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化学者のつぶやき

ナノグラムの油状試料もなんのその!結晶に封じて分子構造を一発解析!

 

深夜、化学者なら誰でも妄想にふけることがあるでしょう。

「すべての分子の構造が目で見えたらなあ…」

もう少し、”リアルな妄想”でいえば、

「なんでも試料を結晶化出来る方法がないかなあ…」

 

目で見えるのはこれこれなどいくつか報告されていますが、まだまだ実用的ではありません。しかし、後に述べますが、”きれいな単結晶”さえ作れれば理論的にはすべての分子を「目で見る」かのごとく扱うことができます。

 

さて本日、そんな妄想を実用的にするような、化学界に歴史的インパクトを与えるやも知れぬ驚愕の研究成果が、東大工学部の藤田誠・猪熊泰英らによってNature誌に報告されました。

 

X-ray analysis on the nanogram–microgram scale using porous complexes
Inokuma, Y.; Yoshioka, S.; Ariyoshi, J.; Arai, T.; Hitora, Y.; Takada, K.; Matsunaga, S.; Rissanen, K.; Fujita, M.
Nature 2013 doi:10.1038/nature11990

 

科学的に一言で述べるなら「非結晶性化合物のX線結晶構造解析を可能にした」という報告になります。

構造解析に携わる研究者であれば100人が100人、のどから手が出るほど欲しがる技術の一つである一方、その実現自体はにわかに信じがたいものです。

一体全体、どのような発想がこれを可能にしたのでしょうか?

単結晶を作るのはたいへん!

数ある構造決定法の中でも、単結晶X線構造解析(SCD)は究極的手法と位置づけられます。かなり昔より知られている手法ですが、他の汎用手法たるNMRやMSと違って、まるで分子模型を見ているかのような3次元像が一発で得られるという特徴ゆえです。それを可能とする機器、施設は科学の進歩により改良が重ねられ、一昔ではありえなかった複雑かつ巨大な分子構造までわかるようになってきました。

このように一旦成功すればヴィジュアル的にもインパクト大なのですが、強力な反面、使用に際してきわめて強い制約が必要となります。最大のボトルネックは単結晶の作成が必要なことです。

単結晶(Single Crystal)は、溶液中で分子が規則正しく配列した時に得ることができます。通常はある程度の量のサンプルが溶けた溶液から、ゆっくり溶媒を蒸発させて濃縮するか、低温下で保存することで単結晶を生成させます。単結晶が得られない場合、溶媒や温度を変えるなど様々な条件を検討しなくてはなりません。この過程はほとんどを試行錯誤に頼るまさしく職人芸の世界であり、最適化には膨大な時間(時には数ヶ月以上)を要することも珍しくありません。また、そもそも固体化しない化合物の単結晶は得ることができませんし、試料も0.1mgぐらいは必要です。

xray_fujita_6.png

 

このような類の化合物に対してSCD法は元来無力なのですが、今回報告された手法ではナノグラム単位でそういうものも測定可能だというのです。彼らはいかにしてこれらの制約を打ち破ったのでしょうか?

そのカギは「多孔性結晶」にありました。現代では一般にMOF/PCPと呼称される化合物群です。

たとえば以下のような配位子Lとコバルトを組み合わせれば、空隙を沢山もつネットワーク錯体[(Co(NCS)2)3(L)4]nが単結晶として得られます[1]。これは外部ゲスト分子を空隙内へと、ほぼ自在に出し入れできる特徴を持っています。

 

xray_fujita_8.jpg

これを眺めるうちに、このような発想を抱いたとしても不思議ではないと思われます。

 

「多孔性結晶に封じたサンプルは、孔内部で規則正しく整列してくれるのでは? となれば、単結晶として丸ごと解析できるに違いない」

 

xray_fujita_7.png

 

・・・もちろん言うは易く行うは難し。そうしたところで、規則正しく整列される保証は実のところありません。

しかし彼らの手で開発されたこの多孔性結晶は、この難点を見事に解決してのけます。ゲスト封入後しばらく放置するだけで、独特の孔壁面―ゲスト間相互作用が上手く働き、熱力学的最安定位置にサンプルが見事整列されるのだそうです・・・全く驚くほかありません。

 

ラフな手順でカジュアル解析

さて実際の測定手順ですが、これはまったく簡単そのものです。

1. 予め準備した多孔性結晶一個(0.1mm角)にサンプル溶液を1滴垂らします。
2. サンプルを空隙に浸透させるためにしばらく放置します。
3. 得られた結晶にX線を照射し、回折像から構造解析を行います。

