大阪大学大学院理学研究科の橋爪章仁教授および原田明特任教授(常勤)らの研究グループは、環状オリゴ糖 （α-シクロデキストリン （α-CD））とアレイ状軸分子（2ステーション軸分子）から形成される擬ロタキサン において、分子上で同時に起こる自発的な動きと化学反応を観測し、両者が連動していることを世界で初めて明らかにしました。 （図1）

生体系では、例えば筋肉などにおいて生体分子マシン あるいは生体分子モーターが運動方向の制御を巧みに行っていますが、人工分子マシンでの運動方向の制御は極めて困難であると考えられており、現実社会で利用されているラチェット機構 に似た分子ラチェット の実現が強く望まれています。 （図2）

本研究グループは、α-CDと2ステーション軸分子の擬ロタキサン形成を核磁気共鳴(NMR)分光法 により詳細に調査することにより、α-CDの運動と重水素化反応 の同時観測を世界で初めて成功し、両者が連動していることを明らかにしました。これにより、人工分子ラチェットが実現でき、生体分子モーターに匹敵する高効率の人工分子マシンへの展開が期待されます。本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に、6月12日（火）18時（日本時間）のオンライン版で公開されました。

図1　α-シクロデキストリン(α-CD)の並進運動と重水素化反応が同時に起こる擬ロタキサン（人工分子マシン）
黒字で描かれた2ステーション軸分子上でグレーの矢印方向にα-CD（水色）が動くのと同時に重水素化反応が起こる。

図2　人工分子ラチェットの概念図
ある原料から生成物が生成される一定方向の化学反応と共役する化学反応をマシン分子上で引き起こすことにより、方向性を有した動きを生じさせる制動機構

生体系では、生体分子マシンあるいは生体分子モーターが運動方向の制御を巧みに行っています。現実世界では、機械の運動方向を規定するためにラチェット機構が利用されています。同様に、分子マシンの運動方向を規定する機構として分子ラチェットが考えられます。しかし、人工系における分子ラチェットはこれまで2、3件の報告があるだけで、その実現や応用は今なお挑戦的な研究課題です。

今まで、原田明特任教授（常勤）の研究グループは、環状オリゴ糖であるシクロデキストリンをキー化合物として様々な超分子システムを構築し、世界に先駆けて、巨大集合体（超分子ポリマー）や刺激応答性巨視的集積体などを発表してきました。先に同研究グループでは、6個のグルコース単位からなるα-シクロデキストリン(α-CD)とダンベル状分子（1ステーション軸分子、ここでステーションとはα-CDが滞在できる部位）あるいは2ステーション軸分子から形成される擬ロタキサンの形成を詳細に調査し、1ステーション軸分子、2ステーション軸分子に結合したメチル基が釣り針のもどりのように働くため、α-CDの包接方向や並進方向が制御され、分子ラチェットに似た働きをすることを明らかにしていました(Harada et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12186-12187; Chem. Commun. 2009, 5515-5517)。さらに、最近、α-CDが2ステーション軸分子を包接およびステーション間に並進するときに、軸分子中の水素原子が媒体である重水中の重水素と置き換わる重水素化反応を発見しました(Hashidzume and Harada et al.Tetrahedron 2017, 73, 4988-4993)。

今回、橋爪章仁教授と原田明特任教授（常勤）の研究グループでは、原田明特任教授（常勤）の研究グループの発見を元に、新たに設計した2ステーション軸分子を用いることにより、α-CDの包接、並進運動、そして重水素化反応 （図3） を核磁気共鳴(NMR)分光法によって同時に観測することに、世界で初めて成功しました。その結果を、今回独自に構築した単純化モデル （図4） によって解析した結果、擬ロタキサン形成におけるα-CDの包接、並進運動の速さ（速度定数）を評価しました。それらの速度定数と重水素化の見かけの速さ（速度定数）を比較することにより、両者が同時に進行し、互いに連動していることが示されました。

図3　擬ロタキサン中で進行する2ステーション軸分子の重水素化反応

図4　α-CDと2ステーション軸分子からなる擬ロタキサンの形成過程についての単純化モデル

本研究成果をもとに、高頻度で発生するエネルギー放出を伴う化学反応と、障壁を持つ階段状ポテンシャル上の運動を組み合わせると、化学反応で得られたエネルギーによって障壁を超えられるため、分子マシンが動く方向を規定できます（ 図2 中、黒い線で表されるポテンシャル上をボールが左から右に移動する場合、上り坂を手で越えさせるとどんどん右に進んでいきます）。この仕組みは人工分子ラチェットであり、それを利用すると生体分子モーターに匹敵する高効率の人工分子マシンへの展開が期待されます。

本研究成果は、2018年6月12日（火）18時（日本時間）に英国科学誌「Scientific Reports」のオンライン版で公開されました。
タイトル：“Toward a translational molecular ratchet: face-selective translation coincident with deuteration in a pseudo-rotaxane”
著者名：Akihito Hashidzume,Akihiro Kuse, Tomoya Oshikiri, Seiji Adachi, Mitsutaka Okumura, Hiroyasu Yamaguchi, and Akira Harada
DOI：10.1038/s41598-018-27226-2

なお、本研究は、内閣府革新的研究開発推進プログラムImPACTの一環として行われ、北海道大学電子科学研究所押切友也助教、大阪大学大学院理学研究科奥村光隆教授および山口浩靖教授の協力を得て行われました。