JP2003245899A

JP2003245899A - 生体機能分子の光駆動方法およびマイクロ−ナノマシン

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Publication number: JP2003245899A
Application number: JP2002046072A
Authority: JP
Inventors: Shinsaku Maruta; 晋策丸田
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】光を利用して生体機能分子に可逆的な構造変化
を起こす生体機能分子の光駆動方法とマイクロ−ナノマ
シンを提供する。【解決手段】式（８）で表される架橋性フォトクロミッ
ク分子を、生体機能分子中の２つのチオール基と結合さ
せて架橋し、紫外線照射により架橋性フォトクロミック
分子をシス型とし、架橋部分の距離を縮小して、生体機
能分子を第１の構造とする工程と、可視光線照射により
架橋性フォトクロミック分子をトランス型とし、架橋部
分の距離を拡大して、生体機能分子を第２の構造とする
工程とを有する生体機能分子の光駆動方法と、これによ
り制御されるマイクロ−ナノマシン。【化８】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体機能分子の光
駆動方法およびマイクロ−ナノマシンに関し、特に、フ
ォトクロミック分子を用いる生体機能分子の光駆動方法
と、生体機能分子の光駆動を利用したマイクロ−ナノマ
シンに関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトクロミック分子は特定の波長の光
を吸収して可逆的に分子の形が変化する化合物であり、
例えばアゾベンゼン誘導体、メタシクロファン誘導体、
フルギド誘導体、ジチエニルエテン、スピロピラン誘導
体、アントラセンダイマー、スチルベン誘導体等が知ら
れている。これらのフォトクロミック分子は光記憶材
料、調光材料、表示材料、光スイッチ素子等に利用され
ている。

【０００３】アゾベンゼン誘導体は代表的なフォトクロ
ミック分子であり、光照射によりシス型−トランス型の
構造変化を起こす。アゾベンゼン誘導体に紫外線を照射
するとシス型（５ａ）となり、可視光線を照射するとト
ランス型（５ｂ）となる。

【０００４】

【化５】アゾベンゼン誘導体のこのような性質は、例えば分子シ
ャトルの駆動制御に利用できる。図８（ａ）に示すよう
に、ダンベル状の分子１に輪状の分子２をはめ込んだ形
の分子はロタキサンと呼ばれる。図８（ｂ）に示すよう
に、軸部分の２箇所に輪状の分子２との相互作用が比較
的強い部分（ステーション）３ａ、３ｂを設けておく
と、輪状の分子２はステーション３ａ、３ｂの間を往復
する（分子シャトル）。

【０００５】分子を部品として、分子間相互作用を利用
してマイクロ−ナノマシンあるいは分子デバイス等の分
子集合体を構築するナノテクノロジーは、近年、注目を
集めている。マイクロ−ナノマシン等の分子集合体で
は、駆動や制御にも分子間相互作用が利用される。

【０００６】式（６）はロタキサンの一例を示す。式
（６）のロタキサンは軸部分にアゾベンゼン誘導体が導
入され、輪状の分子としてシクロデキストリンが用いら
れている。

【０００７】

【化６】

【０００８】式（６）のロタキサンは、アゾベンゼンの
シス型−トランス型の構造変化に応じて、図９に模式的
に示すように軸部分４が屈伸する。軸部分４が折れ曲が
ると、シクロデキストリン５は移動できず、分子シャト
ルが停止する。アゾベンゼンの構造変化は光照射により
制御されるため、分子シャトルも光照射により制御可能
である。

【０００９】また、メタシクロファン−エンは可視光線
の照射により開環構造（７ａ）となり、紫外線の照射に
より閉環構造（７ｂ）となる。この構造変化を利用し
て、分子認識や金属認識のオン・オフを光照射により切
替えることができる（光スイッチング）。メタシクロフ
ァン−エンには、カリックスアレーン等の分子認識部位
Ｓを導入しておく。あるいは、リガンド等の金属認識部
位を導入してもよい。

【００１０】

【化７】

【００１１】閉環構造（７ｂ）では分子認識部位Ｓが互
いに離れた位置で固定されているため、認識の対象とな
る分子（ゲスト分子）を捕捉できない（オフ状態）。一
方、開環構造（７ａ）をとると、分子認識部位Ｓの可動
範囲が拡がり（オン状態）、一対の分子認識部位Ｓを近
接させることが可能となる（７ｃ）。したがって、分子
認識部位Ｓにゲスト分子を取り込むことが可能となる
（７ｄ）。このように、メタシクロファン−エン誘導体
は、分子や金属の認識あるいは捕捉を光照射により制御
できる。

