北海道大学大学院理学研究院 化学部門 構造化学研究室 景山義之

化学反応過程と自己組織化 Systems Chemistry

研究紹介

生命の物理的な「仕組み」を化学的に真似ることで、
新たな物質科学の創出・分子技術の発展を狙っています。

キーワードが似た研究をしているグループは数多くありますが、
平衡から大きく離れたところでの自律挙動を達成している点で、
他とは異なるステージでの研究を展開しています。

超分子の「し続ける」巨視的ダイナミクス

 「動き続ける」ことは、「動く」や「動かされる」とは違います。「増え続ける」ことは、「増える」や「増やされる」とは違います。

 化学では、見かけ上の変化がある状態のことを非平衡と言います。化学は基本的に非平衡を対象にしたり利用した学問です(化学反応は非平衡の時に進展するほか、平衡状態の観測には非平衡を使います)。そして、私達が研究している「動き続ける」「動く」「動かされる」などの挙動も、非平衡で見られます。このうち、「動く・動かされる」は、非平衡から平衡に向かう過程(緩和過程)の挙動であり、多くの化学者が対象にしている現象です。これに対して私達の研究グループは、「動き続ける」という「非平衡を維持する挙動」を研究対象にしています。後者は、Erwin Schrödingerが「非生命体にはない生命体の特徴」と述べた挙動になります。どちらも「非平衡」の研究ではありますが、意味や意義が全く異なる挙動を示します

 私達の研究グループでは、「変形を繰り返せる分子集合体」「増殖を繰り返せる分子集合体」のそれぞれについて、有機合成の手法を用いて創出することに世界で初めて成功しています。但し、我々の成果はあまりに斬新であり競合する研究者が少ないことや、緩和過程を対象にした研究が圧倒的に活発で高度に進展していることなどから、非平衡を維持する挙動についての学理の拡がりが進んでいないという状況です。

■近年、あまりに酷いので、明確に意見表明をします■
 Nature Communicationsを始め、インパクト重視の投稿が目立つ雑誌の化学系論文において、非平衡系にかかわる用語(「散逸」や「平衡から遠く離れた挙動」という用語など)の使い方が度を過ぎて不適切になってきていると考えます。例えるなら、「金属錯体」と論述しながら対象物に「金属原子が入っていない」というレベルの不適切さです。科学研究における過当競争が故に、見栄えの良い論文を見栄えの良い雑誌に掲載しようとする志向が働くことは人間の性(さが)として理解できます。また、非平衡系が現在の化学界で理解されておらず間違いが生じる現状も理解できます。それらについては目をつむるとしても、結果として「高額の論文投稿費を支払って学術を壊す」「そのような研究をさらに支援する」という構図が世界的に拡がりつつあることについて、快い気持ちにはなりません。また、化学の真の面白さが霞んでしまいます。
 なお、真摯に研究に打ち込んだ結果として論文で間違いを述べてしまうということは起こりえることであり、悪いことや責めることではありません。科学とは、間違いながらも、それを正すことで発展させていく学術です。科学政策において選択と集中が馴染まない理由や、ヒエラルキーの形成が望まれない理由の一つは、この「間違いながらも修正していく学術」である点にあります。自由闊達に意見交換できる環境・誰しもが自由に研究できる環境が、科学には必要です。そういう意味でも、科学者をとかくランキングしようとする現在の風潮は、科学の発展を阻害しているかなと感じています。

■化学者向けコメント:非平衡を維持する挙動と維持しない挙動の見分け方■
 個別の事柄については、論文を精読してみないと判断できません。ただ、見分けるためのポイントは簡単です。対象の系が、非平衡定常状態に置かれた場合を考えた時
(1)入力されたエネルギーが、対象の挙動によって「消費」され、残りかすが排出されたか否か。入力されたエネルギーが使用されていなかったり、対象物に貯められたままであったら、それは非平衡を維持する挙動ではありません。なお、残りかすと一緒に、対象物自体も消費されてしまうものも、非平衡を維持する挙動ではありません。
(2)挙動において、対象系の自由エネルギーの量が自発的に変動しているか否か。自由エネルギーの変動がないものは、非平衡状態における平衡構造です。平衡構造から離れる挙動を含んでいません。
 なお、精読が必要であるのは、論文の著者が、何を対象の「系」として認識し論述しているかを見極めないといけないからです。また、自由エネルギーの変動量が小さいながらも認められる場合(平衡構造に近い非平衡構造)も、評価が難しくなります。

大きな動きを繰り返す分子集合体の創出:継続的に動く挙動を創る

 定常光を照射している間、分子集合体が、振動運動を繰り返します。
 この研究では、光異性化反応と、結晶相転移という現象を組み合わせることで、平衡から遠く離れた運動を創り出すことに成功しました。光のエネルギーを消費することで、秩序だった動きを維持しています。この現象は永続する挙動に該当します:このような秩序形成挙動を、散逸的自己組織化といいます。

 分子集合体の自律運動は、目で観察される種々の自律機能を生み出します。その事実は、これまで研究例が少なく、多くの化学者には理解されていません。この成果をきっかけに、分子集合体の自律機能について、その本質的魅力を示す研究を開始しています。

■動き続ける挙動<変形を繰り返す挙動>

"Dissipative and Autonomous Square-Wave Self-Oscillation of a Macroscopic Hybrid Self-Assembly under Continuous Light Irradiation"
T. Ikegami, Y. Kageyama, K. Obara, and S. Takeda, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8239–8243.

