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平岡研究室では「分子自己集合」に関する研究を行っています。

分子自己集合とは

 分子自己集合は,構成要素となる分子が自発的に集合し,ある秩序立っと構造体を形成する現象で,自然界ではDNAの二重らせんの形成,細胞膜の要素である脂質が集合化して作る脂質二重膜などが自己集合体です.また,タンパク質の折りたたみや折たたまった構造がさらに集合化する現象も自己集合です.ウイルスの殻構造(カプシド)は数種類ものタンパク質が複雑に自己集合して作られた構造です.一方,1990年代から,分子自己集合体を人工的に作る試みが始まり,これまでに沢山の人工自己集合体が作られています.自然界に見られる自己集合も人工系の自己集合も,構成要素が自発的に集まり,ある1つの構造を形成する仕掛けが必要で,最終構造をへ導く主な情報は構成要素に中に組み込まれています.具体的にその情報とは,構成要素間に働く分子間相互作用と言われる普通の化学結合(共有結合)よりも弱い結合で,これを構成要素の中へどのような空間配置で織り込むかで最終構造が決定します.また,自己集合を行う環境も構造体の決定を左右する重要な因子で,実際には,構成要素に組み込まれた情報だけでなく,構成要素外の物質によっても自己集合が支配されています.

分子自己集合の魅力

 自然界が自己集合をうまく取り入れているには , それなりの理由が存在します.ある物質を作る場合,原子と原子の間に化学結合を作り組み立てていかなければなりません.実際,生命活動を司る全ての分子が化学結合を介して作られていますが,とても大きな構造体を作る場合,全てを共有結合で作ろうとすると,大変な労力がかかることと,もし間違って結合を形成してしまうと,修復も大変になってしまいます.一方,自己集合では小さな構成要素を用意すれば,これらが自発的に集まり,構造体を形成するために,かかる労力は小さい構成要素を作るために必要な分で済みます.また,分子自己集合で使われる分子間相互作用は可逆なため,一度間違って結合を形成してしまっても,これを元に戻して正しい集合体へ導くことができるために,とても高い効率で大きな構造体を作り上げることが可能になります.このような利点から,分子自己集合は生命系のみならず,物質の合成手法としても利用されています.

平岡研究室で取り組んでいること

 平岡研究室では,分子自己集合に残されている2つの問題に取り組んでいます.

(1) 分子自己集合がどのようにして起こるのか?

 分子自己集合という現象が見つかって以来,この美しい現象がどのように起こるのかという,反応機構については長らく謎のままでした.我々の研究室では,2014年から自己集合性金属錯体を題材に,この問題に取り組み,QASAP (Quantitative Analysis of Self-Assembly Process)という独自の解析手法を開発し,これを利用して,これまでに,カプセル型,カゴ型,環状型などの自己集合体の形成機構を明らかにしてきました.これにより,多くの分子自己集合が通常の化学反応と異なり,様々な経路を経て進行することが明らかになりました.我々の研究室の目標は,多数の自己集合体の形成機構の解明をとして,分子自己集合を支配する原理をあぶり出すことです.自己集合性金属錯体の形成機構を調べている研究グループは世界で我々の研究室だけで,現在,QASAPを利用して世界中の研究者との共同研究を進めています.

(2) 弱くて方向性の乏しい分子間相互作用だけを使って一義安定自己集合体を形成できるのか?

 秩序立った分子自己集合体を形成するためには,分子間相互作用の方向性に関する情報を構成要素にどのように組み込むかにかかっています.分子間相互作用の中にはvan der Waals (vdW)力のように方向性に乏しく,さらにその力も弱い力があります.しかし,自然界ではvdW力が効率よく利用されている例があります.我々の研究室では,vdW力や疎水効果といった化学結合の方向性を欠いた弱い相互作用を使って,一義安定自己集合体を形成することを試みています.化学結合に方向性がないために,これを補うために,分子に凹凸表面をデザインしこれらの噛み合いにより方向性とともに安定性を獲得できるようにしました.これは,釘や接着剤を使わずに木材を噛み合わせる”ほぞ”と言われる方法と似ており,「分子ほぞ」と名付けています.分子ほぞを使うことで,vdW力のような弱い相互作用しか利用していないにも関わらず,水中で150 °C以上でも安定な一義自己集合体を形成できることがわかりました.この研究における目標は,分子ほぞをデザインする原理を確立し,あらゆる分子自己集合体を分子ほぞで形成できるようにすることです.

[より詳細な研究成果はResearchをご覧ください]

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東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 平岡研究室(機能超分子化学研究室)

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