[スポンサーリンク]

一般的な話題

分子の磁石 “化学コンパス” ~渡り鳥の磁場観測メカニズム解明にむけて~

[スポンサーリンク]

渡り鳥を含む多くの動物は方位を正確に把握する手段のひとつとして”地球の磁場”を知覚していると言われています。

生物物理学的メカニズムは未だ十分に理解されていないものの、長年の動物学者や化学者、物理学者らの活発な研究により、そのメカニズムが少しずつ明らかとなってきております。今回はこの磁気感受における複雑な生体内の現象を、モデル分子を用いて理解を深めている研究の一端について触れてみたいと思います。

鳥類の磁気感受メカニズムの仮説

鳥類が磁気を感じるための機構についていくつか仮説がありますが、網膜に存在する青色光受容体クリプトクロムと呼ばれるたんぱく質の一種であるフラビンアデニンジヌクレオチド (FAD) が磁気受容に関わる事が報告されて[1,2]以来、過去1978年にSchulten, K. らによって提案された光電子移動反応により生成される磁気的に敏感なフリーラジカルに基づく仮説、いわゆるラジカルペア機構 (Radical Pair Mechanism; RPM)[3] が動物の磁気感受のメカニズムにおいて特に注目を集めています。

Fig. 1. RPMにおける鳥の目の磁気受容の識別様式の概略図. (出典: [4]一部改編 詳細はこちら参照)

“RPM” 以外の説に、”マグネタイト”と呼ばれる体内に存在する極めて小さな磁石粒子を方位磁針とする仮説もあり[5]、現在、RPMとともにこの二説が動物の磁気受容の議論における有力仮説となっています。

ラジカルペア機構の検証課題

RPMに関わるタンパク質はFADの青色光励起により生成される空間的の離れたFADと対ラジカルのペアとされています。[6] このRPMの現象理解において、特に地球の磁場 (ca. 30-65 μT) と同じくらい弱い磁場下での反応を分光観測することが重要されていますが、in vitro での磁場効果は、単離された無傷のタンパク質に対し地球の約20倍の磁界でのみ観察されており、低磁場下の実験的証拠を提供している研究はほとんどありません。

DNAベースの磁気センサーの提案は、注目に値するものの、生成されるラジカルペアの寿命の短さや、ラジカルパートナー間の距離の近さなど、重要な問題があり、どちらも(低)電磁界に敏感なラジカルペアの検証において適しておりません。

Fig.2. FADの光励起サイクルと分子状酸素ラジカルを含んだ想定反応スキームの概略図.(出典: [7]

そこで光化学反応が渡り鳥の磁気センサーの基礎を形成できるという原理を確立するため、最近の研究ではモデル分子を適用するケースもあります。

CPF分子の特徴と適応例

DNA由来の磁気センサーに比べ、ハンドリング容易かつ光誘起ラジカルペアの寿命が比較的長く、地球の磁場と同じくらい弱い磁場に敏感な ”カロテノイド-ポルフィリン-フラーレン系分子 (CPF)” がモデル分子として提唱されております。[1,8,9]

Fig. 3. カロテノイド-ポルフィリン-フラーレンモデル系の分子 (CPF). (出典: [8] 一部改編)

では、このCPF分子の特徴について見ていきましょう。
一般に、磁場効果はドナーとアクセプターが溶液中で自由に拡散するラジカルペアシステムもしくは分子内におけるラジカル同士が柔軟な鎖によって結合されて大きな内部運動が容易であるラジカルペアの組み合わせで、観測が可能となるとされております。モデル分子であるCPF分子は光励起より生じる一次ドナーが分子中におけるドナー-アクセプター種を介して、最終的なアクセプターに移動する多段階電子移動を利用し、ラジカルペアを高収率で形成することができるといった特徴があります。[10,11] 加えて、本CPF分子は合成が簡便であり、有機溶媒に非常に溶けやすくハンドリング性に優れているされております。

つぎに、励起過程における状態を少し詳しく見てみましょう。
下図のように、532 nmの励起光にてまずポルフィリンが CSPF に光励起された後、すみやかに分子内電子移動が行われ、最初にピコ秒の寿命をもつ一次ラジカルペアCS[P•+F•–] が生成されます。それに続く電子移動により、おおよそ1マイクロ秒の寿命をもつ第二のラジカルペア [C•+PF•–] が形成されます。温度や溶媒などの雰囲気によりますが、第二のラジカルペアは主に一重項状態で存在しており、三重項状態で生成されるラジカルペアはわずかとされています。このとき、磁場の存在により一重項状態と三重項状態の相互変換過程が影響を受け、再結合するラジカルペアの割合が変化するとされております。[9]

Fig. 4. CPF分子のエネルギーダイアグラムと電子スピン状態. (出典: [9])

化学コンパスとしての性質

光化学的に形成されたラジカルペアの寿命が磁場によって変化することを実証し、磁気センサー、すなわち”化学コンパス”としての動作に不可欠な異方性の化学的応答性が評価されます。これまでは冒頭で述べたように多くの実験的な調査では地球の低磁場よりも数桁強い試験環境で行われているため、弱い磁場に対する感度についての知見はまだまだ研究報告が少ないとされていました。

Kerpal, C. らはこのCPF分子を用いて比較的弱い磁場条件 (50-200 μT)での化学コンパスの応答性について調査し、ついに磁気応答性を有するラジカルペアが地球レベルの低磁場領域でも機能を発現することを初めて実証したと2019年のnature communicationsにて報告しました[8]

