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Editor’s Choice

結晶スポンジ法

結晶化不要のX線結晶解析

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工学系研究科・工学部
2013/12/10

X線結晶構造解析(X線結晶解析)は、分子構造解析の最も信頼できる手法だが、結晶化段階が大きなネックとなってきた。藤田誠教授らが開発した「結晶スポンジ法」はこの段階を不要にし、構造解析に革命をもたらすと期待される。

X線で分子を「見る」

化学者の最大の悩みは、その研究対象である「分子」を、直接見ることができない点にあります。化学者にできるのは、光や電場、磁場を使って得られるデータを見て分子構造の推定を行うことだけです。近年、電子顕微鏡が長足の進歩を遂げていますが、詳細な分子構造を議論できるレベルにはまだ達していません。図に描かれた分子の姿というのは、分子を「見た」結果ではなく、さまざまなデータを元にして間接的に割り出した「想像図」でしかないのです。

分子の構造解析において最も信頼できる手法の1つに、X線結晶解析というものがあります。この手法は、結晶状態の物質にX線を照射し、得られる斑点のパターン(回折)を解析することにより、分子構造を細部まで詳細に割り出すものです。X線結晶解析では分子の立体的な構造を精度良く決定できるため、「分子を見る」ことに最も近い行為といえます。

X線結晶解析の泣き所は、化合物を必ず結晶化させる必要がある点です。結晶は、化合物が3次元的に規則正しく詰まったものであり、この状態でなければ解析はできません。しかし分子の性質により、なかなか結晶化しない化合物は多数存在します。例えば、柔らかい鎖状構造を持つ化合物は、分子同士がまとまりにくく、油状にしかならないことがほとんどです。年単位の時間をかけても、良質の結晶が得られないことさえあり、研究の大きな足かせとなってきました。

結晶スポンジ法の登場

(図1)自己組織化による格子状結晶の形成""

(図1)自己組織化による格子状結晶の形成
© 藤田研究室

学問における大きなブレイクスルーは、えてして全く予想もしない分野から現れます。結晶化という化学100年の難問を解決するアイディアは、一見何の関係もない「超分子化学」というジャンルから現れました。

工学部応用化学科の藤田誠教授は、超分子化学の分野で著名であり、特に自己組織化(単純な化合物同士が自発的に組み上がり、複雑なシステムを形成する)の研究で多くの業績を挙げています。

藤田教授らは、金属イオンとある種の有機化合物が、自己組織化によって3次元的な格子状の結晶を作ることを見出し、長年研究してきました。この結晶は内部に規則正しく空間を残しており、スポンジのような多孔質になっています。

(図2)結晶スポンジ法の概要

(図2)結晶スポンジ法の概要
© 藤田研究室

構造を解析したい化合物の溶液に、この「結晶スポンジ」を浸すと、化合物が内部の空間に吸収され、一定の配置に並びます。これをX線結晶解析すれば、目的化合物の構造がきれいに解明できます。運頼みで時間のかかる結晶化というプロセスを経ることなく、極めて微量の試料(最低数十ナノグラム)でも分析が可能です。この結果は2013年に「Nature」誌に掲載され、内外の学会誌などでも「革命的な分析手法」と紹介されるなど、科学界に衝撃をもって迎えられました。

(図3)結晶スポンジ法で決定されたグアイアズレンの構造

(図3)(図左)結晶スポンジ内の小分子の様子、(図右)結晶スポンジ法で決定されたグアイアズレンの構造
© 藤田研究室

結晶スポンジ法は、「不規則な形状の分子が偶然にきれいに並ぶのを待つのではなく、マンションのように仕切られた部屋に入ってもらえばよい」という原理であり、アイディアとしてはごくシンプルです。また、こうしたグリッド状の結晶は「金属有機構造体」(Metal-Organic Framework; MOF)と呼ばれ、近年世界中で研究競争が繰り広げられている分野です。

にもかかわらず、藤田研究室だけがこの成果に辿り着けたのは、グループの20年にわたる蓄積がものを言った結果です。分子同士の相互作用に関する理解、長年X線結晶解析を行なってきた経験、望みの化合物をデザインして作る有機合成の手法など、これまで積み重ねてきたハイレベルの技術と知識が相まって、初めて得られた成果といえます。

始まったばかりの結晶スポンジ法には、まだまだ改善と発展の余地が残されています。誰もが微量のサンプルの構造を手軽に割り出せるようになれば、文字通りの構造解析革命となります。その日に向け、なお努力は続けられています。

文:佐藤健太郎(サイエンスライター)

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大学院工学系研究科 応用化学専攻 藤田研究室

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