ε-ポリリジンとアゾ色素誘導体 の分子構造に関する研究 機能開発科学専攻 分子機能科学講座 佐々木 千鶴 生分解性ポリマー 石油由来プラスチック 生分解性ポリマー 多糖類 脂肪族ポリエステル ・ キチン/キトサン ・ ポリ乳酸 ・ セルロース ・ ポリカプロラクトン ・ でんぷん ポリアミノ酸 ・ ε-ポリリジン ・ γ-グルタミン酸 ・ シアノフィチン ε-PLの分子構造と化学的性質 ε NH CH2 δ CH2 γ CH2 α β CH2 CH CO NH2 n ε-Poly-L-Lysine (ε-PL) ・ 必須アミノ酸 L-リジンのホモポリマー ・ 放線菌 (Streptomyces albulus) により産生 ・ 生分解性、抗菌活性を有する ・ 食品保存料として実用化 ε-PLの応用例 ε-PL チッソファインケミカル事業部 http://www.chisso.co.jp/fine/jp/polylisin/ ε-PLの分子構造と機能化 NH CH CH2 CO n CH2 ランダムコイル、βシート、 αらせん CH2 CH2 NH2 α-PL NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH CO NH2 ε-PL 二次構造 n 化学修飾 機能化 ε-PLの基礎物性 及び構造解析 ε-PL及びε-PL塩酸塩の物性値 ε-PL/HCl NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH CO ＋ NH32 NH n ε-PL Cl Properties ε-PL ε-PL/HCl Nylon 6 Number-Averaged Molecular Weight, Mn 4,090 4,200 11,000 Weight-Averaged Molecular Weight, Mw 4,700 5,330 - Molecular Weight Distribution, Mw/Mn 1.14 1.26 - Melting Point, Tm 172.8 ℃ 256.3℃* 221.0℃ 88℃ - 56℃ Glass Transition Temperature, Tg * Decomposition Temperature ε-PLのイオンペアクロマトグラム 27～32mer 10mer 5mer 0.0 20.0 40.0 Elution time / min アミドの特性振動 (cm-1) ε-PL ε-PL/HCl assignment IR Raman IR Raman Amide A 3326 3322 3244 3245 Amide B 3081 - 3082 3082 Amide Ⅰ 1633 1633 1671 1672 Amide Ⅱ 1535 1535 1566 1561 R H C R C N O Amide Ⅰ H R‘ N O Amide Ⅱ R‘ 固体高分解能13C NMRスペクトル Cα Cβ Cδ C=O Cε Cγ ε-PL Cα C=O CεCβ,δCγ ε-PL/HCl 200 150 100 Chemical shift 50 0 PP ppm 13C carbon type NMR化学シフト値 (ppm) ε-PL Nylon 6 solution solid α-form γ-form C=O 180.0 178.5, 177.0 173.4 173.0 Cα 57.0 57.9 36.7 37.8 Cβ 36.7 38.1 26.5 30.1 Cγ 25.0 27.9 30.4 30.1 Cδ 30.9 34.0, 32.9 30.4 34.1 Cε 41.6 40.6 43.6 39.9 ε-PLのコンフォメーションモデル γ-form (Parallel) α-form (Anti-Parallel) ε-PLの機能化 －アゾ色素による化学修飾－ ε-PLの機能化 光応答性材料 高分子色素 アゾ色素修飾 ε-PL 生体分子モデル 自己組織化 ナノ材料 ε-PL/DCの合成 H 3C NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH CO n NH2 ε-PL N + N SO 2Cl N H 3C Dabsyl Chloride (DC) 0.1M carbonate buffer ( pH = ~9 ) reflux 20 min crude product wash with H2O NH CH2 CH2 CH 2 CH2 CH CO n H N S O O ε-PL/DC CH 3 N N N CH 3 ε-Boc-L-Lys/DCの合成 O H 3C Boc NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH C OH ＋ N N NH2 DC ε-Boc-L-Lysine Boc : C 0.1M carbonate buffer ( pH = ~9 ) reflux 20 min CH3 O O C CH3 SO 2Cl N H 3C CH3 crude product wash with H2O O Boc NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH C OH H N O S O ε-Boc-L-Lys/DC N CH3 N N CH3 IRスペクトル ε-PL %T ε-PL/DC 3277 -SO2NH4000 3300 2600 Wavenumber / cm-1 ν(C C) 1800 1400 νS(=O)2 cm-1 1000 UV-VisスペクトルDMSO濃度依存性 4.0 ε-PL/DC ε-Boc-L-Lys/DC ε-Boc-L-Lys/DC 5.6×10-6 M DMSO100% 10% ε / 10-4M-1cm-1 1.95×10-5 M DMSO100% 10% ε / 10-4M-1cm-1 4.0 100%→10% 0.0 300 450 600 Wavelength / nm 0.0 300 