【００１２】また、フルギド誘導体は光照射による構造
変化に伴い、可逆的に色変化する。フルギド誘導体は紫
外線照射により閉環構造となり、赤色に変化する。ま
た、可視光線を照射すると開環構造となり、無色にな
る。フルギド誘導体を高分子液晶に分散あるいは共重合
させた材料では、フォトクロミック分子の構造変化を利
用して、液晶の配向状態や複屈折率を可逆的に変化させ
ることができる。以上のように、アゾベンゼン等のフォ
トクロミック分子は多様な用途があり、マイクロ−ナノ
マシンや機能材料等への応用が活発に研究されている。

【００１３】一方、骨格筋ミオシンは筋収縮において主
要な役割を果たす分子量４８万、長さ１４０ｎｍ程度の
タンパク質である。筋原線維は太いフィラメントと細い
フィラメントから構成され、太いフィラメントはミオシ
ンが重合して形成される。細いフィラメントはアクチン
等のタンパク質が重合して形成される。

【００１４】図１０（ａ）に模式的に示すように、ミオ
シンは尾部１１と２個の頭部１２をもつ。ミオシン頭部
は長さ２０ｎｍ、幅９ｎｍ程度であり、アクチンに結合
し、アデノシン 5'-三リン酸（ＡＴＰ）の加水分解も行
う。ミオシン尾部はフィラメントの形成に関与する。ミ
オシンが重合して太いフィラメントを形成するとき、ミ
オシン頭部は周囲に枝状に突出する。骨格筋ミオシンは
ＡＴＰを加水分解して得られるエネルギーを利用して、
アクチン上を滑走し、筋収縮を起こす。すなわち、ミオ
シンは化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換し、
分子モーターとして作用する。

【００１５】図１０（ａ）および（ｂ）に模式的に示す
ように、ミオシン頭部は球状のモータードメイン１３と
棒状のレバーアーム１４にさらに分けられる。モーター
ドメイン１３はアクチン結合部位とＡＴＰ結合部位を含
む。エネルギー変換中間体の結晶構造解析と遺伝子操作
による部位特異的変異の実験から、ＡＴＰ結合部位にＡ
ＴＰが結合すると、モータードメインのスイッチＩ、ス
イッチＩＩと呼ばれる領域の構造が変化して、この変化
がアクチン結合部位に情報として伝達され、アクチンと
ミオシンが解離することがわかっている。

【００１６】スイッチＩおよびスイッチＩＩ領域の構造
変化の情報は、モータードメインのリレー領域、コンバ
ーター領域に伝達され、ミオシン頭部が大きく折れ曲が
った構造となる。Ｘ線溶液散乱法や急速凍結ディープエ
ッチレプリカ電子顕微鏡法によっても、このような構造
変化が捉えられたことが報告されている。

【００１７】この折れ曲がりの中心には、２つのシステ
イン残基ＳＨ１（Ｃｙｓ７０７）とＳＨ２（Ｃｙｓ６９
７）が存在し、これらのシステイン残基はチオール基修
飾試薬に対する反応性が高いことが知られている。折れ
曲がりの中心領域は、ＡＴＰが加水分解される間に大き
く構造変化し、この構造変化に伴いＳＨ１とＳＨ２の距
離は数Å〜１７Åの範囲で変化する。また、生化学的な
実験の結果から、ＳＨ１とＳＨ２の間は、５〜１７Åの
長さをもつ数種類のＳＨ基架橋性試薬によって架橋され
ることも示されている。

【００１８】骨格筋ミオシン頭部には１２個のシステイ
ン残基が存在するが、これらのうちＳＨ１（Ｃｙｓ７０
７）は他のシステイン残基に比較して、チオール基修飾
試薬に対する反応性が著しく高い。したがって、所定の
条件でチオール基修飾試薬を反応させると、ＳＨ１のみ
が選択的に化学修飾される。

【００１９】Ｍｇ²⁺とアデノシン 5'-二リン酸（ＡＤ
Ｐ）の存在下では、ＳＨ２（Ｃｙｓ６９７）もチオール
基修飾試薬に対する反応性が高くなる。したがって、Ｍ
ｇ²⁺とＡＤＰの存在下でチオール基修飾試薬を反応させ
た場合には、ＳＨ１とＳＨ２が化学修飾される。

【００２０】チオール基に結合し、結合後に所定の条件
で外すことができるブロック試薬を用いれば、ＳＨ２の
みに化学修飾を行うこともできる。この場合、ブロック
試薬によりＳＨ１を保護した状態で、Ｍｇ²⁺とＡＤＰを
加えてチオール基修飾試薬とＳＨ２を反応させる。その
後、ブロック試薬を除去する。

