研究成果 2011/12/13
地球上に生息する生命体はすべて右利きあるいは左利きの分子からできています。例えばタンパクをつくる素材のア ミノ酸は左利き、DNAの元となる糖はすべて右利きです。一方フラスコ中の化学反応では左利きと右利きの分子（鏡像異性体）がそれぞれ等量できるにも関わ らず、生命体は左右分子のどちらかしか利用していません。生命分子にはなぜ利き手があるのか？科学者の間では生命ホモキラリティーの謎と呼ばれ、19世紀 後半にルイ・パスツールが発見してから150年以上も続く未解決の問題とされています。
その謎の起源については諸説あり、新たに加わった のが、生命の海での攪拌説です。生命が誕生したとみられる35億年前の地球は、月との距離は現在の半分ほどであったため、原始の海には激しい引力による潮 の満ち干の差が大きく撹拌されており、その渦の中で左右どちらかに偏った有機分子ができ、生命が誕生したという説です。
本学物質創成科学 研究科 高分子創成科学研究室博士課程２年の田口誠氏と藤木道也教授並びに東京理科大学理工学部 工業化学科 岡野久仁彦助教、 山下俊准教授の共同研究チームは、赤色発光性レーザーに使う色素のローダミンBという物質を高分子のゲル中に少量溶かし込み、一定の方向に撹拌しながら加 熱したり、冷やしたりするだけで、高効率のらせん状の特殊な偏光（円偏光）を発生させたうえ、撹拌の方向により左右どちらの円偏光も得ることに世界で初め て成功しました。特別な化学反応試薬を一切使用せずに分子の左右を自在に発生する手法が実現することは、科学者の間では21世紀に残された解決すべき課題 の一つとされていました。
共同研究チームは「水の惑星に誕生した生命ホモキラリティーの謎を解く鍵は、細胞構造を模した含水ゲル状構造に あるのではないか？そして溶液の渦巻きの方向だけで分子の左右性が自然発生するのではないか？」との仮説に基づき研究を開始しました。まず、左右構造の発 生を分光的に可視化するために色素のローダミンB、細胞の構造に似た環境を作り出す材料として紙おむつにも使用される水溶性高分子ゲル化材を用いて検討し ました。
含水ゲル状構造は、室温ではゲル状態（寒天のように柔らかいが半分固まった状態）にありますが、高温ではゾル状態（溶液のように さらさらの状態）へ可逆的に変化することができます。そこで、縦横1cm、高さ3.5cmの角形石英セルの容器に水を99％、高分子ゲル化剤を1％の割合 で入れたうえ、ローダミンBを極く微量入れた試料を調製しました。そして温度を80℃にして一旦ゾル状態にしたのち、撹拌子を毎分1500回転撹拌しなが ら左右どちらかの渦を発生させ、温度を下げながらゲル状態としました。
詳細な円偏光吸収発光測定解析の結果、右または左の円偏光発光が発 生し、その偏光状態は１年以上も安定に保持されていました。円偏光発光の左右性は渦巻きの方向だけで決定されました。しかしながら温度を再び80℃以上に するとゾル状態になって円偏光状態が完全に消失しました。さらに回転方向を逆にして冷却し、ゲル状態とすると今度は円偏光発光の符号が逆になって現れまし た。何度でも左右どちらかの不斉構造を発生させることができ、80℃に暖めて冷却すれば逆の方向にひねることができました。また、これらの方法だけで、分 子の左右性を可逆的に何度でも発生、消失、反転することができました。常温と80℃の間で行う簡便操作ながら円偏光度は最大3％と非常に大きな値を与えま した。
本成果は生命ホモキラリティーの起源を解き明かす鍵となるばかりか、有機溶媒は一切使わず水を溶媒にして温和な条件下、特殊な触媒 や特殊環境下のもとで行う不斉化学反応であり、強力な磁場などを必要としないで、左右分子の作り分けを可能にする次世代の不斉合成の新概念、新技術です。 このことから、種々の合成色素や天然色素（現在数千種類以上が市販または容易に入手が可能）と、紙おむつのような入手容易な高分子ゲル化剤を組み合わせる ことによって、室温と100℃の範囲での加熱冷却のみで左右の円偏光特性を自在に付け加えることができ、また、溶媒は水のみを使用するため安全性、作業性 に優れます。環境・エネルギー・資源にやさしい自然の仕組みに学ぶ21世紀のものつくりとして、完全円偏光度（±100％）を示す偏光機能素子材料の研究 開発にはずみがつくことが期待されます。
この研究成果は、総合化学速報誌としては最も権威あるAngewandte Chemie International Edition 電子版に掲載されました。本論文はFrontisepiece piece に選出され、論文全文のWeb公開に先立ち平成23年9月28日に概要が同誌Webにて先行公開されました。
