2023.3.11

最終講義

これまでの天然物化学研究とこれから

名古屋大学大学院情報学研究科
吉田 久美

自己紹介
1980年

名古屋大学農学部卒業

1982年

名古屋大学農学研究科修士修了（抗生物質の合成）

1982年-

天野製薬（株） 研究部（半合成による創薬）

1988年-

椙山女学園大学家政学部・助手（色素の食品化学）

1992年

博士（農学） 名古屋大学（アントシアニンの分子会合）

1994年-1995年 コンスタンツ大学研究員（除草剤の作用機作）
2000年

名古屋大学大学院人間情報学研究科・助教授

2010年

名古屋大学大学院情報科学研究科・教授

2017年

名古屋大学大学院情報学研究科・教授

2023年

定年退職予定天野製薬（株）研究部 （1982-1988年）
抗高脂血症薬の開発研究
コレステロール類似の平らな高次構造

核磁気共鳴スペクトルＸ線結晶構造解析
コンフォーメーション計算

INADEQUATEAgric. Biol. Chem. 1989

椙山女学園大学家政学部, 生活科学部（1988-2000年）
花色素アントシアニンの精密構造と機能研究アントシアニンの食品着色料としての利用コンスタンツ大学植物生理学・生化学研究室（19941995年）

除草剤の作用機作の研究名古屋大学（2000-2023年）

化学と生物学の接点
未解明な現象に取り組む
博士前期課程・後期課程の院生とさまざまな学会活動

植物色素の色と構造
R1

R1OOH
HOHOOOR2R2OH O

OR 4

OR 3アントシアニン

アントシアニンフラボン

フラボノール
HO+N

HOCH 3COOH
H3C
NN

ベタレイン

MG
HOOC

N
H

N

COOH

N

H3C

CH 3
R1

ベタレイン

R2

O

クロロフィル

クロロフィル
カロテノイドカロテノイド

400

500

600
波長 （nm ）

700800花弁のどこにアントシアニンはあるか

細胞質基質（サイトゾル）
液胞

アントシアニンの化学構造と機能
R1B
A C

R2
R1, R2 = H, OH, OCH3＞ 700 compounds
植物色素、虫媒作用、紫外線防御、抗酸化、ストレス応答
生活習慣病予防なぜ、花弁細胞中では、中性でも安定なのかMalvin 0 min
pH2345678なぜ、花弁細胞中では、中性でも安定なのかMalvin 24 hpH

2345678アントシアニンのpHによる構造変化

Brouillard et al., J. Amer. Chem. Soc., 1977

アントシアニンの合成研究・助色素効果
Synthesis of anthocyanins

Co-pigmentation effect

Sir R. Robinson
1886-1975
Robinson et al, J. Chem. Soc., 1932, Biochem. J., 1931

疎水相互作用に基づくアントシアニンの分子会合説
by 後藤俊夫, 近藤忠雄
MM

自己会合

コピグメンテーション

自己会合
Self-association

コピグメンテーション
Copigmentation

メタロアントシアニン

metalloanthocyanin
メタロアントシアニン

Anthocyanidin
アントシアニジン
アントシアニジン
Aromatic
芳香環Intramolecularassociation
分子内サンドイッチ
会合
分子内サンドイッチ
会合

Nestedassociation
分子間ー分子内芳香環糖
Sugar
糖挟み込み会合
分子間ー分子内挟み込み会合

Goto and Kondo, Angew. Chem. Int. ed. Engl, 1991

花色に影響を与える因子
l アントシアニンの化学構造
l 助色素

l 金属イオンl 液胞ｐH
Yoshida et al., Nat. Prod. Rep. 2009

何を考えてこういう実験をしてきたのか
u ツユクサ花弁色素コンメリニン
u 赤シソ葉に含まれるアントシアニン・梅干し漬け
u 多アシル化アントシアニンの分子内会合と光防御機構
u 有色豆種皮のアントシアニン
u 赤小豆種皮の色素u アサガオの開花に伴う青色化のしくみ
u 様々な青色の花の発色機構
u アジサイの花色変異機構
u アントシアニンの化学合成
u 色素増感太陽電池
u アントシアニンの生合成機構

