分子研のいま
次世代に貢献し続ける分子科学
分子科学研究所は，創立以来、分子科学の研究の中核拠点として実験的研究および理論的研究を行ってきました。これからも、学術研究の基本を踏まえ、科学分野を先導する研究を推進し、新しい科学領域を拓く挑戦を続けていきます。
見えない複雑な分子を描き出す
一般に如何なる量子系も純粋な孤立系とは見なし得ません。とりわけ溶液やタンパク質といった凝縮相分子系で起こる量子力学的現象は、膨大な数の動的自由度からなる分子環境の影響に曝されることで、ときにその量子的性質が破壊され、ときには量子的性質が頑健に維持されます。このような量子的性質の維持と崩壊のバランスは化学ダイナミクスの様態に大きな影響を及ぼし得るため、多自由度ゆえに生じる動的揺らぎや散逸に曝されながら量子効果はどのような影響を受けるのかを理解することは、量子物理学のみならず分子・物性科学の重要な課題となります。この観点から、量子解放系のダイナミクスを記述する基礎理論開発、凝縮相分子系の光学応答および時間分解分光スペクトルの理論解析への応用、これらに基づいた分子物質系における動的過程の理解、に取り組んでいます。さらに近年は、複雑分子系の動的過程を時間空間分解計測することを目的に、量子光の非古典相関を利用する量子計測の理論研究に取り組んでいます。
光を造る、光で観る、
光で制御する
室温下で、ほぼ絶対零度の原子１個１個を量子ビットとして用いる冷却原子型・量子コンピュータは、画期的な新時代のハードウェアとして期待されています。特に、私たちが考案した「超高速量子コンピュータ」は、超高速レーザー技術と量子コンピュータを融合させるという全く新しいコンセプトに基づいており、熾烈な国際競争におけるわが国のコアコンピタンスとして広く産学官の注目を集めています。これまでに僅か6.5ナノ秒で動作する量子スピード限界の超高速２量子ビットゲート（最も重要な基本演算素子）の実装に成功しています。このゲートは従来の冷却原子型の２量子ビットゲートを一気に２桁加速する「技術革新」です。
論文 :
Picosecond-Scale Ultrafast Many-Body Dynamics in an Ultracold Rydberg-Excited Atomic Mott Insulator, V. Bharti et al., Phys. Rev. Lett. 131, 123201 (2023).
Ultrafast Energy Exchange between Two Single Rydberg Atoms on a Nanosecond Timescale, Y. Chew et al., Nature Photonics 16, 724–729 (2022).
Ultrafast Creation of Overlapping Rydberg Electrons in an Atomic BEC and Mott-Insulator Lattice, M. Mizoguchi et al., Phys. Rev. Lett. 124, 253201 (2020).
右手と左手は互いに鏡写しの関係にありますが、重ねてもぴったりとは合わさらない形をしています。分子（特に生体分子）やナノ物質の形にも、右と左の区別のあるものがたくさんあり、特別な機能が現れます。光にもねじれた構造の光があり、これを用いると分子やナノ物質の左右を区別する測定ができます。私達は、ねじれた光を用いた顕微鏡を開発し、様々なナノ物質や生体試料で、左右を区別したイメージングを行い、ミクロな領域で物質の左右を分けて観察することに成功しました。この方法は将来、左と右を区別した新しい性質を持つ物質の開発や、医療への応用などが可能と期待しています。
論文 :
Circular Dichroism Microscopy Free from Commingling Linear Dichroism via Discretely Modulated Circular Polarization, T. Narushima and H. Okamoto, Sci. Rep. 6, 35731 (2016).
Imaging Chirality of Optical Fields near Achiral Metal Nanostructures Excited with Linearly Polarized Light, S. Hashiyada, T. Narushima and H. Okamoto, ACS Photon. 5 (4), 1486-1492 (2018).
