分子機械

分子機械は、通常、特定の刺激に反応して機械的な動きを生み出すことを目的とした、個別の分子コンポーネントの集合体として説明される分子のクラスであり、スイッチやモーターなどの高分子デバイスを模倣しています。天然に存在する、または生物学的な分子機械は、 DNA複製やATP合成などの重要な生体プロセスを担っています。キネシンやリボソームは分子機械の例であり、多くの場合、複数のタンパク質の複合体の形をとります。過去数十年にわたり、科学者はさまざまな程度の成功をしながら、巨視的な世界で見られる機械を小型化しようと試みてきました。人工分子機械（AMM）の最初の例は1994年に報告され、リングと2つの異なる結合部位を持つロタキサンを特徴としていました。2016年、分子機械の設計と合成により、ジャン＝ピエール・ソヴァージュ、サー・J・フレイザー・ストッダート、バーナード・L・フェリンガの3名にノーベル化学賞が授与されました。

AMM は過去数十年で急速に多様化し、その設計原理、特性、および特性評価方法がより明確に説明されるようになりました。AMM 設計の主な出発点は、単結合の回転やシス-トランス異性化など、分子内の既存の運動モードを利用することです。双安定性を導入してスイッチを作成するなど、さまざまな機能を導入することで、さまざまな AMM が生成されます。さまざまな特性と用途を備えた幅広い AMM が設計されており、分子モーター、スイッチ、論理ゲートなどがあります。AMM の幅広い用途が実証されており、その中には、さまざまな機能 (材料研究、均一系触媒、表面化学など) のためにポリマー、液晶、結晶系に統合されたものも含まれます。

いくつかの定義では、「分子機械」は、特定の刺激に反応して機械的運動を生じることを意図した、離散的な分子コンポーネントの集合体として一般的に説明される分子のクラスであると説明されている。この表現は、マクロレベルで発生する機能を単に模倣する分子に一般的に適用されることが多い。^[1]分子が「分子機械」と見なされるための主な要件は、可動部分の存在、エネルギー消費能力、およびタスクを実行する能力である。^{[2]分子機械は、運動を生じる他の刺激応答性化合物（}シス-トランス異性体など）とは異なり、運動の振幅が比較的大きい（化学反応による可能性がある）ことと、運動を制御する明確な外部刺激が存在する（ランダムな熱運動と比較して）ことにある。^[1] 圧電性、磁歪性、およびマクロスケールでの外部刺激による運動を生じるその他の材料は、運動の分子起源にもかかわらず、その効果は分子スケールでは使用できないため、通常は含まれない。

この定義は、一般的には合成分子機械に当てはまり、歴史的には天然の生物学的分子機械（「ナノマシン」とも呼ばれる）からヒントを得てきました。生物学的機械は、細胞内輸送、筋肉収縮、ATP生成、細胞分裂などの重要な生物学的プロセスを駆動するために、さまざまな形態のエネルギーを機械的仕事に変換する生体システム内のナノスケールのデバイス（分子タンパク質など）であると考えられています。^{[3] [4]}

このような機械の有用性はどのようなものでしょうか。誰にも分かりません。何が起こるかは正確にはわかりませんが、分子レベルで物体の配置をある程度制御できるようになれば、物質が持つことのできる特性の範囲がはるかに広がり、さまざまなことができるようになることは間違いありません。

— リチャード・ファインマン、底辺には十分な余地がある^[5]

生物学的分子機械は、生命維持に重要な役割を果たしていることから、長年知られ研究されており、同様の有用な機能を備えた合成設計システムのヒントにもなってきた。^{[3] [4]} 1950年代にコンフォメーション解析、つまり複雑な化学構造を分析するためのコンフォーマーの研究が登場したことで、分子成分内の相対運動を理解して制御し、さらなる応用につなげようという考えが生まれた。これにより、トリプチセンの芳香環の歯車回転などのコンフォメーション変化を特徴とする「プロト分子機械」の設計が生まれた。^{[6] 1980年までに、科学者は外部刺激を使用して望ましいコンフォメーションを実現し、さまざまな用途に活用できるようになった。主な例としては、}アゾベンゼン単位を含む光応答性クラウンエーテルの設計がある。これは、光にさらされるとシス異性体とトランス異性体を切り替えることができ、エーテルのカチオン結合特性を調整できる。^[7]リチャード・ファインマンは1959年の重要な講演「底辺には十分な余地がある」で、原子レベルで物質を操作することで人工的に設計された分子デバイスのアイデアと応用について言及しました。^{[5]これは1970年代に}エリック・ドレクスラーによってさらに実証され、ナノスケールの「アセンブラー」などの分子ナノテクノロジーに基づくアイデアを開発しましたが、 ^[8]その実現可能性は議論されました。^[9]