花弁成分からのコンメリニンの再構築
田村啓敏香川大教授

Mg2+

Tamura, et al., Tetrahedron Lett., 1986

コンメリニンの再構成と結晶化

コンメリニンのＸ線結晶構造

アントシアニン (6)フラボン (6)中川敦史大阪大教授

Mg2+ (2)近藤忠雄, 吉田久美, 中川敦史, 河合隆利, 田村啓敏, 後藤俊夫, Nature, 1992

メタロアントシアニン：自己組織化超分子金属錯体色素[A6F6Mn+2]
Mn+

Metal complex
Chiral molecularstackings

anthocyanin（A）
flavone（ F ）Goto & Kondo, Angew. Chem. 1991

上田実
東北大学教授コンメリニンのESI-MS(負イオンモード、10 µg/µL 50% EtOH)

質量分析討論会
Kondo et al, J. Amer. Chem. Soc, 1994

ヤグルマギク青色花弁色素プロトシアニン

Centaurea cyanus

プロトシアニンの構造[Sc6Mf6Fe3+,Mg2+]
Kondo et al, Angew. Chem. 1994

Shiono et al, Nature. 2005

再構築プロトシアニンのESI-MS （第1世代）（負イオンモード、10 µg/µL 50% EtOH）[Sc6Mf6Fe3＋Mg2＋]
C366H378O228Fe Mg=8511

Kondo et al, Angew. Chem. Int Ed Engl., 1994

プロトシアニンの青色発色
シアニジン発色団から遷移金属へのLMCT

Kondo et al, Tetrahedron Lett. 1998

なぜキラルに会合するのか？
糖の不斉が関与しているはずMg2+

フラボコンメリンの化学合成

尾山公一博士Oyama & Kondo, J. Org. Chem., 2004

化学合成した助色素を用いた超分子形成実験

Oyama, Kondo, Yoshida., Angew. Chem., 2001

M-ヘリカルなフラボコンメリンの会合

尾山公一博士
中本紀行学士Oyama, Kondo, Yoshida., Angew. Chem., 2001

メタロアントシアニンの探索
いろいろな青い花をしらべる→ネモフィラ
森美穂子博士
北原小容子修士
山下佳子修士
東條謙輔修士Nemophila menziesii

花弁のスペクトルと成分
R = malonylCD

anthocyanin component (NM)

VIS

400

600

800

Wavelength (nm)flavone component (MP)Yoshida et al., Nat. Prod. Rep., 2009

Yoshida et al., Tetrahedron, 2015

成分からの再構築と溶液の色
NM (TFA salt) + MP
1 M NH3 aq., dried in vacuo
H2O or buffer
Mg2+(10 eq.)

Fe3+ (1/6 eq.)gel filtration
columnnemophilin

Mg, Mg type

Fe, Mg type(110 μM, H2O, 0.1 cm, rt )Yoshida et al., Tetrahedron, 2015

ネモフィラ花弁の花色の違いの理由

Yoshida et al., Tetrahedron, 2015

これまでに明らかになった５種類のメタロアントシアニン
flwoerpigment

anthocyanin

flavone

Metal ions

dayflowercommelinin

Mg2+

cornflower
protocyanin

Mg2+, Fe3+

Salvia patens,
Salvia macrophylla
protodelphin
Salvia uliginosa
cyanosalvianin

Nemophila menziesii
nemophilin

Mg2+Mg2+Mg2+, Fe3+

Yoshida et al., Nat. Prod. Rep., 2009, Biosci. Biotech., Biochem., 2021

アントシアニンの食品利用
赤シソ葉の色素を利用した梅干し漬け
椙山女学園大学
食品衛生学研究室卒論生

Agric. Biol. Chem., 1990.