【００２１】過剰の試薬を用いて長時間反応させた場合
には、他のシステイン残基（特にＣｙｓ１３３）もチオ
ール基修飾試薬と反応するが、所定の条件で反応を行う
ことにより、以上のようにＳＨ１のみ、ＳＨ１とＳＨ２
の両方、またはＳＨ２のみを選択的に化学修飾すること
ができる。ミオシン頭部において、ＳＨ１やＳＨ２の化
学修飾とＡＴＰａｓｅ活性との関係はよく調べられてお
り、ＡＴＰａｓｅ活性に基づいて化学修飾をモニターす
る方法が確立されている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来のフォトク
ロミック分子は、光照射による分子自体の色の変化が利
用されたり、単なるスイッチングに利用されたりしてい
るに過ぎず、分子モーター等のマイクロ−ナノマシンを
駆動できるように設計されていない。一方、高分子の生
体機能分子であるタンパク質は、化学反応を行う酵素と
して利用されることがほとんどであった。タンパク質の
高次構造の変化を機械的エネルギーとして利用する人工
的なマイクロ−ナノマシン等は実用化されていない。

【００２３】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、したがって、本発明は、光を利用して生体機
能分子に可逆的な構造変化を起こし、機械的エネルギー
を産生できる生体機能分子の光駆動方法を提供すること
を目的とする。また、本発明は、光照射により駆動およ
び制御されるマイクロ−ナノマシンを提供することを目
的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の生体機能分子の光駆動方法は、式（１）ま
たは（２）で表される架橋性フォトクロミック分子を、
生体機能分子中の２つのチオール基と結合させて、前記
チオール基の間を架橋する工程と、紫外線照射により前
記架橋性フォトクロミック分子をシス型とし、架橋部分
の距離を縮小して、前記生体機能分子を第１の構造とす
る工程と、可視光線照射により前記架橋性フォトクロミ
ック分子をトランス型とし、前記距離を拡大して、前記
生体機能分子を第２の構造とする工程とを有することを
特徴とする。好適には、紫外線と可視光線を交互に照射
して、前記生体機能分子を前記第１の構造と第２の構造
の間で交互に変化させる。

【００２５】あるいは、本発明の生体機能分子の光駆動
方法は、式（３）または（４）で表される架橋性フォト
クロミック分子を用いるものであってもよい。式（３）
または（４）でＸおよびＹに導入できる基としては、ス
クシンイミジルエステル、イソチオシアネート、スルホ
ニルクロライド、アルデヒド、マレイミド、ベンゾフラ
ザン、ヨードアセトアミド、アジリジン、ジスルフィド
化合物等が挙げられる。また、例えばビオチン等、特定
の生体機能分子に対する親和性が著しく高い化合物をＸ
および／またはＹに導入してもよい。

【００２６】あるいは、Ｘおよび／またはＹにアジドや
ジアゾアセチル等を導入してもよい。光照射によりアジ
ドからニトレンが生成し、ジアゾアセチルからカルベン
が生成する。ニトレンやカルベンは反応性が高く、タン
パク質のアミノ酸残基に対する選択性は特にないが、光
アフィニティーラベリングによれば、アジドやジアゾア
セチル等の反応基が導入された化合物を、タンパク質の
特定の部位に結合させることが可能である。

【００２７】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明のマイクロ−ナノマシンは、請求項１記載の式（１）
または（２）で表される架橋性フォトクロミック分子
と、前記架橋性フォトクロミック分子により２つのチオ
ール基が架橋された生体機能分子であって、前記架橋性
フォトクロミック分子がシス型のとき、架橋部分の距離
が縮小した第１の構造をとり、前記架橋性フォトクロミ
ック分子がトランス型のとき、前記距離が拡大した第２
の構造をとる前記生体機能分子とを有することを特徴と
する。これにより、光照射により駆動・制御可能なナノ
スケールの機械が得られ、例えば医療等の分野に応用で
きる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の生体機能分子の
光駆動方法およびマイクロ−ナノマシンの実施の形態に
ついて、図面を参照して説明する。本実施形態の生体機
能分子の光駆動方法およびマイクロ−ナノマシンにおい
ては、次式（８ａ）または（８ｂ）で表される架橋性フ
ォトクロミック分子 4,4'-アゾベンゼンジマレイミド
（4,4'-azo-benzene-di-maleimide(ABDM))を用いて、骨
格筋ミオシンのＳＨ１とＳＨ２を架橋する。