これらの出来事は、この分野にインスピレーションを与えたが、人工分子機械（AMM）を合成するための実用的なアプローチにおける実際のブレークスルーは、1991年にサー・フレイザー・ストッダートによる「分子シャトル」の発明によって起こった。^[10]ジャン＝ピエール・ソヴァージュが1980年代初頭に開発したカテナンやロタキサンなどの機械的に結合した分子の組み立てを基にした^{[11] [12]このシャトルは、2つの端または可能な}結合部位（ハイドロキノン単位）間の「車軸」を横切って移動できるリングを備えたロタキサンを特徴としている。この設計により、分子の長さ全体にわたる分子単位の明確な動きが初めて実現された。[ 6 ^] 1994年、改良された設計により、pH変化または電気化学的方法によってリングの動きを制御できるようになり、これがAMMの最初の例となった。カチオン環は通常、ベンジジン環の上に留まることを好みますが、ベンジジンが低いpHでプロトン化されたり、電気化学的に酸化されたりすると、ビフェノール基に変わります。^{[13] 1998年、}走査型トンネル顕微鏡を使用して、銅ベースの金属表面上のデカシクレン分子の回転運動を捉えることができました。^[14]その後の10年間で、さまざまな刺激に反応する多種多様なAMMがさまざまな用途に発明されました。^{[15] [16]} 2016年、分子マシンの設計と合成により、ソバージュ、ストッダート、バーナード・L・フェリンガにノーベル化学賞が授与されました。 ^{[17] [18]}

過去数十年にわたって、AMMは急速に多様化し、その設計原理^[2]、特性^[19] 、および特性評価方法^[20]がより明確に概説されてきました。 AMMの設計の主な出発点は、分子内の既存の運動モードを活用することです。^[2]たとえば、単結合は回転軸として視覚化でき、^[21]メタロセン錯体も同様です。^[22]曲がった形状やV字型の形状は、特定の刺激（通常は適切な波長の照射）に反応してシス-トランス異性化を起こすことができる二重結合を組み込むことで実現できます。これは、スチルベンとアゾベンゼン単位で構成される多くの設計に見られます。^[23]同様に、スピロピランやジアリールエテンに見られるような開環反応と閉環反応でも曲がった形状を生成できます。^[24]もう一つの一般的な運動モードは、機械的に連結された分子（主にカテナン）で観察される、リング同士の相対的な回転である。このタイプの回転は分子自体を超えてアクセスすることはできないが（リングが互いに閉じ込められているため）、ロタキサンはリングがダンベルのような軸に沿って並進運動をすることができるため、これを克服することができる。^{[25] AMMの別のラインは、} DNAやタンパク質などの生体分子を設計の一部として構成されており、タンパク質の折り畳みや展開などの現象を利用している。 ^{[26] [27]}

AMM の設計は、この分野の初期から大幅に多様化しています。主な方法は、分子が変換するための 2 つの異なる構成を特徴とする分子スイッチを生成するための双安定性の導入です。これは、置換されていないシクロヘキサンのリング反転に類似した方法で、リングが好みに関係なく移動するための 2 つの同一のサイトで構成されていた元の分子シャトルからの進歩として認識されています。これらの 2 つのサイトが電子密度などの機能の点で互いに異なる場合、生物系のように弱い認識サイトまたは強い認識サイトが発生する可能性があります。このような AMM は、触媒や薬物送達に応用されています。このスイッチング動作は、通常のスイッチが元の状態に戻ると失われる有用な作業を取得するためにさらに最適化されています。自然プロセスで作業を生成するための運動制御の使用に触発された分子モーターは、作業を提供するために平衡から遠ざかるように、継続的なエネルギー流入を持つように設計されています。^{[2] [1]}

