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光でほどける螺旋状人工ナノ線維千葉大学 矢貝 史樹

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 微小線維とは,粒子状のタンパク質がユニットとなり,螺旋状に結合することで形成される線維状ナノ構造体であり,細胞形状の維持や細胞内での物質移動などの機能を担っている。生体系に見られるような精緻な微小線維を人工分子で構築することは挑戦的な課題である。特に人工系では,様々な機能を持った分子をユニットとして用いることで,生体系にはない独自の機能の実現が期待される。
 我々は今回,光照射によって螺旋構造がほどける人工ナノ線維の開発に成功した1)。この新しいナノ線維は,光異性化分子であるアゾベンゼンが線維状に集合することで形成される。アゾベンゼンの線維状集合体に関してはこれまでにも膨大な研究例があるが,本系はそれらとは一線を画する。本系では,アゾベンゼンは水素結合部位を持つナフタレン分子と複合化されることで,ロゼットと呼ばれる根生葉形の6量体に集合する(図1)。以前の研究において,ナフタレンを有するロゼットが連なって線維を形成する際に自発的な曲率が生まれることが明らかにされている。紫外光を照射する前はアゾベンゼンがトランス体であるため,ロゼットは葉がすべて開いたような形態をしており,一定の曲率を保ちながら結合し,螺旋状ナノ線維が形成される。ナノ線維の溶液に紫外光を照射すると,アゾベンゼンの異性化によってロゼットの「葉」が部分的に折れ曲がり,その結果自発的な曲率が損なわれる。この局所的な構造変化が螺旋構造全体で起こるため,螺旋構造がほどけて伸びきった線維へと構造変化する(図2)。この構造変化により,線維の見かけの長さ(末端から末端までの直線距離)は2μm程度から10μmまで大きく変化することもわかった。さらに,今回の光照射によるナノ線維の構造変化は,高エネルギー加速器研究機構における溶液中でのX線小角散乱実験においても確認された。
 近年,様々な刺激を用いて分子の形状を制御することが可能になってきている。しかし,分子が集まって形成されるナノメートルスケールの線維状構造体の形状を外部刺激によって変化させることはいまだ困難な課題であり,光によってこれを世界で初めて達成した本成果は新しいナノサイエンスを展開する糸口となりうる。今後は,螺旋構造に内包された分子を任意のタイミングで放出するナノシステムや,コンパクトな螺旋構造から網目のような線維構造への変化を利用した物質捕捉システムなど,生体機能を高度なレベルで模倣したスマートナノマテリアルへの発展が期待できる。

参考文献
1)B. Adhikari and S. Yagai et al., Light-induced unfolding and refolding of supramolecular polymer nanofibers, Nature Commun. 2017, 8, 15254.

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