大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年12月06日

2022年12月6日
国立大学法人東北大学大学院理学研究科
公益財団法人高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】
● 高輝度放射光^（注1）とテラヘルツ光^（注2）を用いてファンデルワールス極限^（注3）のごく弱い水素結合による疎水性水和^（注4）の調節を観測しました。
● 多方面ですでに実用化されている生体適合性材料について分子内構造をもとにファンデルワールス相互作用の影響を分子レベルで解明しました。
● 非晶質材料の複雑な振動吸収スペクトルを、高精度第一原理計算^（注5）を駆使して的確に解析しました。

研究の背景
　ファンデルワールス相互作用は、生物学的機能の柔軟な調節機構を調べる上で鍵となる重要な相互作用です。中性分子間に働く引力として1873年にオランダの物理学者J.D.ファンデルワールスにより提唱され、その発生要因は、電荷分布の時間的揺らぎに起因する純粋に量子物理学起源の力によるものです。エネルギー領域は室温と同程度で、ファンデルワールス極限の水素結合は、室温でついたり離れたりしています。
　MPCモノマーはメタクリロイル基とホスホリルコリン基からなる化合物です（図2）。メタクリロイル基はモノマーどうしをつなぐ鎖の役目をします。MPCモノマーの親水性成分であるホスホリルコリン基は、細胞膜の外層を覆うリン脂質の主成分と同じであるため生体に馴染みやすく、生体内で拒否反応を起こしにくいという特徴を持っています。MPCモノマーを重合したMPCポリマーは、タンパク質や血球等の付着が著しく少なく（生体不活性^（注7））、医療用として人工肺や人工股関節に、また身近では、コンタクトレンズ、化粧品、繊維加工剤など多方面に実用化されています。MPCの生体不活性の特性は、メチル基、メチレン基に由来する疎水性水和と親水性分子内塩構造（図1）とのバランスからなる水和構造と関連していると考えられています。しかし、その分子レベルでの作用機構は明らかになっていませんでした。

研究内容
　東北大学大学院理学研究科の高橋まさえ研究員と松井広志准教授らの研究グループはMPCモノマーを極低温にして熱運動を抑制し、微量試料の測定に有効な大型放射光施設SPring-8^（注8）のBL43IRにおける高輝度放射光と、弱い水素結合の検出に有用なテラヘルツ光を用いて、ファンデルワールス極限の弱い分子内水素結合の形成を観測しました（図3）。さらに、高精度第一原理計算による理論解析で、温度上昇により切断される弱い水素結合を特定することに成功しました。本研究は島根大学学術研究院機能強化推進学系の森本展行教授、高輝度光科学研究センターの池本夕佳主幹研究員との共同研究の成果です。
　解析の結果、MPCモノマーは、極低温で側鎖が折りたたまれた形をとり、温度を室温まであげると、側鎖の末端をつないでいるファンデルワールス極限の弱い水素結合が切断され開放された形になることが明らかになりました。また、この水素結合は重合に関与するメタクリロイル基と結合を形成しておらずポリマー形成による影響を受けないと予想され、この現象はMPCポリマーの特徴を示していると考えられます。

今後の展望
　今回の研究は、ファンデルワールス相互作用により引き起こされる生体適合性材料の分子内構造変化を分子レベルで明らかにすることができ、医療現場を中心に実用化されている生体適合性材料の作用機序についての理解を深め、環境に敏感な生体適合性材料のデザインに新たな機軸を提供するものです。高輝度放射光では微量試料の測定が可能であり、環境に敏感な生体適合性材料や非晶質の生体試料の測定に適しており、高精度第一原理計算と組み合わせることで、自然界のいたるところで重要な働きをしているファンデルワールス相互作用の分子レベルでの理解を大きく広げると期待されます。東北大学で建設が進んでいる 3 GeVの高輝度放射光施設（次世代放射光施設NanoTerasu）が完成すると、高輝度放射光を利用する本研究は多様な手法を適用することで更に加速し、今後、これらの材料における革新的な機能の理解や開拓につながることが期待されます。

　本研究は JSPS 科研費（JP17K05825, JP19H05717, JP22H03969, JP22H05394）、宇部興産学術振興財団、東北大学MASAMUNE-IMR（課題番号: 202012-SCKXX-0201, 202112-SCKXX-0204）、JASRI(課題番号：2018A1198, 2021A1143)の支援により実施されました。

【用語説明】