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人工ナノカプセルによるカフェインの高選択的内包
カフェインをキャッチするカプセル分子
キサンチン骨格を有する有機化合物は自然界に幅広く存在し，日常の飲料にも多く含まれている．たとえば，キサンチンの窒素上に 3 つのメチル基をもつカフェイン
はコーヒーに，2 つのメチル基をもつテオフィリンとテ

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オブロミンはそれぞれ，緑茶とココアに含まれることが知られている (1)（図 1）．また，これらのキサンチン誘導体は生体内でさまざまな薬理活性を示す (2)．カフェインの興奮・覚醒作用は古くから知られており，また，テオフィリンは気管支拡張作用があるため，今でも薬として使われている．同じ有機分子骨格にもかかわらず，比較的小さく，分子間相互作用力の弱いメチル基（‒CH3）●の数や位置の違いにより，キサンチンの性質が大きく変わる点は興味深い．
キサンチン化合物の薬理活性は，生体内の比較的大きなタンパク質受容体により，分子レベルで認識されるこ

化学と生物とで発現する．Marshall らは，カフェインと A2A アデノシン受容体（分子量：約 40 kDa）の複合体の単結晶を作製し，受容体の疎水性ポケットに 1 分子のカフェイ

図 2 ■ A2A アデノシン受容体の結晶構造
カフェインの内包および分子間相互作用（下図は文献 3 より転写）．

ンが内包されることを X 線結晶構造解析より明らかにした (3)（図 2）．また，その結晶構造から，複合体形成の用は弱く（結合定数：

駆動力は分子間での疎水効果，π-スタッキング，水素結捉能は示さない．また，2011 年に Severin らは，スルホ合であることが示唆された．

ネート基を含む蛍光性のピレン化合物を用いた，飲料中一方，フラスコ内で，人工的な受容体によるキサンチ

3−1，選択性な捕a＝約 6×10 M ）のキサンチン化合物の定量法を報告している (5)．しかし
2−1，大a＝約 3×10 M ）ン化合物の認識に関する研究も行われている．2003 年にながら，弱い相互作用のため（Reinhoudt らは，4 つのピリジニウム基を有する亜鉛ポ量の試料や煩雑な抽出作業が必要である．キサンチン誘ルフィリンを合成し，水中でカフェインなどの捕捉を達

導体の効率的な捕捉や厳密な識別には，生体受容体と同(4)成した ．この人工受容体は配位結合と疎水効果により，様に，数ナノサイズの疎水空間を有する三次元構造体のキサンチン化合物と複合体を形成したが，分子間相互作合成が必要である．本稿では，筆者らの最近の研究成果として，有機配位子と金属イオンの自己集合によって形成した人工ナノカプセルを利用し，水中でカフェインの高選択的な内包に成功したので紹介する (6)．
筆者らの研究グループでは，数ナノメートルサイズの空間を有する分子カプセルやチューブの構築と機能の開発を行っている．2011 年に，2 つのアントラセン環を含む湾曲型の有機配位子と金属イオン（パラジウムや白金など）の自己集合により，M2L4 組成の人工ナノカプセ
ルの合成に成功した (7)（図 3）．このカプセルは，8 つの図 1 ■ キサンチン化合物とその立体構造

158アントラセン環で囲まれた約 1 nm の内部空間を有し，化学と生物 Vol. 55, No. 3, 2017

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図 3 ■ 人工ナノカプセルとその結晶構造
空間充填モデル表示の結晶構造は，カプセルの外面官能基（R）を省略．

ピレンや BODIPY，フラーレン C60 などの疎水性有機分子を水系溶媒中で，効率的に内包することができる (7, 8)．
また，ポリマー合成に使われる高活性なラジカル開始剤●（AIBN など）は，ナノカプセルに内包されることで，光照射や加熱に対して顕著に安定化されることを見いだ
した (9)．そこで，この生体受容体より小さなナノカプセル（約 4 kDa）の多環芳香族骨格で囲まれた特異空間を化学と生物利用して，水中でのキサンチン類の選択的な内包を目指した．
まず，白金イオンで架橋したナノカプセルを溶解した

図 4 ■ ナノカプセルによる内包の競争実験（a，上部；c）カフェインの選択的内包とその 1H-NMR および ESITOF MS スペクトル（緑丸；ナノカプセル），（b）空のナノカプ（a， 下 部；d）
セ ル の 1H-NMR お よ び ESI-TOF MS ス ペ ク ト ル，テオブロミンの選択的内包とそのスペクトル．

水溶液（D2O）に，2 当量のカフェインを加え，室温で30 分間撹拌した．その結果，カプセルに 2 分子のカフェ（図 4a の左側と 4c）．すなわち，ナノカプセルは，キサインが定量的に取り込まれることが明らかになった．核

ンチン骨格に含まれるメチル基の数を厳密に認識して，

1

磁気共鳴装置（ H-NMR）による生成物のスペクトルでカフェイン＞テオブロミン＝テオフィリン＞3-メチルキは，内包されたカフェインのメチル基に由来する 3 つのサンチンの順位で明確にこれらの分子を識別できることシグナルが，大きくシフトして観測された．また，それを明らかにした．

