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光でほどけるらせん状人工ナノ線維 ~人工細胞からドラッグデリバリーまで幅広い分野への応用に期待~

 千葉大学と大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構(KEK)は2017年5月10日,同大学大学院工学研究科の矢貝史樹 准教授を中心とした研究チームが,光を当てると「らせん構造」がほどける人工のナノ線維の開発に成功したと共同発表した.本研究は,日本学術振興会 科学研究費補助金・新学術領域研究「π造形科学」の一環として実施された.本成果は,英国のオンライン科学雑Nature Communicationsに掲載された(注).

 生体細胞内に存在する微小線維は,細胞形状の維持,形の制御,さらには細胞内での物質移動を担っている糸状のナノ構造体である.主にアクチンと呼ばれる粒子状タンパク質が単位ユニットとなり,多数のユニットがらせん状に結合することで直径10nmほどのナノ線維が形成される.これに対し,生体系に見られるような精緻な構造を持つナノ線維を人工的に構築することは挑戦的な課題であり,世界中で活発に研究されている.人工の材料を使い様々な機能を持った分子を単位ユニットとして用いれば,生体系にはない独自の機能を実現できる可能性がある.

 研究チームは,今回世界で初めて,光でらせん構造がほどける人工のナノ線維の開発に成功した.この新しいナノ線維は,光で折れ曲がる性質を持ったアゾベンゼン分子を単位ユニットとして形成する.アゾベンゼン分子を水素結合によって6個集め,“ロゼット”と呼ばれる根生葉(タンポポのように放射状に広がった葉)の形にすると,ロゼットは一定の湾曲率を保ちながら結合してゆき,らせん状のナノ線維を形成する.モノマー分子がこうした弱い結合で連結した高分子は「超分子ポリマー」と呼ばれる.ロゼットの「葉」が全て開いている時は,らせん状のナノ線維を形成する.紫外光(波長365nm)をあてるとアゾベンゼン分子がトランス型からシス型へ異性化するため,ロゼットの葉が部分的に折れ曲がる.その結果,らせん状ナノ線維の湾曲性が維持できなくなる.この局所的な構造変化がらせん構造全体で起こるため,らせん構造がほどけて伸びきった線維へと構造変化する.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.シス型のアゾベンゼン分子に可視光線(波長470nm)をあてると逆異性化されてトランス型に戻せるので,らせん状のナノ線維に戻すこともできる.このようなナノ線維の構造の変化は,KEKのX線小角散乱測定装置(X線の波長1.5Å)などによる計測により明らかになった.

 本研究は,光の照射によって分子より少し大きなサイズ,すなわちnmスケールの物体の形状を変化させ,制御することを可能にした画期的な成果である.今後,らせん構造内に内包された薬剤などを患部へ任意のタイミングで放出するドラッグデリバリーシステムや,コンパクトに折りたたまれたらせん構造から網目のような線維ネットワークを一気に広げて物質を捕捉するナノシステムなど,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としている.

(注)Bimalendu Adhikari, Yuki Yamada, Mitsuaki Yamauchi, Kengo Wakita, Xu Lin, Keisuke Aratsu, Tomonori Ohba, Takashi Karatsu, Martin J. Hollamby, Nobutaka Shimizu, Hideaki Takagi, Rie Haruki, Shin-ichi Adachi, and Shiki Yagai, "Light-induced unfolding and refolding of supramolecular polymer nanofibers", Nature Communications, Vol. 8, Article number: 15254 (2017), doi: 10.1038/ncomms15254; Published online: 10 May 2017