Saito Laboratory 埼玉大学 理工学研究科 齋藤研究室

当研究室では以前より，高い電場で物質を分離する電気泳動を用いることによって金属イオンを分離検出する技術を開発してきました。 電気泳動法の中でも特に高分離が期待できる方法にキャピラリー電気泳動法（CE）があります。CEは、nLレベルの試料を内径数十μmの溶融シリカ細管中で電気泳動的に空間分離する方法です。 一般にCEは導入試料量が少ないため、濃度感度が低いことが知られていますが、レーザー励起蛍光検出法（LIF）を併用することで蛍光物質を高感度検出できることが知られています。

一方、金属イオンは一般に蛍光物質ではないのでCE-LIFを利用することはできません。 そこで，CE-LIFを用いて金属イオンを計測可能とする新規蛍光性物質（プローブ）を開発しています。 このプローブをCE-LIFに適用することでpMレベルの金属イオンの超高感度分離検出が簡易にできるようになりました。 この様なCE-LIF用の金属検出用蛍光試薬を開発しているのは世界でも当研究室だけです。

最近では，アクチノイドイオン（An）やランタノイドイオン（Ln）といった重金属を超高感度に計測するため，AnおよびLnに適合した蛍光プローブを開発しています。 この技術は，使用済核燃料などの放射線量が高く，大量に扱うことが困難な試料に適した方法として，日本原子力研究開発機構とも共同研究を進めています。

キャピラリー電気泳動法（CE）の多くは分子やイオンなどの小さな物質を分離するために開発されてきました。しかし、世界の幾つかの研究グループでは細菌や細胞をCE分離する方法も研究されています。

当研究グループでも細菌の分離検出に挑戦しています。 その際、細胞表面の炭水化物と選択的に結合し、強い発光（蛍光）を示す色素を開発し、この新規色素を使ってCE-レーザー励起蛍光検出法（LIF）で高感度分離検出する方法を開発しました。 この方法は、他の物質からの妨害があまりない長波長（630 nm）の発光を使っており、キャピラリー管内で細菌と反応させるために染色などの前操作がいらない簡便な方法です。 さらに、従来はCE分離の際に、細菌の会合体が出来てしまうために一つの属に対し複数のピークが検出されてしまうことが問題でしたが，高分子の添加と等速電気泳動法の組み合わせによる特殊な濃縮法（polymer-enhanced capillary transient isotachophoresis）を考案し、 一つの属に対し一つのピークが得られ、さらに複数の属に対し分離することに成功しました。現在は、色素とPecTI法の高性能化に挑戦しています。

この研究は、大阪府立大有機機能化学研究グループ（色素合成）および米国Wake Forest大学Colyerグループとの共同で行っています。

我々は，分離分析法だけでなく，種々の分子を認識する分離モチーフも探索しています。見つけ出した機能性分子はそれだけでも有用ですが，分離系における検出試薬や分離増幅試薬としても応用できるはずです。この様に，自分たちで創り出した分子を分離分析系へ直接応用できることも我々の研究室の利点です。例えば，生体を構成する要素の一つである糖類が連なった糖鎖は，生体内で様々な機能を発現します。一方，糖分子の一つであるアセチルノイラミン酸（シアル酸）は糖鎖の末端に位置し，細胞同士の認識や，がん細胞の表面に多く発現することが知られる非常に重要な糖分子です。そこで，糖鎖を認識する人工分子（レセプター）の開発が期待されています。しかし，シアル酸の有する特徴的な構造を認識できる人工レセプターはほとんど開発されていません。本研究室では二つのアプローチによるシアル酸認識系の開発に成功しています。

一つは，ランタノイド（Ln）イオン錯体による特異的なシアル酸認識系です。従来の糖分子認識人工レセプターは糖分子のcis-ジオールを認識するボロン酸骨格を有するものでした。 しかし我々の開発した人工レセプターでは，中心Lnイオンに配位した水分子の酸解離反応に伴い，シアル酸残基とLn錯体のの水素結合とLnイオンへの配位結合の両方を用いることで，特異的な分子認識に成功しました。この様な緻密な配位空間の制御と多点相互作用による超分子的アプローチによる糖認識は本研究グループのオリジナルなアイデアです。このLn錯体の電気泳動分離系における分離試薬としての応用にも成功しています。