たったこれだけです。シンクロトロン光なども必要なく、普通のX線回折装置で簡便に行えます。

xray_fujita_1.png

 

注目すべき点として、「構造解析のためには、必ずしも空孔部位を試料で100%満たさなくてもよい」ということがあげられます。彼らはこの手法を用いてグアイアズレンという化合物の構造解析を達成していますが、そこで明らかになったのは、空孔部位の60%しか試料で満たされていなかったということ。これは既に格子が整列しているため、分子がどの空間に入ろうと(隣が空孔であろうと)、同じように配列することができる多孔性単結晶ならではの特徴です(通常の分子は自身のみで配列して単結晶となるため、このような状態は当然起こり得ません)。

 

xray_fujita_5.png

60%程度の浸透率でも、構造解析可能。

構造決定の不可能を”可能”に!

彼らは本法の利便性を様々な角度でアピールすべく、数々の高難関構造解析に挑んでいます。代表例をご紹介しましょう。いずれもサンプル量は極微量(ナノ~マイクログラム)で済むという、驚異的な結果です。

 

●デモ①:重原子いらずで絶対立体配置を決定

化合物の絶対配置決定法の一つに、重元素のX線異常散乱を利用する手法が知られています。前提として、サンプルに重元素が含まれている必要があります。しかし本手法では、この重原子修飾が必要ありません。多孔性結晶に最初から重原子が含まれているためです。

実際に彼らは、CHO元素のみからなる天然物・サントニンを結晶に封じ、X線解析を行うことでその絶対配置を見事導きだすことに成功しています。

xray_fujita_2.png

 

●デモ②:HPLCとのコラボレーション・LC-SCD法

高速液体クロマトグラフィ(HPLC)は汎用性の高い分離機器ですが、各分画に含まれる成分の構造決定は、その微量さゆえ容易ではありません。

しかし本手法を応用することで、各分画ごとの極微量成分を一発構造解析することが出来ます。彼らはこれをLC-SCD法と名付けています。

その一例として、温州ミカンの皮に含まれるフラボノイドのHPLC分離→X線での構造決定を示しています。各フラボノイドはいずれも構造が似通いすぎているために、NMRでの区別がきわめて難しいものばかり。しかし本手法なら、原子レベルの像が得られ違いも一目瞭然というわけです。

xray_fujita_3.png

●デモ③:微量天然物の完全構造決定

海洋性微量天然物ミヤコシンAは、何とも悩ましい構造をしています。C14位の立体配置が未知なのですが、NMRはもちろん、全合成ですら完全決定の決め手とはなってくれません。加えてサンプルが多量確保できないため、結晶化検討もできないという有様。

その背景を鑑み、彼らはミヤコシンAを多孔性結晶に封じてX線結晶構造解析を行うことで、最高クラスに困難な構造決定を成し遂げています。

[追記] 後日ミヤコシンAの構造決定に関しては、誤りであったことが報告されました。今後の進展を期待したいとおもいます。Collectionはこちら。Nature 495, 461–466, 2013; doi:10.1038/nature11990 

xray_fujita_4.png

おわりに

 

SCD法の唯一かつ大きな欠点であった、「単結晶の作成」という長年に渡る職人的技術を、はじめて科学的に解決しうるこの手法はまさに驚愕の発見といえるでしょう。

一応現時点でのリミテーションらしきものも記しておきますと、構造が分かるとはいえ、結合長や結合角を精密議論できるほどの精度には無いようです。また当然ながら孔に入り込めないサイズの化合物には使えません。

とはいえ分子構造を決めるだけであれば、十分すぎるほどに実用的な手法といえます。多孔性結晶にしてもかなり巨大な孔サイズをもつものが続々と報告されている現状です。サイズ制限に関しては、近く大幅な拡張が期待できそうです。

微量成分の構造決定を必要としている分野は、基礎研究にとどまらず、医薬品の開発、食品の安全検査、科学捜査、香料の研究など・・・数え上げればきりがありません。それら幅広い分野に破格のインパクトを与えること間違いなしの本技術、今後どのように世界を変えていくのか・・・非常~に楽しみですね!!

(図は自作、または冒頭論文・論文[1]より引用して改変; 加筆:ブレビコミン, StarryNight)

 

関連論文

[1] Inokuma, Y.;  Arai. T.; Fujita, M. Nature Chem. 2010, 2, 780. doi:10.1038/nchem.742

 

関連リンク

 

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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