【００２９】

【化８】

【００３０】ＡＢＤＭはタンパク質に結合する２つのマ
レイミド基と、光駆動するアゾベンゼンから構成され
る。２つのベンゼン環は照射される光の波長に応じてシ
ス型とトランス型をとる。紫外線照射によりシス型（８
ａ）となり、可視光線照射によりトランス型（８ｂ）と
なる。

【００３１】マレイミド基（９ａ）はタンパク質中のシ
ステイン残基（９ｂ）に特異的に結合し、チオエーテル
（９ｃ）を形成する。一般に、Ｎ−置換マレイミドとチ
オールは穏和な条件（室温、ｐＨ５〜９程度）で数分以
内に反応する。また、Ｎ−置換マレイミドとチオールは
より低温でも反応するため、例えば０℃に冷却して反応
を行えば、熱によるタンパク質の変性や失活を十分に防
止することが可能である。

【００３２】

【化９】

【００３３】ＡＢＤＭによれば、タンパク質の２つのシ
ステイン残基が架橋される。架橋スパン（クロスリンク
スパン）は、ＡＢＤＭのシス型−トランス型の構造変化
に応じて変化する。クロスリンクスパンはシス型のＡＢ
ＤＭで５〜６Å、トランス型のＡＢＤＭで１５〜１６Å
となる。

【００３４】シス型のＡＢＤＭとトランス型のＡＢＤＭ
では吸収スペクトルにおける吸収極大波長が異なり、こ
れに基づいてシス型とトランス型を識別できる。ＡＢＤ
Ｍに紫外線を照射してシス型にすると、吸収極大波長は
３２５ｎｍとなる。また、ＡＢＤＭに可視光線を照射し
てトランス型にすると、吸収極大波長は３４５ｎｍとな
る。

【００３５】図１は、トランス型のＡＢＤＭに紫外線を
照射して、シス型に変化させたときの吸収スペクトルの
変化を示す。ＡＢＤＭには水銀ランプ（１１５Ｖ、０．
１６Ａ）を光源とする波長３６６ｎｍの紫外線を照射し
た。溶媒は７０％エタノールを用い、紫外線の照射は室
温で行った。図１に示すように、トランス型のＡＢＤＭ
（０ｍｉｎ）での吸収極大波長は３４５ｎｍであるが、
紫外線照射の開始後、時間の経過に伴って吸収極大波長
は短波長側の３２５ｎｍにシフトする。

【００３６】図２は、シス型のＡＢＤＭに可視光線を照
射して、トランス型に変化させたときの吸収スペクトル
の変化を示す。ＡＢＤＭには蛍光灯（２７Ｗ）を照射し
た。溶媒は７０％エタノールを用い、可視光線の照射は
室温で行った。図２に示すように、シス型のＡＢＤＭ
（０ｍｉｎ）での吸収極大波長は３２５ｎｍであるが、
可視光線照射の開始後、時間の経過に伴って吸収極大波
長は長波長側の３４５ｎｍにシフトする。ＡＢＤＭがト
ランス型からシス型、あるいはシス型からトランス型に
変化する速度は、試料濃度と光源の出力に依存して変化
する。

【００３７】タンパク質分子内の２つのシステイン残基
をＡＢＤＭによって架橋しておき、光照射によりＡＢＤ
Ｍをシス型−トランス型の間で構造変化させた場合、タ
ンパク質分子に構造変化を起こすことができる。すなわ
ち、光照射によるＡＢＤＭの構造変化は、タンパク質の
構造変化の駆動力として利用可能である。また、レーザ
ーパルス光を用いれば、ＡＢＤＭのシス型−トランス型
の変化を高速で起こすことも可能である。

【００３８】一方、骨格筋ミオシン頭部のＳＨ１はチオ
ール基修飾試薬に対する反応性が著しく高く、ＳＨ１の
みが化学修飾された場合、ミオシン頭部のＣａ²⁺存在下
でのＡＴＰａｓｅ活性（以下、Ｃａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活
性とする。）が上昇し、Ｋ⁺存在下でのＡＴＰａｓｅ活
性（以下、Ｋ⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性とする。）が低下す
る。

【００３９】Ｍｇ²⁺とＡＤＰの存在下ではＳＨ２の反応
性も高くなるが、ＳＨ１とＳＨ２が化学修飾された場合
は、Ｃａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活性も低下する。ＳＨ１およ
びＳＨ２の化学修飾とＡＴＰａｓｅ活性との関係は、ラ
ジオアイソトープ標識されたＳＨ基架橋性試薬ｐ−フェ
ニレンジマレイミドでＳＨ１とＳＨ２を直接架橋し、詳
細に調べられている。

