Development of Biomolecular Interfaces Constructed on the Frameworks of Huge, Hollow Spherical Complexes

Abstract

生命現象においては、たとえば、酵素がその認識ポケ ットに小分子をとりこむことで非共有結合による分子認 識が発現し、選択的かつ高効率な化学反応が制御される 現象が知られている。このような、ホスト分子がゲスト となる基質を包み込んで独特の構造を構築し、物性や反 応が制御されるシステムは、ホスト -ゲスト化学として 人工系においても模倣されてきた。他の手法では実現が 困難な、あるいは実現不可能な興味深い知見がホスト ゲスト化学の手法を使って多数報告されてきているが、 それらの報告例のほとんどは 3ナノメートル以下の分子 スケールでの現象であり、認識サイトが基質を「点」と して認識するタイプのものであった。 一方で生命現象においては、たとえば、細胞表面にお いて糖鎖がよりあつまってクラスターをなす構造が「面 = インターフェース」としてはたらき、重要な認識信号 として作用することが知られている。このような、非常 に多くの数の認識官能基がよりあつまることで、初めて 機能が発現する「面」の分子認識のシステムを、構造と 機能との相関を明確に示しながら展開した研究例は極め て限られる。その理由は明確であり、機能が発現する状 況において、三次元構造も考慮した全体の構造が分子レ ベルで整っており、人工合成によって自在に設計して調 製できる分子システムそのものが無かったからである。 個々の認識能は弱いものの、高密度な集積化によって機 能が発現する複雑なシステムを合理的に開発するために は、構造 -機能の相関が明瞭に定められたシステムを対 象とし、実験的にその相関を明らかにすることを通じて、 ねらった機能を分子設計にフィードバックできる必要が ある。 本研究においては、自己組織化により構造にばらつき がない単分散な中空球状錯体を基本骨格として用い、定 量的な生体分子の官能基化による生体分子クラスターの 開発をおこなった。研究をはじめた当初、このような構 造が分子レベルで一義的に定まり、かつ直径が数ナノメ ートルを超える巨大な錯体分子の合成そのものが挑戦的 な課題であった。合成法の改善と構造決定法の開発、さ らに、研究の進捗とオンタイムで開発された新しい装置・ 施設の利用を一体となって探求したことで、世界最大の 単一構造分子の調製法を確立できた。さらに、標的にし The clusters of biomolecules have an important role as recognition interface in living systems, where the weak molecular recognition of each biomolecular unit is efficiently enhanced by the dense assembly of the units to realize strong affinity. The mimic of these molecular designs has been explored, but the structural deviations or small number of clustered units are not satisfactory as the model of natural interfaces. In our recent projects, we synthesized biomolecular clusters by anchoring a biomolecular unit to an organic ligand followed by assembling the ligands with transition metal ions to obtain self-assembled spherical complexes. Owing to the self-assembly nature of the coordination complexes, the number of introduced biomolecular units is strictly defined, the molecular sizes are huge with the diameter of several to ten nanometers, and the synthesis is quite simple and quantitative. With the variety of sugar, DNA, or peptide clusters, we demonstrated that the huge clusters work as functional interfaces and realized the application to biomolecular or inorganic recognition and further extended to the template synthesis exploiting the recognition functions and the unique three-dimensional shape.