が加えられたときにβCDはゲスト分子を可動

イン(PP)を選択した。塩基性水溶液中においてPPは赤する領域を持たないため、破断歪が比較的抑制されたと色だが、CDに包接されることで無色透明になる。この考えられる。

性質を利用して外部刺激によって色調変化を示す材料の＜βCDAAmMe-R TEGA xerogelの自己修復特性＞作製を行った。さらにTgの低い主鎖を用いることで乾

CDAAmMe-R hydrogelsの大きな特徴として、化学架橋を含まず、可逆的な結合で架橋されているところ

燥状態での自己修復性の付与を行った。
【実験結果と考察】が特徴である。このような可逆的結合を利用して、αポリヒドロキシエチルアクリレート(pHEA)を主鎖

CDAAmMe-Oct hydrogelの自己修復性を調べた。α

としたヒドロゲルにCDとPPを導入したHEA βCD-PP

CDAAmMe-Oct hydrogelをカッターで破断し、破断面

gel(x,y)を作製した(図16)。xとyはそれぞれβCDモノ

どうしを接触させると、再接着した(図15a)。ヒドロゲ

マーとPPモノマーの仕込み率を示している。HEA βルで確認された自己修復性を乾燥状態でも実現するため

CD-PP gel(2,2)を乾燥させたキセロゲルについて自己修復性を確認した。一度切断したゲルを切断面で接触させ24時間静置したところ、ピンセットで持ち上げても剥がれ落ちることなく持ち上げることができた(図17)。乾燥状態でも自己修復性を付与することに成功した。
同様にポリアクリルアミド(pAAm)を主鎖としたਦɿChemical structure of βCD-PP gel.

ਦɿ D Self-healing of αCDAAmMe-Oct hydrogel.
E Self-healing ratio of βCD AAm Me-Guest
xerogels.

ਦɿSelf-healing experiment of HEA βCD-PP gel (2,2).

―­99 ―

ばされながら架橋点が組み換わるので、初期ネットワー
ク架橋とは異なるホストとゲストの対で架橋点が形成され、大きなヒステリシスを生じたと考えられ、従来の接着剤にはない特徴が生み出せた。これは化学架橋接着材
料では化学結合の架橋点は定常であるため、弾性変形挙動を示すものの、結合の組み換えは期待できない。超分ਦɿColor change experiment of AAm βCD-PP gel (2,2).

子接着材料は外部応力による変形に対して動的に架橋点を組み換えられるという性質は、超分子接着材料が高い
破断応力、破断歪みを示した実験事実を支持するものと

AAm βCD-PP gel(2,2)を作製した。このゲルに競争分

言え、今後、さらなる発展のため、研究課題を継続させ子(PP以外の別のゲスト分子)や熱を与えたところ、無る(図19)。

色透明から赤色に呈色した(図18)。これらの刺激がβCDとPPの包接錯体を解離させることによるものだと考【参考文献】えられる。

(1) Harada, A.; Kobayashi, R.; Takashima, Y.;
Hashidzume, A.; Yamaguchi, H. Nat. Chem. 2011,【結言】

3, 34-37.

研究課題全体を通して、超分子錯体形成を通した異種(2) Takashima, Y.; Sahara, T.; Sekine, T.; Kakuta, T.;

材料間接合と新たな接着層の構築のため、超分子接着材

Nakahata, M.; Otsubo, M.: Kobayashi, Y.; Harada, A.

料の開発に取り組んだ。超分子接着材料の特徴として、

Macromol. Rapid Commun., 2014, 35, 1646-1652.

昇温によってポリマーの運動性が上がると、ホストゲス(3) Sekine, T.; Kakuta, T.; Nakamura, T.; Kobayashi, Y.;

ト錯体の結合・解離によるホストゲスト架橋の組み換

Takashima, Y.; Harada, A. Sci. Rep. 2014, 4, 6348.

えも活発になる。結果、外力によりポリマー鎖が引き伸(4) K. Sonogashira, Y. Tohda, N. Hagihara, Tetrahedronਦɿホストゲスト架橋の接着層破壊の推定機構。ホストゲスト架橋部は外部からの応力に対して、結合の生成・解離を起こすことで応力を分散させ、柔軟かつ強靭な接着を実現しているものと考えられる。一方、化学架橋では架橋の破壊は不可逆であり、応力の集中に弱く、再修復も示さない。

―­100 ―

Lett. 1975, 50, 4467.

accepted (doi.org/10.1246/cl.180528).

(5) K. Sonogashira, J. Organomet. Chem., 2002, 653,

(8) Takashima, Y.; Sawa, Y.; Iwaso, K.; Nakahata, M.;
Yamaguchi, H.; Harada, A. Macromolecules, 2017,46.

50, 3254-3261.

(6) T. Sekine, Y. Takashima, H. Yamaguchi, A.
Harada, Chem. Lett., 2016, 45, 1250.

(9) Takashima, Y.; Yonekura, K.; Koyanagi, K.; Iwaso,(7) Takashima, Y.; Shojima Y.; Sekine T.; Osaki M.;
Kobayashi Y.; Yamaguchi H.; Sekito T.; Hatano
K.; Nakajima K.; Harada, A. Chem. Lett. 2018,―­101 ―

K.; Nakahata, M.; Yamaguchi, H.; Harada, A.
Macromolecules, 2017, 50, 4144-4150

研究報告集

第 30 集 （非売品）

2019年 3 月 1 日発行
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