分子の結び目

化学において、分子結び目は、マクロな結び目に類似した、機械的に絡み合った分子構造である。^{[1]自然に形成される分子結び目は、} DNA、RNA、タンパク質などの有機分子に見られる。自然に発生する結び目が核酸やタンパク質にとって進化的に有利であるかどうかは定かではないが、結び目は結び目のある生物学的分子の構造、安定性、機能に役割を果たしていると考えられている。^[2]分子内で結び目が自然に形成されるメカニズム、および結び目によって分子が安定化または改善されるメカニズムは不明である。^{[3]分子結び目の研究には、自然に発生する分子結び目と}化学的に合成された分子結び目 の両方の形成と応用が含まれる。化学トポロジーと結び目理論を分子結び目に適用することで、生物学者は結び目のある有機分子の構造と合成をより深く理解することができる。^[1]

ノタンという用語は、2000年にVögtleらによって、他の機械的に連結された分子構造であるロタキサンやカテナンとの類推により分子の結び目を説明するために造られました。 ^{[1] [4]}この用語は化学者によって広く採用されておらず、IUPACでも採用されていません。

結び目を含む有機分子は、スリップノットまたは擬似ノットのカテゴリに分類される可能性があります。^[2]これらは閉じた曲線ではなく、両端に末端を持つ直線鎖内に存在する結び目であるため、数学的な結び目とは見なされません。結び目のあるタンパク質は、三次構造の折り畳みプロセス中に分子の結び目を形成すると考えられており、結び目のある核酸は一般にゲノムの複製と転写中に分子の結び目を形成しますが、^[6]結び目のメカニズムの詳細については依然として議論があり、不明瞭です。分子シミュレーションは、分子の結び目のメカニズムの研究の基礎となります。

結び目のあるDNAは、1981年にLiuらによって、一本鎖の環状細菌DNAで初めて発見されましたが、二本鎖の環状DNAも結び目を形成することがわかっています。自然に結び目のあるRNAはまだ報告されていません。^[7]

天然に存在する分子の結び目を含むタンパク質が数多く特定されています。タンパク質中に天然に存在する結び目の種類は、既知の結び目タンパク質のKnotProtデータベースで特定されている結び目とノットです。 ^[8]${\displaystyle +3_{1},-3_{1},4_{1},-5_{2},}$${\displaystyle +6_{1}}$

いくつかの合成分子結び目が報告されている。^{[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]}

分子内で合成に成功した結び目の種類は、8 ₁₉結び目とである。結び目と結び目は結び目のある分子内で自然に発生することがわかっているが、合成に成功したことはない。小分子複合結び目もまだ合成されていない。^[7]${\displaystyle 3_{1},4_{1},5_{1}}$${\displaystyle -5_{2}}$${\displaystyle +6_{1}}$

人工DNA、RNA、タンパク質の結び目は、合成に成功しています。DNAは、その構造が自然に絡み合った構造を形成し、結び目を形成するように簡単に操作できるため、合成結び目合成の特に有用なモデルです。 ^[16]結び目を形成するために必要なほつれを正確に制御します。分子の結び目は、重要な金属イオンリガンドの助けを借りて合成されることがよくあります。^[7]

タンパク質に分子の結び目が存在することを示唆した最初の研究者は、1977年のジェーン・リチャードソンで、彼女はさまざまなタンパク質の位相的挙動を調査する中で、炭酸脱水酵素B（CAB）が明らかな結び目を示したと報告しました。^[30]しかし、結び目のある最初のタンパク質を発見した研究者として一般的に挙げられるのは、1994年のマーク・L・マンスフィールドです。マンスフィールドは、タンパク質における結び目の発生を具体的に調査し、CABに三つ葉の結び目が存在することを確認した最初の研究者だったからです。結び目のあるDNAは、1981年にリューらによって、1本鎖の環状細菌DNAで初めて発見されましたが、2本鎖の環状DNAも結び目を形成することがわかっています。^[31]

1989年、ソヴァージュと同僚は、Cu+イオンの助けを借りて二重らせん複合体を介して合成された三つ葉である最初の合成結び目分子を報告しました。^[17]

2000年にVogtleらは分子の結び目をノタンとして初めて記述しました。^[1]また2000年には、ウィリアム・テイラーがタンパク質の結び目を解析するための代替計算手法を開発しました。この手法では、分子の結び目のある部分から十分離れた固定点に末端を設定することで、結び目の種類を明確に定義できました。この研究で、テイラーはタンパク質に深い結び目を発見しました。^[32]この研究で、テイラーは深く結び目のあるタンパク質の存在を確認しました。 ${\displaystyle 4_{1}}$

2007年、エリック・イェイツは分子スリップノットの同定を報告した。これは、分子のバックボーンチェーン全体が結び目がなく、計算モデルで簡単に検出できる完全に結び目のある構造を含まないにもかかわらず、分子が結び目のあるサブチェーンを含む場合である。^[33]数学的には、スリップノットは完全な構造の検査では認識されないため、分析が困難である。

2012年にAymeらは動的共有結合化学を用いて五葉結び目を合成したが、これは当時、これまでに合成された中で最も複雑な非DNA分子結び目であった。[ 20 ^] 2016年後半には、完全に有機的な五葉結び目も報告され、触媒をアロステリックに制御するために分子結び目が初めて使用された。^{[34] 2017年1月には、} David Leighのグループが8 ₁₉結び目を合成し、8 ₁₉ 結び目は合成された中で最も複雑な分子結び目となった。^[28]

結び目理論における重要な発展は、絡み合った分子鎖内の鎖内接触を許容することである。回路トポロジーは、折り畳まれた線状鎖における接触の配置と鎖の交差を形式化するトポロジーフレームワークとして登場した。補完的なアプローチとして、コリン・アダムスらは、分子内相互作用を伴う折り畳まれた線状鎖に適用可能な特異結び目理論を開発した。^[35]

多くの合成分子結び目は、独特の球形と寸法を持ち、ナノテクノロジーの潜在的な構成要素となる可能性があります。

• 折り畳まれた線状分子の回路トポロジー
• 超分子化学
• 結び目のあるタンパク質
• 結び目のあるポリマー
• トポロジー（化学）
• 結び目理論
• 分子ボロミアン環

• 「KnotProt 2.0: 結び目とスリップノットを持つタンパク質のデータベース」knotprot.cent.uw.edu.pl。