Fig.5. 実験装置の概略図と磁場効果.(出典: [8]一部改編)

弱い磁場は主に S–T0相互変換効率を高め、より強い磁場はゼーマン効果を介してラジカルの再結合に影響を与え、一重項–三重項ミクシングを抑制させると言われてます。[8,12]

おわりに

鳥類の磁場感知メカニズムの概要と最近の研究例について見てきました。動物たちがもつ複雑な”化学コンパス”についても、CPFのようなモデル分子を駆使することで少しずつ紐解かれつつあります。検証が困難な世の中の未知に対し、分子設計とそのアプローチの仕方で取り組むことができるのが化学の醍醐味のひとつですね。

参考文献

  1. Maeda, K., et al., Nature, 2008, 453, 387. DOI: 10.1038/nature06834
  2. Ahmad, M., et al., Nature, 1993, 366, 162–166. DOI: 10.1038/366162a0
  3. Schulten, K., et al., Z. Phys. Chem., 1978, 111, 1–5. DOI: 10.1524/zpch.1978.111.1.001
  4. Gauger, EM., et al., Phys. Rev. Lett., 2011, 106, 040503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.040503
  5. Beason, R C., et al., Nature, 1984, 309, 151–153. DOI: 10.1038/309151a0
  6. 前田光憲, 化学と教育, 2016, 64.
  7. Schulten. K., et al., Biophys. J., 2009, 96, 4804–4813. DOI: 10.1016/j.bpj.2009.03.048
  8. Kerpal, C., et al., Nat. Commun., 2019, 10, 1-7. DOI: 10.1038/s41467-019-11655-2
  9. Maeda, K., et al., Chem. Commun., 2011, 47, 6563–6565. DOI: 10.1039/c1cc11625h
  10. Kodis, G., et al., J. Phys. Org. Chem., 2004, 17, 724–734. DOI: 10.1002/poc.787
  11. Kuciauskas, D., et al., J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 10880-10886. DOI:10.1021/ja981848e
  12. Lewis, A.M., et al., J. Chem. Phys., 2018, 149, 034103. DOI: 10.1063/1.5038558

関連書籍

関連リンク

〇Forbes Japan: 科学が解明、渡り鳥たちの「驚異的方向感覚」のミステリー (https://forbesjapan.com/articles/detail/20545)

 

ちおふぇん

投稿者の記事一覧

世の中の課題に対して分子レベルでのモノづくりからの解決を夢見る有機材料屋さん。
興味の対象は構造と物性およびそのその発現メカニズム。
好きな読み物は月刊化学のシリーズ連載。

関連記事

  1. 組曲『ノーベル化学賞』
  2. 【予告】ケムステ新コンテンツ「元素の基本と仕組み」
  3. 「重曹でお掃除」の化学(その2)
  4. 反応がうまくいかないときは冷やしてみてはいかが?
  5. 細胞表面受容体の機能解析の新手法
  6. 資金洗浄のススメ~化学的な意味で~
  7. 静電相互作用を駆動力とする典型元素触媒
  8. トリプトファン選択的なタンパク質修飾反応の開発

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 『鬼滅の刃』の感想文~「無題」への回答~
  2. 大学院講義 有機化学
  3. 高活性な不斉求核有機触媒の創製
  4. 対決!フタロシアニンvsポルフィリン
  5. 触媒のチカラで拓く位置選択的シクロプロパン合成
  6. 細胞集め増やす化合物…京大化学研発見、再生医療活用に期待
  7. アメリカで医者にかかる
  8. ロドデノール (rhododenol)
  9. サイエンスアゴラ2015総括
  10. 有機反応の立体選択性―その考え方と手法

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2021年7月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

注目情報

最新記事

研究のプロフェッショナルに囲まれて仕事をしたい 大学助教の願いを実現した「ビジョンマッチング」

「アカデミアから民間への移籍は難しい」「民間企業にアカデミアの研究者はな…

SNS予想で盛り上がれ!2022年ノーベル化学賞は誰の手に?

さてことしも9月半ば、ノーベル賞シーズンが到来します!化学賞は日本時間 10月5日(水) 18時45…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける予測モデルの解釈性を上げるには?

開催日:2022/09/28 申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の影…

クラリベイト・アナリティクスが「引用栄誉賞2022」を発表!

ノーベル賞発表時期が近づき、例年同様、クラリベイト・アナリティクス社から2022年の引用栄誉賞が発表…

「つける」と「はがす」の新技術|分子接合と表面制御 R4

開講期間令和4(2022)年  9月28日(水)、29日(木)(計2日間)募集人員15名…

ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2022年版】

各媒体からかき集めた情報を元に、「未来にノーベル化学賞の受賞確率がある、存命化学者」をリストアップし…

第31回Vシンポ「精密有機構造解析」を開催します!

こんにちは、今回第31回Vシンポの運営&司会を務めさせていただくMacyです、よろしくお願い…

理化学機器のリユースマーケット「ZAI」

不要になった理化学機器どうしていますか?大学だと資産や予算上の関係でなかなか処分に困るところ…

『主鎖むき出し』の芳香族ポリマーの合成に成功 ~長年の難溶性問題を解決~

第420回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院理学研究科理学専攻 物質・生命化学領域 有機化…

研究費総額100万円!30年後のミライをつくる若手研究者を募集します【academist】

みなさんの隣の研究室では、どのような研究者が、何の研究を進めているかご存知でしょうか。隣の研究室なら…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP