Aquatic Functional Materials
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J u l y 202２

No. 11

文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究 （研究領域提案型）（No. 6104）令和元年-5年度

水圏機能材料：環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
領域代表あいさつ
本領域も、令和 4 年度から 4 年目に突入して、「水の基礎科学」と「材料科学」の融合を推進しているところです。令和 4 年度から 2 年間の第二期の公募研究の研究代表者 46 名の参画も得ることができました。令和 4 年 5 月 9、10 日に行われた領域会議では活発な発表と議論が行われました。水圏機能材料ニューズレターでは、この No.11 から、何号かにわたり公募研究代表者の皆様の研究を紹介していきます。幅広い分野から素晴らしい方々に結集いただいており、領域代表

融合効果を加速させて新しい知見を得て分野を益々開拓したいと考えておりま加藤 隆史

す。皆様、ぜひともご協力お願いいたします。

東京大学大学院工学系研究科教授

A01 分子・材料構築班
分子分布を制御した水圏ペプチド超分子

球面π共役系を用いた実験系水和モデルの水和構造と細胞機能の創出

若林 里衣
九州大学
助教

両親媒性ペプチド（PA）が水中で真に水分子の性質を明らかにする

自己組織化し形成する超分子は、ためには、単一水分子あるいは単その形状・物性や PA の化学構造一水和構造を完全に外界から隔離に応じた多彩な機能を発現します。

する必要がある。自然界にはほぼ

本研究では、疎水部の異なる複数存在しえないその水分子の性質は、種類の PA を混在させ、超分子の理論化学計算によってのみ知るこ形成過程に変化を与えることで、橋川 祥史

PA 分子間の相分離・共集合を制御

京都大学

した PA 超分子を創製します。こ助教

れによって、PA に導入した機能性とができ、適切な実験系モデルの構築は極めて限定的である。一方、フラーレンの疎水性内部空間の利用はこれを解決する最も有望な手因子の集合体内の分布を変えるだけでなく、超分子の水法であるばかりか、通常では実現が困難な超高圧状態や和状態や、それに付随する生体分子や細胞の吸着・接着高電荷状態を提供可能である。本研究課題では、水分子性がどう変化クラスターや水和構造を取り込んだモデル分子系を構築しうるかを解し、特殊環境下における性質の解明を行なう。

析します。

1

A01 分子・材料構築班
自己集合性ナノ水圏の理解と水圏分子集積に基づくインターカレー

モルフォロジー制御

ション型二次元材料のボトムアップ合成

原 光生
名古屋大学
助教

本研究では、潮解および吸湿現象

本研究では、気水界面を分子集積を材料の機能化に取り入れること場とする水分子インターカレーで、革新的な水圏機能高分子材料ション型 3nm 膜厚分子膜のボトムを創製します。具体的には、加湿アップ合成という水圏材料構築手下で自己組織化する高分子に着目法を基盤として、従来のインターし、主鎖構造や側鎖イオン種、中カレーション型材料の作製法とは和度、イオン基密度などと湿度誘

原野 幸治

起自己集合現象との相関を明らか

物質・材料研究機構にします。また、その時の水の状

主幹研究員態にも着目し、水分子視点からの異なる、分子集積に基づくインターカレーション型二次元材料の自在合成の実現を目指す。温和な合成
条件、合成前後の構造制御、スケー自己集合現象の理解に努めます。これらの研究の過程でルアップ、大面積にわたる構造の均一性、自立や転写が得た知見を基にして、ナノメートル周期の水（ナノ水圏）可能な堅牢性と柔軟性という分子集合体材料としては特のモルフォロジーや配向を自在に操作する技術まで開発