さまざまな条件で漬けた梅干しの色（30日後）
17O-NMRによる水分活性の測定

赤シソ葉のアントシアニンの単離と構造Yoshida et al. Agric. Biol. Chem. 1990

シスケイヒ酸を含むアントシアニンを発見

マロニルシソニン

マロニル-シス-シソニン
微量色素

Yoshida et al. Agric. Biol. Chem. 1990

ケイヒ酸は容易に光異性化するのに、アシル化アントシアニンにcis-ケイヒ酸残基が見あたらないのはなぜか？

Relative content of cisMA (%)

マロニルシソニンの光異性化
UV irr.
sun light
MeOH
aq. pH 2
pH 6Time (h)Yoshida et al. Agric. Biol. Chem. 1990

中性希薄水溶液でも安定な多アシル化アントシアニンの分子内会合構造と発色
森美穂子博士小寺未華修士デルフィニウム紫ヤムイモ

Tetrahedron Lett., 1989, 1991,1991,

Chem. Lett., 1990

リンドウ花弁色素ゲンチオデルフィンの会合構造
溶解 24時間後
リンドウ色素

ブドウ色素
Gentiana triflora強酸性中性

塩基性ゲンチオデルフィンの分子内会合構造
核磁気共鳴スペクトル
コンフォーメーション計算

横から上から
酸性メタノール中Yoshida et al. Tetrahedron 1992

ゲンチオデルフィンにUV照射した反応液(HBA: 50 mM/0.5% TFA-MeOH, 6.4 mW/cm2)
奥野玲子修士マロニルシソニンの光異性化

E-Z 比 1：1

Yoshida et al. Tetrahedron Lett. 2002

分子会合したアシル基は異性化しない

Yoshida et al. Tetrahedron Lett. 2002

空色西洋アサガオ花弁色素ではどうなのか？

Ipomoea tricolor
cv. Heavenly blue

Heavenly Blue Anthocyanin
Kondo et al. Tetrahedron Lett. 1987

HBAの酸性溶液にUV照射した反応液

森美穂子博士HBA: 50 mM/0.1% HCl-MeOH

HBA

UV irradiaion:P4High pressure Hg lamp
5 mW/cm2

P1

cut off by UV-29 filter

P2P301020 (min)Yoshida et al. Tetrahedron Lett. 2003

HBAにUV照射して得られた生成物

Yoshida et al. Tetrahedron Lett. 2003

HBAのUV照射下での安定性
UV-B光照射下

暗所
TFA-MeOH

80

TFA-H2O

60

pH 4.0pH 6.040

pH 7.5（生理条件）

20002040
60
80
時間（日）

10010080
HBA (%)HBA (%)

100

pH 7.5（生理条件）

604020TFA-MeOH
00100

200300
時間（分）400（光源：高圧水銀灯,HBA: 5 x 10-5 M, 20 °C）
Yoshida et al. Tetrahedron Lett. 2003

