分子機械

分子機械は、特定の刺激に応答して機械的な動きを生み出すことを目的とした、離散的な数の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。自然界に存在する、または生物学的な分子機械は、 DNA複製やATP合成などの生命維持に不可欠な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、多タンパク質複合体の形をとります。分子機械とそのコンポーネントの複数の例は、タンパク質データバンクで見つけることができます。^{[ 2 ]}過去数十年間、科学者は、さまざまな程度の成功を収めながら、マクロな世界に存在する機械を小型化しようと試みてきました。

人工分子マシン (AMM) の最初の例は 1994 年に報告され、環状構造と 2 つの異なる結合部位を持つロタキサンが特徴でした。2016 年に、分子マシン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. フェリンガにノーベル化学賞が授与されました。重要なポイントは、単結合周りの回転やシス-トランス異性化など、タンパク質内の既存の運動を利用することです。スイッチを作成するために双安定性を導入するなど、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持つ幅広い AMM が設計されており、その中には分子モーター、スイッチ、論理ゲートなどがあります。AMM には、ポリマー、液晶、結晶システムに統合され、さまざまな機能 (材料研究、均一触媒、表面化学など)を持つものなど、幅広い用途が実証されています。

いくつかの定義では、「分子機械」は、特定の刺激に応答して機械的な動きを生み出すことを目的とした、離散的な数の分子コンポーネントの集合体として一般的に記述される分子のクラスとして説明されています。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、より一般的に適用されることがよくあります。^{[ 3 ]}分子が「分子機械」とみなされるための主な要件は、可動部分の存在、エネルギーを消費する能力、およびタスクを実行する能力です。^{[ 4 ]}分子機械は、動きを生み出すことができる他の刺激応答性化合物（シス-トランス異性体など）とは、動きの振幅が比較的大きいこと（化学反応による可能性あり）と、動きを制御するための明確な外部刺激の存在（ランダムな熱運動と比較して）で異なります。^{[ 3 ]}圧電性、磁歪性、およびマクロスケールでの外部刺激によって動きを生み出す他の材料は、動き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、一般的に含まれません。

この定義は一般的に合成分子機械に当てはまり、合成分子機械は歴史的に自然界に存在する生物学的分子機械（「ナノマシン」とも呼ばれる）から着想を得てきた。生物学的機械は、生体システム内のナノスケールデバイス（分子タンパク質など）であり、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と考えられている。^{[ 5 ] [ 6 ]}

生物分子マシンは、生命維持に不可欠な役割を担っていることから数十年にわたり知られ研究されており、同様の有用な機能を持つ合成設計システムのインスピレーションとなってきた。^{[ 5 ] [ 6 ]} 1950年代にコンフォメーション解析、すなわち複雑な化学構造を解析するためのコンフォーマーの研究が登場したことで、分子構成要素内の相対運動を理解し制御してさらなる応用につなげる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のようなコンフォメーション変化を特徴とする「プロト分子マシン」の設計につながった。^{[ 8 ]} 1980年までに、科学者は外部刺激を用いて目的のコンフォメーションを実現し、これをさまざまな用途に利用できるようになった。主な例として、アゾベンゼンユニットを含む光応答性クラウンエーテルの設計が挙げられる。これは、光に曝露するとシス異性体とトランス異性体の間で切り替わり、それによってエーテルのカチオン結合特性を調整できる。^{[ 9 ]}リチャード・ファインマンは、1959年の画期的な講演「底には十分な空間がある」の中で、原子レベルで物質を操作することによって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た。^{[ 7 ]}これは、1970年代にエリック・ドレクスラーによってさらに裏付けられ、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が開発されたが、 ^{[ 10 ]}その実現可能性については議論があった。^{[ 11 ]}

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ましたが、人工分子マシン (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りました。^{[ 12 ]} 1980 年代初頭にジャン＝ピエール・ソヴァージュによって開発されたカテナンやロタキサンなどの機械的に連結された分子の組み立てを基に、 ^{[ 13 ] [ 14 ]}このシャトルは、2 つの端または可能な結合部位(ヒドロキノンユニット)の間の「軸」を横切って移動できるリングを持つロタキサンを特徴としています。この設計により、分子の長さに沿って分子ユニットの明確な動きが初めて実現されました。^{[ 8 ]} 1994 年に、改良された設計により、 pH の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、これが最初の AMM の例となりました。ここで、2 つの結合部位はベンジジンとビフェノールユニットです。カチオン環は通常ベンジジン環の上に留まることを好むが、低 pH でベンジジンがプロトン化されるか、電気化学的に酸化されると、ビフェノール基に移動する。^{[ 15 ]} 1998 年、走査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研究が行われた。^{[ 16 ]}その後 10 年間、さまざまな刺激に反応するさまざまな AMM がさまざまな用途向けに発明された。^{[ 17 ] [ 18 ]} 2016 年、分子マシンの設計と合成に対して、ソヴァージュ、ストッダート、およびバーナード L. フェリンガにノーベル化学賞が授与された。^{[ 19 ] [ 20 ]}