【００４０】ミオシン頭部のＳＨ１およびＳＨ２がＡＢ
ＤＭによって飽和していない場合は、Ｍｇ²⁺とＡＤＰの
存在下で蛍光性チオール基修飾試薬を添加すると、未反
応のＳＨ１および／またはＳＨ２が蛍光性チオール基修
飾試薬と反応する。したがって、蛍光性チオール基修飾
試薬によりミオシン頭部が蛍光標識されなければ、ＳＨ
１とＳＨ２が完全にＡＢＤＭと結合したとみなすことが
できる。また、ミオシン頭部とＡＢＤＭを反応させた
後、ミオシンに結合したＡＢＤＭを吸光度に基づいて定
量すれば、１個のミオシン頭部に何個のＡＢＤＭが結合
したかを見積もることができる。

【００４１】

【実施例】以下に、具体的な実施例を説明する。（１）ミオシン頭部のＳＨ１とＳＨ２のＡＢＤＭによる
架橋骨格筋ミオシン頭部（サブフラグメント−１，Ｓ−１）
３０μＭとＡＢＤＭ９０μＭを０℃、ｐＨ７．０の緩衝
液中で１０分間、反応させた。緩衝液の組成は１０ｍＭ
ＫＣｌ、１ｍＭＭｇＣｌ₂ 、０．１ｍＭＡＤＰ、
１０ｍＭ塩酸イミダゾールとした。

【００４２】その後、還元剤ジチオスレイトールを２ｍ
Ｍとなるように緩衝液に加え、反応を停止させた。反応
停止後、セファデックスＧ−５０（ファルマシア社の商
品名）が充填された遠心器用ディスポーザブルカラムを
用いて、未反応のＡＢＤＭの除去と、ジチオスレイトー
ルを含まない緩衝液への交換を行った。

【００４３】ＳＨ１とＳＨ２の架橋反応は、ミオシン頭
部のＡＴＰａｓｅ活性の変化に基づいてモニターした。
図３（ａ）は紫外線照射下でＡＢＤＭをＳ−１と反応さ
せたとき、すなわちシス型のＡＢＤＭをＳ−１と反応さ
せたときのＡＴＰａｓｅ活性の変化を示す。Ｃａ²⁺−Ａ
ＴＰａｓｅ活性とＫ⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性は、それぞれ
反応開始時の活性を１００として相対的に表した。

【００４４】これらのＡＴＰａｓｅ活性の測定は、０．
５ＭＫＣｌ、３０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌを含むｐＨ
７．５の緩衝液中で行った。Ｃａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活性
の測定は、緩衝液中にＣａＣｌ₂ を５ｍＭとなるように
添加して行った。Ｋ⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性の測定は、緩
衝液中にエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を５ｍＭ
となるように添加して行った。

【００４５】ＡＴＰがミオシンで加水分解されるとき、
リン酸に金属が配位したＡＴＰが、基質として認識され
る。生体内での基質はＭｇ²⁺が配位したＡＴＰである
が、Ｃａ²⁺が配位したＡＴＰや、Ｋ⁺ が配位したＡＴＰ
もミオシンの基質となる。但し、Ｃａ²⁺やＫ⁺ が配位し
たＡＴＰは、Ｍｇ²⁺が配位したＡＴＰよりも速く加水分
解される。また、Ｍｇ²⁺が配位したＡＴＰは筋収縮を誘
導するのに対し、Ｃａ²⁺やＫ⁺ が配位したＡＴＰでは筋
収縮が誘導されない。

【００４６】Ｋ⁺ の配位は極めて弱いため、他の金属イ
オンが混在すると、混在している金属イオンがＡＴＰに
配位する。Ｋ⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性の測定では、Ｋ⁺ 以
外の金属イオンがＡＴＰに配位するのを防止する目的
で、キレート剤であるＥＤＴＡ（Ｎａ塩）を加えた。図
３（ａ）に示すように、Ｃａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活性とＫ
⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性は、いずれも時間の経過に伴って
低下し、反応開始後、約５分でＣａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活
性が消失した。

【００４７】図３（ｂ）は可視光線照射下でＡＢＤＭを
Ｓ−１と反応させたとき、すなわち、トランス型のＡＢ
ＤＭをＳ−１と反応させたときのＡＴＰａｓｅ活性の変
化を示す。Ｃａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活性とＫ⁺ −ＡＴＰａ
ｓｅ活性は、それぞれ反応開始時の活性を１００として
相対的に表した。図３（ｂ）に示すように、Ｃａ²⁺−Ａ
ＴＰａｓｅ活性とＫ⁺ −ＡＴＰａｓｅ活性は、いずれも
時間の経過に伴って低下し、反応開始後、約１０分でＣ
ａ²⁺−ＡＴＰａｓｅ活性がほぼ消失した。