今日では、分子機械を駆動するためにさまざまなエネルギー源が使用されていますが、AMM 開発の初期にはそうではありませんでした。AMM の動きは、分子に一般的に見られるランダムな熱運動に対して制御されていましたが、望みどおりに制御または操作することはできませんでした。このため、AMM 設計に刺激応答性部分が追加され、外部から適用される非熱エネルギー源が分子の動きを駆動し、特性を制御できるようになりました。化学エネルギー (または「化学燃料」) は、分子を異なる状態間で切り替えるための幅広い可逆的な化学反応 (酸塩基化学に大きく基づく) を考えると、当初は魅力的な選択肢でした。 ^[28]ただし、これには、生物系の場合と同様に、機械の効率を維持するために、化学燃料の供給と生成された廃棄物の除去を実際に制御するという問題が伴います。一部の AMM はこれを回避する方法を見つけましたが、^{[29]最近では、}電子移動や異性化に基づく廃棄物のない反応(酸化還元応答性ビオロゲンなど) が注目を集めています。最終的には、いくつかの異なる形態のエネルギー（電気、^[30]磁気、^[31]光^[32]など）がAMMに電力を供給するために使用される主要なエネルギー源となり、光駆動モーターなどの自律システムも生み出されました。^[33]

様々なAMMが幅広い機能と用途で設計されており、そのうちのいくつかは、参考画像とともに以下の表にまとめられています。^[19]

最も複雑な高分子機械は細胞内に存在し、多くの場合、多タンパク質複合体の形で存在します。^[78]生物学的機械の重要な例としては、筋肉の収縮を司るミオシン、細胞内の貨物を微小管に沿って核から遠ざけるキネシン、細胞内の貨物を核に向かって移動させ、運動性繊毛と鞭毛の軸索運動を生み出すダイニンなどのモータータンパク質があります。 「実際には、[運動性繊毛]は、分子複合体内のおそらく600を超えるタンパク質で構成されたナノマシンであり、その多くはナノマシンとして独立して機能します...柔軟なリンカーにより、それらによって接続された可動性タンパク質ドメインは結合パートナーをリクルートし、タンパク質ドメインダイナミクスを介して長距離アロステリーを誘発できます。」^[79]他の生物学的機械はエネルギー生産を担っており、例えばATP合成酵素は膜を横切るプロトン勾配からのエネルギーを利用してタービンのような動きを駆動し、細胞のエネルギー通貨であるATPを合成します。 ^[80]さらに他の機械は遺伝子発現を担っており、DNAを複製するDNAポリメラーゼ、 mRNAを生成するRNAポリメラーゼ、イントロンを除去するスプライソソーム、タンパク質を合成するリボソームなどがあります。 これらの機械とそのナノスケールのダイナミクスは、これまで人工的に構築されたどの分子機械よりもはるかに複雑です。^[81]

生物学的機械はナノ医療に応用できる可能性がある。^[82]例えば、癌細胞を特定し破壊するために使用できる。^{[83] [84]} 分子ナノテクノロジーは、分子アセンブラー、つまり分子または原子レベルで物質を再編成できる生物学的機械を設計する可能性に関するナノテクノロジーの推測的なサブフィールドである。ナノ医療では、体内に導入されたこれらのナノロボットを使用して、損傷や感染を修復または検出するが、これらは現在の能力をはるかに超えていると考えられている。^[85]

より複雑な分子機械の構築は、理論的および実験的研究が活発に行われている分野です。今日では多種多様なAMMが知られていますが、これらの分子の実験的研究は、これらの分子を構築するための方法がないため妨げられています。^{[86]この文脈において、理論モデリングは、これらのシステムにおける}自己集合または分解プロセスを理解するための極めて重要なツールとして浮上しました。^{[87] [88]}

AMM は、さまざまな機能のためにポリマー、^{[89] [90] 、} 液晶、^{[91] [92]}、結晶^{[93] [94]}システムに統合されたものなど、幅広い用途が実証されています。均一系触媒は、特に非共有結合相互作用や生体模倣アロステリック触媒を利用した不斉合成などの分野で顕著な例です。^{[95] [96] AMM は、2D および 3D 自己組織化材料や}ナノ粒子ベースのシステムなど、 3D 印刷から薬物送達に至るまでの多目的用途向けのいくつかの刺激応答性スマート材料の設計において極めて重要な役割を果たしてきました。^{[97] [98]}

AMMは、従来の溶液相化学から表面および界面へと徐々に移行しています。たとえば、AMM固定化表面（AMMIS）は、無機表面に付着したAMMで構成される新しいクラスの機能性材料であり、自己組織化単分子層のような特徴を形成します。これにより、蛍光、凝集、薬物放出活性などの調整可能な特性が生じます。^[99]

これらのアプリケーションのほとんどは概念実証レベルに留まっており、産業規模に適応するには大幅な変更が必要です。マクロスケールのアプリケーションを合理化する上での課題には、自律的な操作、機械の複雑さ、機械の合成の安定性、および動作条件が含まれます。^{[1] [100]}

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