もう一つのアプローチは，スクアリリム色素にボロン酸を修飾した分子（SQ-BA）を用いて長波長（>650 nm）での発光増感を用いて糖分子を認識する手法です。SQ-BA色素は溶液中では会合体を形成してほとんど発光しませんが，種々の糖分子と錯形成すると会合体が解離し，発光性の単量体のSQ-BA-糖分子錯体を生成します。一方，SQ-BAの会合体（二量体）が選択的にシアル酸に結合することを発見しました。そこで，様々な疎水性のSQ-BA分子を合成し，SQ-BA会合体の化学構造を制御したところ，シアル酸に特異的に反応するSQ-BA色素の開発に成功しました。

現在は，この二つのアプローチを拡張して，様々な生体分子を認識可能なプローブの開発と高度分離法への応用に挑戦しています。

近年，我々の金属タンパク質を発見するための新規ポリアクリルアミドゲル電気泳動法（MICS-PAGE/金属検出PAGE）が環境中腐植高分子であるフミン酸の相互作用を解析することに応用できることを見出しています。フミン酸は土壌の構成成分であり，かつ水に溶け出す不定形の有機高分子の総称ですが，金属イオンと結合し，超分子と言われる巨大分子を形成します。これにより，環境中での金属イオンの動態（保持や拡散など）を左右していることも知られています。しかし，どのような機構でどのくらいの量の金属イオンと結合し，どのような大きさの超分子を形成するかはよく分かっていません。我々はフミン酸を高分離できる新規PAGEと平行因子分析（PARAFAC）と呼ばれる多変量解析的手法を用いれば，フミン酸と金属イオンがどのくらいの大きさの超分子を形成し，それぞれの分子量のフミン酸がどれくらいの金属イオンと結合するのかを計測すること（スペシエーション；化学種同定）が可能となりました。これにより，従来知られていなかったフミン酸の性質が少しずつ明らかとなってきています。この研究テーマは，地球環境を構成する化学成分が実際にどのようなものなのかを明らかにするものであり，また有害重金属イオンの環境での挙動を探る研究テーマでもあります。

現在はフミン酸超分子がどのようなフミン酸小分子ユニットから形成されているのかや，放射性元素であるアクチノイドイオンとフミン酸の相互作用を解析する研究を進めています。

ナノ空間では，空間内表面と包含物質の相互作用が強まるため，物質がバルクでは見られない未知の性質を発揮することがあります。ナノ空間を提供する物質は，ゼオライト，メソポーラスシリカ，酵素など様々であり， 2000年代になって特に着目されているのが，金属イオンと有機配位子が形成する金属-有機構造体(Metal-organic Framework: MOF)です。これまでに，MOFのナノ空間のサイズや形状を精密に制御して特異な反応性を発現させた研究がいくつも報告されています。我々が特に着目しているMOFの特徴は，均一なナノ空間と骨格の動的柔軟性です。金属イオンと有機配位子の自己組織化は，均一な形状とサイズの空間を規則的に創り出すので，この均一ナノ空間を物質認識場として利用することで，高い選択性の発現を達成できると期待しています。また，MOFの骨格は配位結合で構築されているので，ゼオライトや活性炭では見られないような柔軟性があります。構造変化に伴うエネルギー変化が物質認識に関与すれば，他の系では困難な選択性制御を実現できるかもしれません。