過去数十年の間に、AMMは急速に多様化し、その設計原理^{[ 4 ]}、特性^{[ 21 ]}、および特性評価方法^{[ 22 ]}がより明確に概説されてきました。AMMの設計の主要な出発点は、分子の既存の運動モードを利用することです^{[ 4 ]} 。たとえば、単結合は回転軸として視覚化でき^{[ 23 ]} 、メタロセン錯体も同様です^{[ 24 ]}。スチルベンおよびアゾベンゼンユニットからなる多数の設計に見られるように、特定の刺激（通常は適切な波長の照射）に応じてシス-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、曲がった形状やV字型の形状を実現できます^{[ 25 ]}。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および閉環反応も、曲がった形状を生み出すことができます。^{[ 26 ]}もう一つの一般的な運動様式は、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す。この種の回転は分子自体を超えてアクセスすることはできませんが（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行うことができるため、これを克服できます。^{[ 27 ]} AMM の別の系統は、 DNAやタンパク質などの生体分子を設計の一部として使用し、タンパク質の折り畳みや展開などの現象を利用しています。^{[ 28 ] [ 29 ]}

AMMの設計は、この分野の黎明期から大きく多様化している。主なアプローチは、分子が変換できる2つの異なる構成を持つ分子スイッチを生成するために双安定性を導入することである。これは、置換されていないシクロヘキサンの環反転に類似した方法で、環が優先的に移動できる2つの同一のサイトから構成される元の分子シャトルからの進歩と見なされている。これらの2つのサイトが電子密度などの特徴で互いに異なる場合、生物系と同様に、弱いまたは強い認識サイトが生じる可能性がある。このようなAMMは、触媒作用や薬物送達に応用されている。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きに失われる有用な仕事を得るためにさらに最適化されている。自然プロセスで仕事を生成するために運動制御を使用することに触発され、分子モーターは、仕事を提供するために平衡状態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る。^{[ 4 ] [ 3 ]}

今日ではさまざまなエネルギー源が分子マシンの駆動に用いられているが、AMM開発の初期にはそうではなかった。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たものの、望むように制御したり操作したりすることはできなかった。このため、外部から加えられる非熱エネルギー源によって分子運動を駆動し、特性を制御できるように、AMM設計に刺激応答性部分を追加することになった。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化学反応（酸塩基化学に大きく基づいている）があることから、当初は魅力的な選択肢であった。 ^{[ 30 ]}しかし、これには、生物系のようにマシンの効率を維持するために、化学燃料の供給と発生した廃棄物の除去を実際に制御するという問題が伴う。一部のAMMはこれを回避する方法を見つけたが、^{[ 31 ]}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）が注目を集めている。最終的には、さまざまな形態のエネルギー（電気^{[ 32 ] 、磁気[ 33 ]}、光^{[ 34 ]}など）がAMMの動力源として使用され、光駆動モーターなどの自律システムも生み出すようになった。^{[ 35 ]}

細胞内には多くの巨大分子機械が存在し、多くの場合、多タンパク質複合体の形で存在している。^{[ 80 ]}生物学的機械の例としては、筋肉収縮を担うミオシン、微小管に沿って細胞内の貨物を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、運動性繊毛や鞭毛の軸糸運動を生み出すダイニンなどのモータータンパク質が挙げられる。[実際、運動性繊毛は、おそらく600個以上のタンパク質からなる分子複合体で構成されるナノマシンであり、その多くは独立してナノマシンとしても機能する。柔軟なリンカーは、それらによって連結された可動性タンパク質ドメインが結合パートナーをリクルートし、タンパク質ドメインのダイナミクスを介して長距離アロステリーを誘導することを可能にする。] ^{[ 81 ]}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を合成する。 ^{[ 82 ]}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る。これらの機械とそのナノスケールのダイナミクスは、これまでに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ある。 

生物学的機械はナノ医療において応用される可能性がある。^{[ 83 ]}例えば、がん細胞を特定して破壊するために使用できる。^{[ 84 ] [ 85 ]}分子ナノテクノロジーは、分子または原子スケールで物質を再配列できる生物学的機械である分子アセンブラー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分野である。ナノ医療は、体内に導入されたこれらのナノロボットを使用して、損傷や感染症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。^{[ 86 ]}

この分野の進歩は、合成方法の不足によって阻害されている。^{[ 87 ]}このような状況において、理論モデリングは、これらのシステムにおける自己組織化または自己組織化プロセスを理解するための重要なツールとして登場した。^{[ 88 ] [ 89 ]}

AMMの応用例が実証されており、ポリマー系[ ^{90 ] [ 91 ] 、}液晶系^{[ 92 ] [ 93 ]}、結晶系[ ^{94 ] [ 95 ]に}組み込まれ、さまざまな機能を発揮する。均一触媒作用は、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作用を利用した不斉合成などの分野で顕著な例である^{[ 96 ] [ 97 ]} 。AMMは、 3Dプリンティングからドラッグデリバリーまで、多用途なアプリケーション向けに、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、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た^{[ 98 ] [ 99 ]}。

AMMは、従来の溶液相化学から表面や界面へと徐々に移行しつつあります。例えば、AMM固定化表面（AMMIS）は、無機表面にAMMが付着して自己組織化単分子膜のような特徴を形成する新しいクラスの機能性材料であり、蛍光、凝集、薬物放出活性などの調整可能な特性をもたらします。^{[ 100 ]}

これらの「アプリケーション」のほとんどは、概念実証レベルにとどまっています。マクロスケールアプリケーションの合理化における課題には、自律動作、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。^{[ 3 ] [ 101 ]}

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