"Light-Driven Flipping of Azobenzene Assemblies — Sparse Crystal Structures and Responsive Behaviour to Polarised Light"
Y. Kageyama, T. Ikegami, S. Satonaga, K. Obara, H. Sato and S. Takeda, Chem. Eur. J. 2020, 26, 10759–10768.

■動き続ける挙動<遊泳する挙動>

"Self-Propulsion of a Light-Powered Microscopic Crystalline Flapper in Water"
K. Obara, Y. Kageyama, and S. Takeda, Small, 202105302.

■背景説明

"Light-Powered Self-Sustainable Macroscopic Motion for the Active Locomotion of Materials"
Y. Kageyama, ChemPhotoChem 2019, 3, 327–336.

"Robust Dynamics of Synthetic Molecular Systems as a Consequence of Broken Symmetry"
Y. Kageyama, Symmetry 2020, 12, 1688.

分子集合体の自触媒的増殖:継続的に増殖していく挙動を創る

 自己複製反応や自触媒反応は、その顕著な非線形性が魅力的な反応系です。これまで分子レベルでの自触媒反応がクローズアップされてきました。一方で、私達のグループでは、分子集団レベルでの自触媒反応に挑戦しました。
 私達は、ベシクルと呼ばれる細胞膜のような中空球状の分子集合体が、界面の性質により化学反応の触媒として機能できることを利用し、ベシクルが自己複製的に増殖していく(継続的に増殖していく)現象を創り出しています。この現象は、反応基質の継続的供給がある開放系で永続する挙動に該当します。

"Autocatalytic membrane-amplification on a pre-existing vesicular surface"
H. Takahashi, Y. Kageyama, K. Kurihara, K. Takakura, S. Murata, T. Sugawara, Chem. Commun., 2010,46, 8791–8793.

■背景説明
"Robust Dynamics of Synthetic Molecular Systems as a Consequence of Broken Symmetry"
Y. Kageyama, Symmetry 2020, 12, 1688.

分子集合体の自己集積挙動と分子集合体の運動:継続的に伸びる挙動を創る

 分子が集まり、集合体を形成する挙動も、非線形性を有した挙動です。
 動画は、少量の両親媒性分子を添加したときの、オレイン酸の集積挙動の動画です。回転しながら伸び続ける挙動が観察されている点は、この研究のユニークなところです。研究では、1週間以上もの長い時間、一定の速度で動き続けられる理由を明らかにしています。なお、この現象は、回転運動を長時間続ける(開放系では永続できると期待される)ものの、基本的には緩和挙動である分子集積挙動であり、全体としては緩和挙動に該当します。

Y. Kageyama, T. Ikegami, N. Hiramatsu, S. Takeda, and T. Sugawara, Soft Matter 2015, 11, 3550–3558.

非線形的な運動の追究

 化学反応の非線形性を利用して、継続的な運動を作り出すことを目標に研究を行っている一方、現在の科学は、それを簡単に作り出せるほど発展していません。まずは、顕著な非線形性をもった運動を作り出すことから、研究は始まります。
 動画は、その研究例です。紫外光を照射すると化学反応が起こり、分子集合体が一度不安定になります。その後、分子集合体は安定な状態になろうと、二段階目の化学反応と分子集合体の運動が起こり、秩序だった、しかも大きな運動を実現しています。このような、「何かの反応が起きた後に、何かが起こる」という時間遅れを伴う協同現象は、非線形的挙動の最たる物です。 なお、この変化の後に可視光を照射すると、また分子集合体が不安定になり、その後、安定な状態になろうと分子集合体の運動が再び起こります。なお、この現象は、緩和挙動に該当します。

Y. Kageyama, T. Ikegami, Y. Kurokome, and S. Takeda, Chem. Eur. J. 2016, 22, 8669–8675.

Y. Kageyama, N. Tanigake, Y. Kurokome, S. Iwaki, S. Takeda, K. Suzuki, and T. Sugawara, Chem. Commun. 2013, 49, 9386–9388.