HBAのUV照射下での安定化機構
HBAをフィルターにするとDNAの損傷が抑制される

有色豆種皮の色素は単純でマロニル基は含まない

発色団

R1R2

含有量mg/g 乾燥種皮

キントキマメ
クロダイズ
ハナマメ
サルタニマメブラックタートル

ペラルゴニジン
シアニジン
デルフィニジン
ペオニジン
デルフィニジン
ペチュニジン
マルビジン

HOH
OH
OCH3OH
OCH3
OCH3

H
H
OH
H
OH
OH
OCH3

3.6
15.3
2.2
0.2
1.8
1.1
0.6

Yoshida et al., Biosci., Biotech., Biochem., 1996

ササゲ属の赤小豆はどうなのか？
アントシアニンと言われてきたがほとんど入っていない！

Vigna angularis

0.3 µg/g 乾燥豆種皮

赤小豆からの色素の単離構造決定後藤美樹修士近藤公臣修士河合加奈修士
小西香織修士市川由樹修士永井伸和修士
清水俊順修士
萩原星児修士
吉峰瑞喜学士

cpcA

280 nmcpcB

数馬恒平博士高山陽子修士560 nm 浅野友世氏

cyanin01020
Retention time (min)3040

紫色色素カテキノピラノシアニジンA, Bの構造
üシアニジンとカテキンが縮環（D環）üカテキン部分にケトン基
üカテキン部分の立体が異なる

cpcA
Yoshida et al. Scientific Reports, 2019

cpcB

製餡加工工程にある化学熱変性したタンパク質を含む脂質二重膜
渋切り煮熟
紫色色素が吸着プロシアニジン類
褐色重合色素餡粒子（細胞内でデンプンがα化）（水溶性）

餡粒子表面が着色

空色西洋アサガオはなぜ開花時に色がかわるのか？
色素は開花前後で同一
森美穂子博士小寺未華修士
三木直子修士
河内美樹博士Ipomoea tricolor cv. Heavenly blue

微小電極による液胞ｐＨ測定システム

アサガオ花弁の液胞pHは開花時に上昇した液胞pH

ツボミ花表層着色細胞

pH 6.6pH 7.7無色柔細胞

pH 5.8pH 6.0bar: 50 µm

Yoshida et al., Nature 1995

なぜ液胞pHはアルカリ化するのか？

50 µm吉田らProc. Jpn. Acad. B 2009

K+量 (fmol/cell)

液胞pH

細胞体積 (pL)

赤い細胞は小さく、K+量が低くItNHX1量が低い
ItNHX1青色細胞

赤色細胞

空色西洋アサガオが青く咲く理由

三木直子修士森美穂子博士小寺美華修士細胞質
液胞

H+K+K+H+

NHX1
K+K+, H2O

NHX1が液胞内にK+を運んで浸透圧を上げることで水を流入させ、細胞体積が増大し花が開く。
液胞pHは結果的に上昇して、花弁は青色となる。

さまざまな青色花の発色機構

森美穂子博士
桃井千巳博士
鬼塚丈矢修士根岸孝至博士荘司和明博士鉄イオンを必須とする青色発色機構

Fe3+Corydalis ambigua

Fe3+

Meconopsis grandis
Yoshida, K., et al., Phytochemistry, 67, 992-998 (2006).

液胞型鉄輸送体による花色の青色化

桃井千巳博士根岸孝至博士チューリップ

ヤグルマギクアジサイはなぜ花色が容易に変わるのか

Hydrangea macrophylla
三ヶ根山（愛知）

加藤友紀博士伊藤大輔博士
伊藤誉明博士
新海陽介修士鈴木昌子修士
関口由紀子修士
川田洋之修士
渡邉紀之修士
大原健史修士中林由香里修士
山田智美修士
田内翔子修士
石原健広修士
百合草裕貴学士
海野由佳学士
尾山公一博士高橋英之博士根岸孝至博士
三木直子修士アジサイガク片の発色に関与する成分
アントシアニン助色素
HOOHHO

5ROOH

HOO ROOHOHOHOHO

デルフィニジン3-グルコシド(Dp3G)

3OOHOHHO

R=OH : 5CQ(ネオクロロゲン酸)
R=H: 5pCQ

HO

COOH

1

金属イオン

5O

3

HOAl3+1OOCOOH

OOH3CQ(クロロゲン酸)