ぞれのシグナル面積の比較と生成物の質量分析（ESI-分子間相互作用の詳細を解明するため，内包体の X

TOF MS）などにより，2 分子のカフェインがナノカプ

線結晶構造解析を行った．カフェインを内包した生成物

セルに強く内包されていることを明らかにしたの溶液を，室温でゆっくり濃縮することで（約 2 カ月），

（8−2．
a＝＞10 M ）黄色透明の結晶が得られた．その構造解析の結果，ナノ次に，1〜3 つのメチル基を有するキサンチン化合物

カプセル内に 2 分子のカフェインが重なり合って完全に（図 1）を用いて，ナノカプセルによる内包の競争実験内包されていることが明らかになった（図 5a〜c）．まを行った．ナノカプセルの水溶液に，等量のカフェインた，その 2 分子は，カプセル骨格の 2 つのアントラセンと テ オ ブ ロ ミ ン を 加 え た と こ ろ， 前 者 が 選 択 的

環 に 挟 ま れ て い た（図 5b）． そ れ ら の 面 間 距 離 は 約1（＞99％） に 内 包 さ れ る こ と が， H-NMR お よ び ESI-3.4 Åであった．また，注目すべきことに，2 分子のカTOF MS 解 析 で 明 ら か に な っ た（図 4a の 右 側 と 4b）．

フェインの合計 6 つのメチル基はアントラセン環と近接

また，2 つのメチル基をもつテオブロミンとテオフィリし（約 3.5 Å），CH3‒π相互作用の存在が示唆された（図ンの競争実験では，どちらも同じ比率でカプセルに内包5d）．一方，2 分子のテオブロミンを内包したナノカプされた．さらに，テオブロミンと 3-メチルキサンチンのセルの結晶構造では，4 つのメチル基が CH3‒π相互作用

競争実験では，前者が選択的（＞99％）に内包されたしていた．内包の駆動力は，ホスト‒ゲスト間の疎水効

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1) B. A. Weignberg & B. K. Bealer: “The World of Caffeine,” Routledge, 2001, pp. 235‒265.
2) T. M. Chou & N. L. Benowitz:, 109C,173 (1994).
3) F. H. Marshall:, 19, 1283 (2011).
4) D. N. Leinhoudt, R. Fiammengo, M. C. Calama & P. Timmerman:, 9, 784 (2003).
5) K. Severin, S. N. Steinmann, C. Corminboeuf, K. Severin& S. Rochat:(Camb.), 47, 10584 (2011).
6) M. Yamashina, S. Matsuno, Y. Sei, M. Akita & M. Yoshizawa:, 22, 14069 (2016).
7) N. Kishi, Z. Li, K. Yoza, M. Akita & M. Yoshizawa:, 133, 11438 (2011).
8) M. Yamashina, M. Sartin, Y. Sei, M. Akita, S. Takeuchi,
T. Tahara & M. Yoshizawa:, 137,9266 (2015).
9) M. Yamashina, Y. Sei, M. Akita & M. Yoshizawa:, 5, 4662 (2014).

（松野 匠，吉沢道人，東京工業大学科学技術創成研究院化学生命科学研究所）

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図 5 ■ カフェインを内包したナノカプセルの結晶構造（a, b）シリンダー表示のナノカプセルと空間充填モデル表示のカフェイン（前および横向き），（c）空間充填モデル表示，（d）メチル基とアントラセン環の CH3‒π相互作用．

果および π-スタッキングであるが，この分子間 CH3‒π相互作用の数の違いが，カフェインの高選択的な内包の最プロフィール
松 野 匠（Sho MATSUNO）＜略 歴＞2015 年 東 京 理 科 大 学 理 学 部 卒業／2016 年東京工業大学大学院総合理工学研究科修士課程在籍＜研究テーマと抱負＞アントラセン環を有する金属架橋カプセルの空間機能の探索＜趣味＞登山，落語大の要因と結論づけた．
本稿で紹介した厳密なメチル基の識別は，既報の人工受容体で達成した例はなく，多環芳香族骨格で囲まれた空間を有する本ナノカプセルに特有の機能である．最後に，市販のインスタントコーヒーの水溶液に，ナノカプセルを加えたところ，その複雑な混合物の中からでも，カフェインを選択的に内包できることが明らかになった．今後は，これらの知見を活かし，人工受容体による，複雑な分子骨格を有する生体関連化合物の選択的な内包と高感度な検出法の開発に挑戦していきたい．

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吉沢 道人（Michito YOSHIZAWA）＜略歴＞2002 年名古屋大学大学院工学研
究科博士課程修了（工学博士）／2003 年東京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 助 手‒助 教／
2008 年東京工業大学資源化学研究所准教
授／2016 年同科学技術創成研究院化学生
命科学研究所准教授＜研究テーマと抱負＞
多環芳香族ナノ空間の機能創出＜趣味＞水泳
Copyright © 2017 公益社団法人日本農芸化学会
DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.55.158

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