400 500 Wavelength / nm 600 励起子分裂モデル E” E” E E E’ Monomer E’ Dimer Monomer Dimer Parallel Head-to-Tail H-aggregate J-aggregate 色素修飾単分散ε-PLのUV-Visスペクトル 0.0 300 4.0 DMSO100% DMSO80% DMSO70% DMSO30% DMSO10% 400 500 Wavelength / nm 600 ε-PL-4mer/DC 1.68×10-5 M ε / 10-4M-1cm-1 ε-PL-8mer/DC 1.31×10-5 M ε / 10-4M-1cm-1 4.0 0.0 300 400 500 Wavelength / nm 600 CDスペクトルDMSO濃度依存性 30 ε-PL/DC 1.95×10-5 M b Δε/ M-1cm-1 c d e 0 a a DMSO100% b DMSO80% c DMSO70% d DMSO30% e DMSO10% -30 300 400 500 Wavelength / nm 600 励起子キラリティー法 + ⊿λ CD 正の第 一 コットン 効果 ⊿λ 正の第 二 コットン効果 λ 負の第 二 コットン 効果 － λ 負の第 一 コットン 効果 正のChirality ⊿λ UV-Vis λ 負のChirality ⊿λ λ 会合モデル図 + H2O NH O S NH O 非修飾アミノ基 O S O N N NN CH3 N CH3 N CH3 色素部位 in DMSO CH3 in DMSO/H2O 結論 • 放線菌Streptomyces albulusの産生するε-PLの基 本物性を明らかにした。 • ε-PLの固体状態では、分子鎖アミド間に水素結合 が存在することが振動スペクトルおよび固体高分解 能NMRスペクトルより明らかとなった。また、二次構 造はナイロン6のγ型類似のβシート構造をとること が示唆された。 • 色素修飾ε-PLは水溶液中では色素部位の疎水性 相互作用により会合を起こしていることが確認され た。 • 誘起CDが観測されることから、色素は正のキラリ ティーを持って会合していることが明らかとなった。 論文発表 • C. Sasaki, S.Kitoh, H. Hayashi, K. Kunimoto, • • • • Anal. Sci., 19, x1-x2, (2003). S. Maeda, K. Kunimoto, C. Sasaki, A. Kuwae, K. Hanai, J. Mol. Struct., 655, 149-155, (2003). 前田史郎, 森貴志, 国本浩喜, 佐々木千鶴, 高分子 加工, 52 (11), 36-42, (2003). S. Maeda, T. Mori, C. Sasaki, K. Kunimoto, A. Kuwae, K.Hanai, Polym. Bull., 53, 259-267, (2005). 林宏成, 佐々木千鶴, 国本浩喜, 前田史郎, 細井信 造, 桑江彰夫, 花井一彦, 分析化学, 54 (9), 799805, (2005). 謝辞 ・ チッソ(株) 横浜研究所 平木純 主席研究員 ・ 福井大学 工学部 生物応用科学科 前田史郎先生 ・ 名古屋市立大学大学院 システム自然科学研究科 桑江彰夫先生、花井一彦先生 ・ 金沢大学大学院 自然科学研究科 分子機能解析研究室 木藤聡一さん、山田和哉さん、塩見薫さん、林宏成君、浜田孝夫君、 高田恭弘君、斉藤順平君、西田登喜雄君、平野孝明君、他学生の 皆さん 天然ポリアミノ酸類の構造 NH CH CO n CH2 C NH CH CH2 CH2 CO n C O OH O NH O CH C OH CH2 CH2 CH2 NH γ-ポリグルタミン酸 C NH NH2 シアノフィチン － + + + 遷移モーメントと相互作用エネルギー H3C N N N H3C S O NH O θ ε-PL r μ 相互作用エネル ギー： ΔE = μ: 遷移モーメント θ: 遷移モーメント間のなす角 r : 遷移モーメント間の距離 N : 集合体に参加する分子の数 N −1 μ 3 N ⋅r 2 (1 − 3 cos 2 θ ) θ＞54.7°→短波長シフト θ＜54.7°→長波長シフト Dabsyl-Phenylalanineの CDスペクトル 230 2.0×10-5 M H 3C N N Δε/ M-1cm-1 H 3C N O S O H N CH2 C H COOH 0 L D rac -150 300 Dabs-D-Phe 400 500 Wavelength / nm + － 600 Dabs-L-Phe Dabsyl-Phenylalanineの相互作用モデル図 H 3C N H 3C N N R O H S O N H H C OH O R H O N H3C N N H3C H S O N H C OH O 分子楕円率 Molar ellipticity ; [θ] [θ] = θ / (10 c l) θ: 楕円率 ellipticity c : モル濃度 (mol/l) l : セル長 (cm) モル円二色性 Δε Δε = [θ] / 3300 固体NMR ・適当な溶媒が見つからないとき ・溶液にすると固体特有の性質が消えてしまう場合 ・全体構造のみでなく、局所構造情報を与える 固体NMRにおける問題点・改善点 双極子ー双極子相互作用 化学シフトの異方性 長い緩和時間 高出力デカップリング(HD) マジック角高速回転 (MAS) 交差分極 (CP) 双極子相互作用とマジック角 磁場B0 双極子相互作用 ∝ (3cos2θ-1) θ= 54.7° 双極子相互作用消失 マジック角高速回転 (MAS) 54.7° 交差分極(CP)原理及びCP/MASパルス列 緩和 緩和 90°パルス スピンロック 高出力デカップリング 接触時間 FID CP
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