自然に学ぶ研究事例

第121回	DNA複製メカニズムに学ぶテンプレート重合

２重らせん構造を複製するメカニズムを探求

高分子の物性を大きく左右する、高次構造制御。鋳型を用いることで、環境負荷の低減を図りつつ２重らせん構造のレプリカを大量につくる、 DNA複製メカニズムに学ぶテンプレート重合とは？

２重らせん構造

天然高分子であるDNAは、片方の主鎖を鋳型とすることで、単一の分子量を有し、立体規則性や高次構造、および異成分の配列を制御して二重らせん構造を形成している。テンプレート重合は、そのメカニズムに倣ったものである。写真はイメージ。

高分子は、分子量と３次元構造を高度に制御できれば、耐熱性や強度、弾性や粘性、光学特性などの物性が格段に上がるため、長年にわたって、アニオン（陰イオン）重合、配位重合、リビングラジカル重合など、さまざまな重合法が開発されてきました。たとえば、ある２種類のモノマーをアニオン重合すると、きれいな２重らせん構造のステレオコンプレックス型ポリマーを合成できます。ところが、この方法では金属触媒を使い、マイナス70℃以上まで冷却する必要があるため、環境負荷が大きいという課題があります。

そこで開発されたのが、天然高分子であるDNAが一本の主鎖を鋳型として、２重らせん構造を複製していくメカニズムに倣った、テンプレート重合法です。ステレオコンプレックスの一方を外したものを鋳型として利用することで、らせんの中の立体形状を記憶したナノ空間に沿って、らせん構造が繰り返し複製されることが、すでに実証されています。

この重合法は金属触媒を用いず、40℃程度の環境で重合が可能であり、省エネルギーであるために環境負荷が低く、従来法では難しかった、立体構造と長さも容易に制御できる方法として注目されています。しかし一方で、高分子間相互作用（引力や反発力）が原因で空間が閉じてしまい、反応しないこともあります。そこで、より高効率に重合を進めるために、反応機構を明確にするとともに、溶媒の種類や温度を変えて高分子間相互作用をどう制御するかという研究が行われています。

最近になって、その詳細なメカニズムが少しずつ明らかになりつつあります。そして、いま利用している２種類の材料からの安定なステレオコンプレックス形成条件の解明とともに、より汎用性の高い材料への展開などが、今後のさらなる研究に期待されているのです。

網代広治特任准教授

大阪大学臨床医工学融合教育センター

高分子合成における未解決問題に挑戦
天然高分子は分子量も構造も単一ですが、合成高分子はいろいろと重合法が確立されてきたとは言っても、長さも成分もバラバラで、解決しなければいけない課題は多くあります。ただ、鋳型を使えば高度に構造制御でき、天然高分子に近づけることができると考えています。そうすれば、自動的に種々の物性も向上させることができます。まずはテンプレート重合のメカニズムを解明し、高機能化、高性能化に結びつける分子設計に活かしたいですね。モノマーでは見えなかったものが、分子量が大きくなると高分子間相互作用が大きく働くことになります、その力をうまく利用することが重要だと思っています。まだ、基礎研究の段階ではありますが、高分子合成における未解決問題の解決に寄与したいと思って研究を進めています。

右手と左手を手のひら同士を合わせて重ねる（鏡に映したような状態）とピッタリ重なりますが、手のひらを上または下に向けた状態では重なりません。このような関係にある２つの化合物は、光学（鏡像）異性体と呼ばれます。ステレオコンプレックスは、そのような光学異性体が交互に並んだ特殊な結晶構造体です。複合化することで、一方だけの構造体には見られない性質が生まれるため、さまざまな研究が進められているのです。たとえば、植物由来の生分解性ポリマーとして利用が拡大しているポリ乳酸ですが、その融点は約170℃と低く、耐熱性の問題から用途に限界があります。ポリL乳酸とポリD乳酸という光学異性体を用いてステレオコンプレックスを形成すると、融点が40〜50℃ほど高い材料をつくることができます。これによって、アイロンの熱にも耐えることができ、衣料用繊維などへの用途が広がってきています。