異な物性と、分子おし、リオトロピック液晶の新たな学理を構築します。

よびインターカラン
トの自在設計性を活かした機能性二次元材料の開発へと繋げる。

タンパク質分子からの分子構造情報抽出

水圏環境での励起状態プロトン移動をによる水圏機能性材料の構築鍵とする環境応答型蛍光分子材料の開発

林 智広
東京工業大学准教授

本研究では今までに詳細に解析さ励起状態において分子内プロトンれていないタンパク質分子の「表移動（ESIPT）による異性化を起こ面」における官能基の面内分布パ

す 蛍 光 化 合 物 は、そ の 巨 大 なターンとタンパク質の機能との相Stokes シフトに由来した自己吸収関解析を行うことで、多様性に富の小さい蛍光を発する。ESIPT 蛍むタンパク質分子の機能を再現す

光体は凝集状態で高い蛍光量子収る新しい機能性水圏材料を設計す

櫻井 庸明

る 手 法 を 開 発 す る。本 研 究 で は、

京都工芸繊維大学

タンパク質分子の「分子表面」に講師着目し、機能発現のための構造パ率（ΦF）を示すが、有機溶媒中では著しい無輻射失活によりΦF が低下し、特に水素結合性有機溶媒中では ESIPT 自体が抑制されやすい。

ターンを機械学習を用いて抽出し、本研究では、水圏でも高効率で ESIPT 蛍光を示す水溶性

その構造パターンを基化合物を開発し、その水和状態や水分子の役割を明らかに実際に材料を作製し、にするとともに、センシングやイメージング応用への展材料機能の検証を行う。

開を目標とする。

こ れ に よ り、従 来 に 無い構造生物学と材料科学 を 融 合 し た、新 し い学問分野の創成を目指す｡
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A02 先端計測・シミュレーション班
水圏材料の軟 X 線分光理論計算による材料分子と水の界面において生ずるスペクト不均一構造の解明

ルの特徴的変化に関わる電子構造論的解析高橋 修
広島大学准教授

分子レベルにおける水の構造およ

水と材料の分子レベル・ナノ集合

びダイナミクスはその物性と直結レベルでの相互作用を捉えるにあしており、水溶液の機能発現を探たっては、分光学的測定による解る鍵の１つです。構造を探るツー析が有力な一手法ですが、従来のルとしての軟 X 線分光法は元素選経験則に基づいた解析を超えて、択的励起が可能であり、励起原子より詳細かつ正確に解析しようと周辺の局所構造の情報を獲得でき鳥居 肇ます。本研究では今までの水に対

静岡大学

す る 知 見 を 活 か し、PINIPAM,

教授

Naﬁon のような水圏機能材料に対す れ ば、理 論 計 算 と の 組 合 せ が、望ましい方法論です。本研究では、第一期で解析対象とした OH 伸縮振動に加えて、HOH 変角振動や材し、第一原理に基づく理論計算によるモデル化と、軟 X料分子側の水素結合受容官能基の振動モードなどを対象

線による先端計測の情報と比較することにより真の水のとして、分子間相互作用による振動モードのレスポンス

局所構造モデの詳細を明らか

ルを構築してに し、こ れ ら をいきます。

総合的に捉えた多面的解析を実在系に応用展開することを図ります。

水圏機能材料：注目の研究「テラヘルツ分光による水和状態解析と材料機能」
テラヘルツ（=1012 Hz）周波数領域には、水の集団的な回転が多い分子ほどタンパク質の安定化効果が大きく、反対に水を運動や過渡的に孤立した水分子の運動が存在するため、この加速する分子ではタンパク質を不安定化し、変性温度を下げる領域の分光を行うことで材料の詳細な水和状態が解析できまことが分かりました（下図）3)。このことは、タンパク質の安す。特に、わずかなスペクトルの変化から、「弱く影響を受定性に対するオスモライト分子の効果が、直接的な相互作用とけた水」（≒第二水和圏の水）まで含めた水和量を同定できいうよりも、水を介した間接的な相互作用に依っていることをるのが特徴です。この「弱く影響を受けた水」は、生体親和意味しています。この結果は、「弱く影響を受けた水」がタン性高分子の機能に関与している「中間水」（ニュースレター