OHOH

青色錯体の再合成による化学構造解明
助色素の合成によりどの部分が色に関与するのかを解明

HOO
R1

153OOHOH

R2

必須部分

COOH

安定性に寄与無関係

Kondo et al. Tetrahedron Lett., 2005, Oyama et al. J. Agric. Food. Chem., 2015

アシルキナ酸類の合成力をアミロイドβ凝集阻害へ展開

様々なアジサイのガク片切片とプロトプラスト
ガク片

切片

プロトプラストBar : 50 µm

どうやって花色変異を研究するか
液胞ｐH
細胞色

細胞内微小電極

0.05 µm
顕微分光装置

酵素処理

成分組成

プロトプラスト混合物

ミクロHPLC

成分の混合による細胞色の再現
Yoshida et al., Nat. Prod. Rep. 2009アジサイガク片の花色変異の機構
pH 3

HO

pH 4COOH

1O

5 3HOOOH

HO1OOHOH

Al3+ : < 0.1 eq.
Yoshida et al., Proc. Jpn. Acad. Ser B, 2021

RHOCOOH

5 3O

OH
OH

Al3+ : > 1 eq.

再構成では助色素は2当量必要だったが、、、

IntensityPositive mode

Dp3G: 0.1 mM, co-pigment: 2 eq., AlCl3: 1 eq.

[Dp3G+Al+5CQ-2H]+5CQ* 843.16[Dp3G+Al+5pCQ-2H]+

5pCQ* 827.16
3CQ

500

600

700

800

900m/zBuffer: 2 mM (pH 4)
Ito,Yoshida et al., molecules, 2018.

アジサイ青色錯体の構造解明
pH 4:青色錯体

Dp3G: Al: 5CQ = 1:1:1

pH 3: 赤色フラビリウムイオン

解離した助色素

Ito,Yoshida et al., molecules, 2018.

青色ガク片組織のイメージング像
Total ion (neg)Al (pos)

Blue-complex (neg)epidermis
2ndlayer

4,978,271

Optical image

699

5CQ+K (neg)1,101K (pos)epidermis
2ndlayer

9,005
Ito, Yoshida et al., Sci. Rep. 2019.

213,395: 50 µm

アントシアニンの化学合成を実現したい
生合成経路を模した合成
木村友紀博士
得能一成修士中村早岐修士
加藤亮修士
舟橋杏奈修士今井祥平修士橋本眞侑修士安藤宏基修士柴康太修士
A. Benyamin博士
尾山公一博士Kondo et al., Org. Lett. 2006.

フラボノールの金属還元によるアントシアニンの合成
OH

2R = sugar
acylated sugar+2F3G deriv.

33-flavenol compd.

O2 HCl/MeOH

Yoshida et al., JPN Patent, 2009 137904, Oyama, Yoshida et al., RSC Advances, 2019

アントシアニンを用いたカラフルな色素増感太陽電池
木村友紀博士Asmaa Benyamin博士
酒井勇輔修士

R1

R2

pelargonidin 3-glucoside (Pg3G)

H

H

cyanidin 3-glucoside (Cy3G)

OHH

delphinidin 3-glucoside (Dp3G)

OHOH

petunidin 3-glucoside (Pt3G)

OMe

OH

malvidin 3-glucoside (Mv3G)

OMe

OMe

Kimura et al., J. Photochem. Photobiol. A 2017.

Cellアントシアニンの生合成における疑問
化学合成でシスロイコ体はアントシアニンにならなかった
フラボノールの金属還元で中間体はフラベノールである

未熟黒ダイズの種皮色の変化

Y. Teppabut博士

林英美修士
中根悠輔修士澤口玲央修士仁瓶栞里修士>2ヶ月
莢の中Cy3G< 1日
莢の外G max cv. Iwaikuro

Yoshida et al. Sci. Rep. 2020

Scale bars: 1 cm

未熟黒ダイズ種皮に含まれる配糖化された生合成中間体

stage 1stage 2stage 4stage 3

1400

Content (nmol/gFW)

1200
1000

Cy3G
無色の配糖化中間体
2-flavenol
2F3G

800
600

Cy3G

400

5,7,3’,4’-tetrahydroxyflav-2ene-3-ol 3-O-glucopyranoside
0 (2F3G)

200

Stage 1Stage 2Stage 3Stageet
4 al. Sci. Rep. 2020
Yoshida組換えANSタンパク質を用いた変換試験82天然物化学研究のこれから天然物化学は”blue ocean”か天然物化学は”blue ocean”である
ü 研究課題は無限大
ü 地球のみならず宇宙へ拡がるü 目の前に何故？があるü モノを手に取る強みü どことでも手を組める