【００４８】また、ＡＢＤＭと反応したＳ−１に、ＡＤ
Ｐの存在下で蛍光性チオール基修飾試薬を添加したが、
蛍光性チオール基修飾試薬はＳ−１に結合しなかった。
したがって、ＳＨ１とＳＨ２はＡＢＤＭにより飽和した
とみなせた。さらに、ＡＢＤＭとＳ−１の複合体につい
て、ＡＢＤＭの定量とタンパク質の定量を行った結果、
ＡＢＤＭとＳ−１が１：１で結合したことが確認され
た。

【００４９】Ｓ−１に結合したＡＢＤＭの定量は、トラ
ンス型ＡＢＤＭの吸収極大波長（３４２ｎｍ、ｐＨ７．
５のＴｒｉｓ緩衝液中）での吸光度に基づいて行った。
十分乾燥したＡＢＤＭを正確に秤量し、濃度の異なる溶
液を調製して、吸収スペクトルに変化がなくなるまで可
視光線を照射してトランス型に変化させ、波長３４２ｎ
ｍでの吸光度からＡＢＤＭのモル吸光係数εを２２９０
０と決定した。Ｓ−１は波長３４２ｎｍに吸収をもたな
いため、波長３４２ｎｍでのＡＢＤＭとＳ−１の複合体
の吸収は、Ｓ−１に結合したＡＢＤＭの吸収とみなせ
る。また、タンパク質の定量はミクロビウレット法およ
びブラッドフォード法で行った。

【００５０】（２）ＡＢＤＭとＳ−１の複合体の吸収ス
ペクトル図４は、トランス型ＡＢＤＭとＳ−１の複合体に紫外線
を照射して、シス型ＡＢＤＭの複合体に変化させたとき
の吸収スペクトルの変化を示す。ＡＢＤＭとＳ−１の複
合体には水銀ランプ（１１５Ｖ、０．１６Ａ）を光源と
する波長３６６ｎｍの紫外線を照射した。測定はｐＨ
７．５のＴｒｉｓ緩衝液（３０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣ
ｌ、１２０ｍＭＮａＣｌ）中で行い、紫外線の照射は
室温で行った。

【００５１】図４に示すように、トランス型ＡＢＤＭと
Ｓ−１の複合体（０ｍｉｎ）での吸収極大波長は約３４
０ｎｍであり、図１に示すフリーのトランス型ＡＢＤＭ
に比較すると、約５ｎｍ短波長側にシフトしているが、
フリーのトランス型ＡＢＤＭとほぼ同じ位置に特性吸収
を示した。また、フリーのトランス型ＡＢＤＭと同様
に、紫外線照射の開始後、時間の経過に伴って吸収極大
波長が短波長側にシフトした。

【００５２】図５は、シス型ＡＢＤＭとＳ−１の複合体
に可視光線を照射して、トランス型に変化させたときの
吸収スペクトルの変化を示す。ＡＢＤＭとＳ−１の複合
体には蛍光灯（２７Ｗ）を照射した。測定はｐＨ７．５
のＴｒｉｓ緩衝液（３０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌ、１２０
ｍＭＮａＣｌ）中で行い、可視光線の照射は室温で行
った。図５に示すように、可視光線照射の開始後、時間
の経過に伴って吸収極大波長が長波長側にシフトし、ト
ランス型ＡＢＤＭとＳ−１の複合体に移行した。すなわ
ち、図２に示すフリーのシス型ＡＢＤＭと同様の挙動を
示した。

【００５３】（３）ＡＢＤＭとＳ−１の複合体のＸ線溶
液散乱Ｘ線溶液散乱によれば、原子座標をＸ線結晶構造解析の
ように高分解能で決定することはできないが、タンパク
質の全体的な構造変化を溶液中で調べることが可能であ
る。タンパク質の溶液にＸ線を照射して小角の散乱を観
測すると、散乱角と散乱強度の関係から分子の大きさ
（体積）や形状がわかる。Ｘ線溶液散乱はタンパク質分
子の大きさの変化を検出するのに適している。また、タ
ンパク質に熱や変性剤を加えずに、生体内に近い状態で
測定を行うことができる。