パク質の安定性を左右している可能性を示すものです。これは、No.3 を参照）と密接に関わると考えられ、この水を in situ

たとえばタンパク質を変性させにくい生体親和性材料を開発すで観測できる本手法が注目されています 1)。また本手法によるための基礎学理として非常に重要です。
（筑波大数物・菱田真史）

り、水は束縛だけでなく、加速されることも明らかになっています。これは材料表面から比較的遠いところに存在する「弱く影響を受けた水」の特徴です 2)。
我々は A02 と A03 で共同し、15 種類の有機低分子（オスモライト）の水和状態とそれらの分子のタンパク質安定化効果の関係性の本手法で検証しました。すると、束縛する水の量

1) T. Tominaga, M. Hishida, D. Murakami, Y. Fujii, M. Tanaka, H. Seto, J. Phys. Chem. B 2022, 126, 1758–1767.
2) Y. Higuchi, Y. Asano, T. Kuwahara, M. Hishida, Langmuir, 2021, 37, 5329–5338.
3) M. Hishida, R. Anjum, T. Anada, D. Murakami, M. Tanaka, J. Phys. Chem. B, 2022, 126, 2466–2475.
3

機能開拓班
A03 機能開拓班
A03
生体高分子の形態不安定性に基づいた

水圏機能材料の励起ダイナミクス制御

羽曾部 卓
慶應義塾大学教授

水圏機能材料の開拓

水中での分子集合体に関する研究

タンパク質や多糖の生体高分子がは環境・エネルギーから薬剤・生物質輸送などの機能材料へ活用さ体の各分野まで様々な領域を網羅れる一方、その自己集合体の形態し て い ま す。他 の 溶 媒 と 異 な り、制御は発展途上にある。本研究で水は反応場形成のための媒体やそは、生体高分子が持つ形態不安定の運び手、エネルギー変換におけ性に基づいて水圏機能材料を開拓る電子源など複数の役割を同時に桶葭 興資担える特異な溶媒と言えます。本

北陸先端科学技術大

研究では水中での分子の凝集状態

学院大学・准教授の活用により水と光エネルギーが共生可能な材料開発を推進します。

する。特に、水中／空気中／界面における多糖の形態は多様で、高分子濃度や塩濃度によって自己集合／分解が可逆的に制御可能である。また、水の吸／脱湿を利用した水蒸気駆動型アクチュエータへの応用を見据え、界面配向させて作製した高分子膜の分子／ナノ／マイクロ構造解析を進める。

エントロピー抑制に基づくスマート水圏

水分子とイオンによるメカノクロミック機能材料の設計と動的分子結合能制御

バイオセンサの感度制御

宮田 隆志
関西大学教授タンパク質は水中で折り畳まれたポリジアセチレンは押すと色が変構造（低エントロピー状態）を形わったり蛍光を発光したりするメ成し、優れた分子認識能を示す理

カノクロミック材料です。ある特想的な水圏機能分子です。研究代

定の生体物質が付着することで色表者は、動的結合として分子複合が変化するように選択性を持たせ体を利用し、疾患マーカーや環境ることもでき、バイオセンサの分汚染分子に応答するスマートゲル

杉原 加織を合成してきました。本研究では、

東京大学

タンパク質のように高分子鎖のエ講師ントロピーを抑制し、外部刺激に野で注目を集めています。本研究では水分子の存在がこのメカノクロミック材料の感度をどのようにコントロールしているのかを、近よるコンフォメーション変化を介年自身で開発したナノ摩擦力顕微して分子結合能を制御鏡を導入して解明します。

できるスマート水圏機

長期的にはメカノクロ能材料の設計を目指しミック・バイオセンサのます。さらにスマート性能を向上し、自宅で簡

水圏機能材料を用いた

易・安価に使用できるウィ

高効率な物質の分離濃

ルス検査薬などを開発す

縮や刺激応答性の薬物る意義があります。

放出制御も試みます。

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ニュースレター第11号（2022年7月発行）■編集・発行 「水圏機能材料」総括班〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
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東京大学大学院工学系研究科 加藤研究室内

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