細胞内の環境の違いによる表現型の違い

アントシアニンの新規生合成経路の提案

機能性分子の細胞内マッピングと輸送機構の解明
cytosolbiosynthesis
membranetransport

vacuoleMn+

Formation ofsupramolecule食糧問題の解決：酸性土壌耐性植物の育種
ca. 30% (400 million ha)「世界で最初に飢えるのは日本」

Baligar et al., 1998, http://www.rib.okayama-u.ac.jp/plant.stress/アジサイから取得したAl耐性遺伝子の活用
tonoplast
HmVALTaquaporin
involving inAl tolerance

HmPALT1
aquaporin

plasmamembrane

HmPALT2
anion
permease

Negishi et al., PLOS One 2012, Negishi et al., Genes Cells, 2013

研究上のイベント
1979年 （21） 名古屋大学農学部 生物有機化学研究室 4年生
1982年 （24） 修士修了、天野製薬（株）入社
1988年 （30） 椙山女学園大学家政学部・助手
1992年 （34） 博士（農学）の学位取得
1994年 （36） 留学 コンスタンツ大学訪問研究員（植物生理生化学）
1995年 （37） 日本農芸化学奨励賞「花色発現における分子会合機構の解明に関する研究」

1998年 （40） ソルト・サイエンス研究財団財団賞「梅干し漬けの色の安定化に及ぼす食塩の効果」

2009年（49） 第5回国際アントシアニンワークショップ開催
2014年（56） 第27回ポリフェノール国際会議開催
2015年（57） 日本政府観光局 国際会議誘致・開催貢献賞
2016年（58） Groupe Polyphenols Scientific Award「花色素アントシアニンを中心とするポリフェノール研究」

2023年（65） 日本農芸化学会賞「フラボノイド系植物色素の化学・生物学および応用研究」

2002 Adelaide
2004 Sydney
2006 Rotorua
2009 Nagoya
2011 Charlotte
2013 Porto
2015 Montpellier
2017 Auckland
2019 Trento
2021 London

51 foreign, 111 inland

2010年 Groupe Polyphenols 理事会メンバーにInternational Conference on Polyphenols
171 foreigners (34 countries),
329 inland

Presentations
16 invited, 45 oral, 260 poster presentations

心から楽しんで運営する
心から楽しんで実験する
骨惜しみせずに努力する
かけがえのない経験

国際会議は楽しい！！
研究は楽しい！！
国際会議は美味しい！
研究は美味しい！

謝辞
16th ICP at Strasbourg

後藤俊夫教授 (1929-1990)

27th ICP at Nagoya

近藤忠雄教授 (1941-)

謝辞

研究室に所属してくださった全ての方

大阪大学
中川敦史教授慶応義塾大学
大場 茂教授大阪医科大学岡崎芳次博士基礎生物学研究所
西村幹生教授
真野昌二博士

金沢大学
二階堂修教授松永 司教授石垣靖人博士十勝農試
村田吉平科長
島田章典科長佐藤 仁科長とかち財団
川原美香課長花き研究所
中山真義博士富山県
荘司和明博士

京都大学
若宮淳志教授椙山女学園大学名古屋大学

亀田 清教授後藤俊夫教授中塚進一教授近藤忠雄教授
野依良治教授山田靜之教授磯部 稔教授前島正義教授福島和彦教授青木 弾講師
藤吉好則教授大嶋篤典教授古賀伸明教授
井内 哲博士
尾山公一博士

弘前大学
橋本 勝教授

名城大学
高谷芳明准教授

国立衛研
合田幸広所長
西崎雄三博士東北大学
中山 亨教授和氣駿之講師Free Univ.
Prof. PinaMany thanks for blue flowers in nature!!

ご清聴ありがとうございました