【００５４】図６は、ＳＨ１とＳＨ２を架橋したＡＢＤ
Ｍの光照射による構造変化を模式的に示す。図６（ａ）
は紫外線照射によりＡＢＤＭがシス型となった状態を示
し、ＳＨ１とＳＨ２は近接している。図６（ｂ）は可視
光線照射によりＡＢＤＭがトランス型となった状態を示
し、ＳＨ１とＳＨ２の間隔が拡がっている。ＡＢＤＭの
シス型−トランス型の変化によりクロスリンクスパンは
５〜１７Åの範囲で変化する。したがって、光照射によ
りＳ−１の可逆的な構造変化を連続的に起こし、Ｓ−１
を分子モーターとして機能させることができる。

【００５５】図７は、Ｘ線溶液散乱によるＳ−１および
その複合体の慣性半径Ｒｇの測定結果を示す。慣性半径
Ｒｇは分子の重心のまわりの電子密度の広がり方を示
す。分子間の干渉のため、一般にタンパク質濃度が高く
なると慣性半径Ｒｇは小さくなる。真の慣性半径Ｒｇ
は、タンパク質濃度の異なる複数の測定値をプロット
し、タンパク質濃度０に外挿して求められる。

【００５６】図７に示すように、Ｓ−１のみの場合
（ａ）とシス型ＡＢＤＭとＳ−１の複合体（ｂ）では、
慣性半径Ｒｇがほぼ一致する。それに対し、トランス型
ＡＢＤＭとＳ−１の複合体（ｃ）では、Ｓ−１のみ
（ａ）またはシス型ＡＢＤＭとＳ−１の複合体（ｂ）に
比較して慣性半径Ｒｇが１Å程度小さくなる。

【００５７】これは、Ｓ−１部分が全体的に約１Å小さ
くなることに相当する。Ｓ−１にＡＴＰが結合するとＳ
−１が大きく折れ曲がることにより、Ｓ−１の慣性半径
Ｒｇが約３Å小さくなることが知られている。ＳＨ１と
ＳＨ２は、この折れ曲がりの中心に位置している。ここ
に結合したＡＢＤＭのシス型−トランス型の構造変化に
より、Ｓ−１でＡＴＰの場合の約１／３の折れ曲がりが
誘導されることが示唆される。

【００５８】上記の本発明の実施形態の生体機能分子の
光駆動方法によれば、ＡＢＤＭでＳ−１のＳＨ１とＳＨ
２を架橋することにより、ＡＴＰの化学的エネルギーを
用いずに、光照射によりＳ−１を駆動・制御して機械的
エネルギーを産生できる。また、ＡＢＤＭとＳ−１を用
いて光照射により駆動・制御される分子モーター等のマ
イクロ−ナノマシンを構築することができる。

【００５９】本発明の生体機能分子の光駆動方法および
マイクロ−ナノマシンの実施形態は、上記の説明に限定
されない。本発明はミオシン頭部以外のタンパク質等の
光駆動および光制御にも適用できる。真核細胞内には細
胞移動、細胞質分裂、貪食作用、染色体分離等、「動
き」に関わる多様なタンパク質が存在する。

【００６０】例えば、繊毛や鞭毛に含まれるダイニン
や、微小管上を動いて小胞等を輸送するキネシンや、プ
ロトンポンプであるＦ１−ＡＴＰａｓｅは、ミオシン頭
部同様にＡＴＰａｓｅ活性を有し、ＡＴＰの化学的エネ
ルギーを利用するタンパク質である。これらのタンパク
質に本発明を適用すれば、ＡＴＰの加水分解による化学
的エネルギーを用いずに、光照射によって駆動するマイ
クロ−ナノマシン等を構築できる。

【００６１】また、プロテアーゼ等の工業用酵素や、生
体内での医療用・治療用酵素の活性の調節に、本発明に
よる生体機能分子の人為的な構造変化を利用することも
できる。例えば、ガラスファイバーのカテーテルと光駆
動分子輸送用カテーテルを用い、光照射の間のみ治療用
酵素を活性化させ、かつ患部組織の光照射領域において
のみ選択的に治療用酵素を活性化させる場合等に、本発
明を適用できる。

【００６２】上記の実施形態においては、アゾベンゼン
をマレイミド基を介してチオール基に結合させている
が、例えばスクシンイミジルエステル、イソチオシアネ
ート、スルホニルクロライド、アルデヒド、フタルアル
デヒド、マレイミド、ベンゾフラザン、ヨードアセトア
ミド、アジリジン、ジスルフィド化合物等、タンパク質
中の特定のアミノ酸残基に選択的に結合することが知ら
れている基をマレイミド基のかわりに導入してもよい。

【００６３】また、ビオチン等、特定のタンパク質に対
する親和性が著しく高い化合物をマレイミド基のかわり
に導入してもよい。あるいは、光アフィニティーラベリ
ングにおいて反応基として用いられるアジドやジアゾア
セチル等を、マレイミド基のかわりに導入し、光照射に
よってタンパク質にフォトクロミック分子を結合させて
もよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の変更が可能である。

