このたび、筑波大学数理物質系中村助教の研究グループは、大阪大学大学院理学研究科、北里大学未来工学部との共同チームによる研究にて、 水中でリン酸を選択的に捕捉する新たな環状オリゴ糖（シクロデキストリン）分子を開発し、さらに、この環状分子が水分子と調和しながらリン酸を捕まえる詳細なメカニズムを明らかにしました。水分子と物質の相互作用の解明に寄与し、水環境で機能する材料開発への貢献が期待される成果です。

環状の分子は、その内孔に特定の分子を取り込むことから、分子センサーなどとして利用されています。特に、水の中で特定の分子を精密に認識して捕まえることは、医薬品開発や環境科学などの分野で重要とされています。環状分子が分子を捕まえるのに用いる重要な分子間相互作用に、水素原子を仲立ちにして隣接する分子同士が引き合う水素結合があります。しかし水が存在する環境下では、水分子が水素結合部位に「競争」的に作用するため、水中で水素結合によって分子を認識する環状分子を開発することはチャレンジングな課題でありました。

本研究では、水分子との「協奏」的な相互作用により、水素結合を用いた精密な分子認識を実現する新しい環状分子を開発しました。具体的には、水素結合部位としてアミド基（-CONH-）を多数導入した新しいシクロデキストリン（環状オリゴ糖）を合成しました。この分子は水中でリン酸を捕捉する一方で、スルホン酸やカルボン酸とは結合せず、優れた選択性を示しました。そして、核磁気共鳴（NMR）分光法、等温滴定熱測定（ITC）、分子動力学（MD）シミュレーションを駆使した解析により、環状分子が水分子と調和しながら多点水素結合によってリン酸を選択的に捕まえる詳細なメカニズムを明らかにしました。

本研究の成果は、新しい環状分子の設計指針を示しただけでなく、水分子と物質の相互作用の解明に寄与し、水環境で機能する材料の開発に大きく貢献するものです。

【参考図】水中でリン酸アニオンを捕まえる環状分子の開発とその分子認識メカニズムの解明
　(a) 本研究で開発した多数のアミド基をもつシクロデキストリンの構造とアニオン選択性
　(b) 核磁気共鳴(NMR)分光法によるリン酸の包接構造の解析
　(c) 等温滴定熱測定(ITC)によるリン酸の結合に伴う反応熱の測定
　(d) 分子動力学(MD)シミュレーションによる分子間の水素結合様式の解明

なお、本研究の成果は、Chemical Scienceに掲載され、令和６年11月22日にオンライン公開されました。

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• 大阪大学理学研究科高分子科学専攻高分子精密科学研究室（橋爪研究室）