我々はこれまでに，重希土類元素であるYb³⁺とLu³⁺にのみ高選択的なMOFでの金属交換反応を見出しました。希土類元素はLa³⁺からLu³⁺までのランタノイド15種類とSc³⁺，Y³⁺の17種類の元素の総称です。希土類3価イオンの最外殻電子配置は全てs²p⁶型で同じであるため，化学的性質が類似し，相互に分離することは容易ではありません。現在工業的に利用されている溶媒抽出法では，金属イオンと抽出試薬の錯形成の安定度定数のわずかな差を繰り返し操作によって増幅して分離しています。一方で，我々が見出したMOFでの選択性は隣り合うTm³⁺とYb³⁺での選択性が極めて大きいです。これには，MOFの結晶構造と構造変化が関与していると考えています。そのまま分離に適用できるというわけではありませんが，MOF の物質認識特異性を追究することが、高感度・高選択的分析系のブレークスルーに繋がると期待して研究を進めています。

DNAやRNAは反応性の高い核酸塩基リッチな分子であり，蛋白質や核酸に対する分子認識能を有します。DNAの高次構造形成により水素結合が方向性を持ち，より高度な分子認識が起こることも知られています。DNAを分子認識担体として利用するために，さまざまなDNA固定化が提案されてきました。

我々はこれまで，リン酸エステル配位子とランタノイドイオン（Ln³⁺）が形成する超分子ポリマー（またはMOF）の研究に取り組んできました。金属イオンと配位子が自己組織化するので，配位子であるリン酸エステルそのものを固体化できます。核酸であるヌクレオチドもリン酸エステルなので，金属イオンとの反応で超分子ポリマーを形成できるはずです。このテーマでは，ヌクレオチドをLn³⁺などのハードな金属イオンを反応させれば，リン酸基が金属イオンを架橋して，ソフトな配位座である核酸塩基は未反応のまま自己組織化できると着想しました。この方法で超分子化できれば，水素結合フリーな核酸塩基を従来のDNA固定化法よりもずっと高密度に配列させることができます。また，分子認識に重要である水素結合の方向性をより制限することができるはずです。さらに，MOFが創り出すナノ空間ではバルク溶液中とは異なる分子認識が起こることも知られています。

我々は，このような核酸塩基の水素結合サイトを残したヌクレオチドの結晶性超分子ポリマーを創り出し，蛋白質や核酸等に対する高機能な生体分子認識系の構築に繋げることに挑戦しています。他材料とは一線を画し，これまでにない水素結合型分子認識特性を発揮する可能性を秘めていると期待しています。

水は究極の環境調和物質です。近年，グリーンケミストリーの観点から環境への負荷が少ない反応プロセスや物質合成法，物質分離法の研究が盛んに行われており，水の利用は最も有力なアプローチの一つです。物質分離の観点で考えてみると，物質分離の典型的な戦略の一つは，2相間での物質移動を利用することです。代表的な方法である抽出では液体―液体，クロマトグラフィーでは液体―固体あるいは気体―固体で２相を利用します。抽出では“混ざり合わない2つの溶液”を使えば良いので，互いに混ざり合わない水溶液を利用することで，水溶液だけの分離系の構築が可能なことが知られています。一方で，固体としての水を利用するのは容易ではありません。水の固体である氷を使うためには，0℃に冷却する必要があるからです。実際に，氷を固定層とする液体クロマトグラフィー（LC）が提案されましたが，0℃以下での温度制御が必要なことが分離法としての最大の問題点といえます。

このテーマでは，融点が10℃以上である氷様の物質，セミクラスレートハイドレート（sHyd）に着目しました。sHydは結晶性包摂水和物であり，ゲスト分子が複数のケージにまたがって包接される物質です。これまでに，代表的なsHydであるTBAB-sHydを固定相とするLCの構築に成功しました。

ハイドレートは次世代エネルギー，冷媒，CO₂貯蔵材料などとして，産業利用も期待されています。一方で，TBAB-sHydの表面特性は未だ明らかでない点も多いです。LCは，化合物の吸着挙動の解明を通じて固定相表面の性質を分析する手法ともなりえるので，我々が構築したTBAB-sHyd LCを使って，TBAB-sHydの表面特性を探求することにも挑戦しています。

当研究室は多くの研究者とのコラボレーションも推進しています。私たちにしかできない物質の精密分離法は様々な分野へと波及効果を持っており，分析化学から種々の分野へと研究は広がり，「化学」にとどまらない「科学」への寄与を目指しています。