【００６４】

【発明の効果】本発明の生体機能分子の光駆動方法によ
れば、光を利用して生体機能分子に可逆的な構造変化を
起こし、機械的エネルギーを産生できる。本発明のマイ
クロ−ナノマシンによれば、機械的な微小な動きを光照
射により駆動および制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の生体機能分子の光駆動方法およ
びマイクロ−ナノマシンに用いられる架橋性フォトクロ
ミック分子に紫外線を照射して、トランス型からシス型
に変化させたときの吸収スペクトルを示す。

【図２】図２は本発明の生体機能分子の光駆動方法およ
びマイクロ−ナノマシンに用いられる架橋性フォトクロ
ミック分子に可視光線を照射して、シス型からトランス
型に変化させたときの吸収スペクトルを示す。

【図３】図３（ａ）および（ｂ）は本発明の生体機能分
子の光駆動方法およびマイクロ−ナノマシンにおいて、
架橋性フォトクロミック分子（ＡＢＤＭ）が生体機能分
子（ミオシン頭部）を架橋したことを示す図であり、Ａ
ＴＰａｓｅ活性の変化を示す。

【図４】図４は本発明の生体機能分子の光駆動方法およ
びマイクロ−ナノマシンにおいて、架橋性フォトクロミ
ック分子と生体機能分子の複合体に紫外線を照射したと
きの吸収スペクトルの変化を示す。

【図５】図５は本発明の生体機能分子の光駆動方法およ
びマイクロ−ナノマシンにおいて、架橋性フォトクロミ
ック分子と生体機能分子の複合体に可視光線を照射した
ときの吸収スペクトルの変化を示す。

【図６】図６は本発明の生体機能分子の光駆動方法およ
びマイクロ−ナノマシンにおいて、２つのチオール基を
架橋したＡＢＤＭのシス型−トランス型の変化を示す模
式図である。

【図７】図７はＸ線溶液散乱による慣性半径の測定結果
を示す図である。

【図８】図８（ａ）および（ｂ）は分子シャトルの模式
図である。

【図９】図９は従来の架橋性フォトクロミック分子を用
いた分子シャトルの制御を表す模式図である。

【図１０】図１０（ａ）はミオシンの模式図であり、
（ｂ）はミオシン頭部の模式図である。

【符号の説明】

１…ダンベル状の分子、２…輪状の分子、３ａ、３ｂ…
ステーション、４…軸部分、５…シクロデキストリン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０９Ｋ 9/02 Ｃ０９Ｋ 9/02 ＢＧ０３Ｃ 1/73 ５０３Ｇ０３Ｃ 1/73 ５０３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記式（１）または（２）【化１】【化２】で表される架橋性フォトクロミック分子を、生体機能分
子中の２つのチオール基と結合させて、前記チオール基
の間を架橋する工程と、紫外線照射により前記架橋性フォトクロミック分子をシ
ス型とし、架橋部分の距離を縮小して、前記生体機能分
子を第１の構造とする工程と、可視光線照射により前記架橋性フォトクロミック分子を
トランス型とし、前記距離を拡大して、前記生体機能分
子を第２の構造とする工程とを有する生体機能分子の光
駆動方法。
【請求項２】紫外線と可視光線を交互に照射して、前記
生体機能分子を前記第１の構造と第２の構造の間で交互
に変化させる請求項１記載の生体機能分子の光駆動方
法。
【請求項３】下記式（３）または（４）【化３】【化４】（各式中、ＸおよびＹは同一または異なる基を表す。）
で表される架橋性フォトクロミック分子を、生体機能分
子中の特定の基と結合させて、前記基の間を架橋する工
程と、紫外線照射により前記架橋性フォトクロミック分子をシ
ス型とし、架橋部分の距離を縮小して、前記生体機能分
子を第１の構造とする工程と、可視光線照射により前記架橋性フォトクロミック分子を
トランス型とし、前記距離を拡大して、前記生体機能分
子を第２の構造とする工程とを有する生体機能分子の光
駆動方法。
【請求項４】請求項１記載の式（１）または（２）で表
される架橋性フォトクロミック分子と、前記架橋性フォトクロミック分子により２つのチオール
基が架橋された生体機能分子であって、前記架橋性フォ
トクロミック分子がシス型のとき、架橋部分の距離が縮
小した第１の構造をとり、前記架橋性フォトクロミック
分子がトランス型のとき、前記距離が拡大した第２の構
造をとる前記生体機能分子とを有するマイクロ−ナノマ
シン。