分子レベルダイナミクスの研究

水分子のダイナミクスが協同する分子の機能の探求

 水は、分子レベルから分子集合体のレベルに至るまで、非線形的な現象を生み出す鍵になっていると、生命現象を考えたときに、私は思えてきます。水分子の特性の理解と制御は、私のライフワークにしていきたいテーマです・・・しかし、まだまだ十分に進展していません。

 水分子は、
  (1)水分子同士で水素結合を形成する 
  (2)プロトン化と脱プロトン化を起こす 

という2つの重要な性質を有する小さな分子です。
 このクセのある性質が、生体内での分子の分散や立体構造の決定、自己集合、自己組織化、分子認識などなど、生命現象に深く関わっている一方、この性質を十分に解明した研究や、機能的に用いた人工分子系の構築に関する研究は、十分に進んでいません。

 その理由はいくつかあります。 例えば、水分子の振るまいまでを踏まえた機能性分子の設計技術が未開拓であることや、水分子のダイナミクスをリアルタイムで追跡する分析方法が十分でないこと、などなどです。

 私は、化学合成のテクニックの他、
  ・pH滴定法
  ・水分子を対象にしたNMR分光法
  ・誘電応答
  ・熱分析
などの計測法を通じて、水分子のダイナミクスと分子(超分子)の機能の相関・協同現象を探っていく研究を展開しています。

 最近では、in-situ型動的核分極NMR装置(14 MHz)を製作し、この装置を用いて、分子集合体を取り囲む水の運動を計測しています。

Gyeorye Lee, Yoshiyuki Kageyama, Sadamu Takeda, "Site-selective spin-probe with a photocleavable macrocyclic linker for measuring the dynamics of water surrounding a liposomal assembly" Bull. Chem. Soc. Jpn., 2022, 95, 909–921.

関連研究発表

国際共同研究

"Intrinsic Surface-Drying Properties of Bio-adhesive Proteins" Yasar Akdogan, Wei Wei, Kuo-Ying Huang, Yoshiyuki Kageyama, Eric W. Danner, Dusty R. Miller, Nadine R. Martinez Rodriguez, J. Herbert Waite, and Songi Han, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(42), 11253–11256.

分子集合体の界面の水の性質が関与した研究として

"Autocatalytic membrane-amplification on a pre-existing vesicular surface"
Hiroshi Takahashi, Yoshiyuki Kageyama, Kensuke Kurihara, Katsuto Takakura, Shigeru Murata, Tadashi Sugawara, Chem. Commun., 2010, 46, 8791–8793.

"Mechanism of Macroscopic Motion of Oleate Helical Assemblies: Cooperative Deprotonation of Carboxyl Groups Triggered by Photoisomerization of Azobenzene Derivatives" Y. Kageyama, T. Ikegami, Y. Kurokome, and S. Takeda, Chem. Eur. J. 2016, 22, 8669–8675.

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実験設備・実験装置

合成実験室の概観

広いとは言えませんが、有機合成等を行う実験スペースは確保しています。

分析用HPLC

UV固定波長検出器とELS(蒸発光散乱)検出器のマルチ計測が可能。LCMSも計測できます。

質量分析計(ESI-MS)

溶液導入型のESI質量分析計です。分析用HPLCと接続してLCMSとして使用する場合もあります。

分取用HPLC(GPC)

有機合成時の分離および生成物解析に利用。

分取用低圧LC

ゲル濾過カラム、イオン交換カラムなどを接続して使用。

粉末X線回折装置

粉末試料からのX線の回折像を撮影します。二次元検出器および温調装置も付属。

紫外可視分光光度計

化合物のスペクトル計測と化学反応の追跡に用いています。

蛍光分光光度計

蛍光スペクトル計測の他、光反応用の光源として用いることもあります。

赤外分光光度計

主にATRで計測しています。オプションで顕微赤外分光も可能です。。

LCRメーター

交流伝導度測定等に用います。

ファンクションジェネレーター・デジタルマルチメーター

固体物性測定の他、諸々の電気回路作成時などに汎用します。

高速冷却遠心機

試料調製に用います。

高速ミニ遠心器

合成試料などの、簡易的な遠心・スピンオフに用います。

全自動pH滴定装置

最少量2μL毎での滴定を再現よく行うことができます。分子構造・超分子構造変化に連動した酸解離挙動の変化を調べるために使用しています。

表面圧計測装置

ウィルヘルミー型の表面圧測定装置です。分子の断面積の変化を計測することができます。

示差走査熱量分析計

主に相転移挙動を対象にした熱分析のための装置です。

恒温庫

北海道は気温差が大きいので、温度の制御にはいろいろ気を遣います。

倒立型光学顕微鏡 2台

蛍光像・微分干渉像・ホフマンモジュレーションコントラスト像・位相差像を撮影することができます。機能を拡張しています。

正立型光学顕微鏡

蛍光像・偏光像・暗視野像を撮影することができます。

実体顕微鏡

細かい作業をするための実体顕微鏡の機能に加えて、蛍光像・偏光像を撮影することもできます。

200fps高速カメラ

200fpsと称しながら、実は1000fpsまで計測できる高速カメラ。分子集合体の速い動きを計測します。この他、種々の半導体検出カメラを準備しています。

磁気共鳴装置(ESR)

通常のESR計測の他、動的核分極NMR計測用のマグネットおよび共振試料室として用いています。

高強度マイクロ波照射ユニット

動的核分極NMR計測時に照射する高強度マイクロ波を発振・増強させています。

磁気共鳴装置(NMR分光計)

固体NMR用のラジオ波出力強度の大きい分光計で、動的核分極NMRの計測を行っています。

計算サーバーと電源装置

マクロなものからナノスケールのものまで、各種数値解析に用いています。

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