Supramolecular Chirality Synchronization in Thin Films of Plasmonic Nanocomposites, P. Szustakiewicz, N. Kołsut, D. Grzelak, T. Narushima, M. Góra, M. Bagiński, D. Pociecha, H. Okamoto, L. M. Liz-Marzán and W. Lewandowski, ACS Nano 14 (10), 12918-12928 (2020).
高強度・大出力パワーレーザーの小型化は、高エネルギー物理から物質科学・生命科学等の広い分野に新たな局面をもたらすと期待されています。大型コンピュータのマイクロチップ化に刺激を受け議論が始まったマイクロ固体フォトニクスは、30年を経て、多様な波長変換法の高度化と相まってパワーレーザー利用に大きなインパクトを与えつつあります。一方、いわゆるウェハープロセスによる量産を可能とするマイクロチップ化は、製造業、社会インフラメンテナンス、レーザー点火、さらには医療、そして量子技術など広い分野で社会実装と技術革新をもたらすことが期待されています。
UVSORは設立当初からケミカルマシンの名の元に、分子科学研究の推進を目的に40年に渡り活躍してきました。今世紀に入り光科学の計測目標が複雑系や不均一系へとシフトしてきています。例えば生物学の大きな謎である「物質がなぜ情報を持つか」を理解するためには、これまでの計測法や解析法だけでは不十分で、挑戦的な技術開拓によるゲームチェンジが不可欠です。これからのUVSORは、新たな異分野融合を目指し、複雑系計測というニーズ牽引力と、これまでのUVSORの強みである光源開発力・分子科学利用というシーズ出力が４輪駆動でドライブすることで、世界トレンドの創発を目指していきます。次期施設建設計画の実現へ向けたご支援をよろしくお願いいたします。
物質創成、機能制御、新しい観測手法の開発
有機ELはテレビやスマートフォンなど日常的に触れる電子機器のディスプレイとして広く実用化されています。その発光を担っているのは有機半導体という電気を流して光る有機分子です。私たちは二種類の有機半導体分子の界面で起こる新しい発光現象を発見したことで、世界最小電圧で光る有機ELの開発に成功しました。従来は乾電池３本分程度の起電力が必要でしたが、写真のように乾電池１本つなげるだけで有機ELが光ります。この成果はテレビやスマートフォンなど有機ELを使ったディスプレイ機器の消費電力を削減する上での大きな一歩になります。
論文 :
Efficient Interfacial Upconversion Enabling Bright Emission at an Extremely Low Driving Voltage in Organic Light-Emitting Diodes, S. Izawa, M. Morimoto, S. Naka and M. Hiramoto, Adv. Opt. Mater. 10, 2101710 (2022).
有機超伝導体はわずかな電子密度の違いで超伝導体になったり絶縁体になったりします。光で電気双極子を生み出すフォトクロミック分子を表面に整列させると、超伝導体の電子密度を光で変えることができるので、結果として光による超伝導のスイッチングが実現します。光や電場など、外場で超伝導を制御することによって、新たなコヒーレント電子デバイスの開拓を進めています。
論文 :
Light-Induced Superconductivity Using a Photoactive Electric Double Layer, M. Suda, R. Kato and H. M. Yamamoto, Science 347, 743-746 (2015).
N-Type Superconductivity in an Organic Mott Insulator Induced by Light-Driven Electron-Doping, M. Suda, N. Takashina, S. Namuangruk, N. Kungwan, H. Sakurai and H. M. Yamamoto, Adv. Mater. 29, 1606833 (2017).
水素利用技術の発展は、カーボンニュートラル社会の実現に不可欠です。私たちは、水素の陰イオンであるヒドリド（H–）をキャリアとする、固体イオニクス材料の開発をおこなっています。これまでに、ヒドリドイオン導電性の固体電解質を世界で始めて見いだしたことを起点に、これまでにヒドリド超イオン導電体の発見や、室温での固体電解質作動を実現してきました。さらなる新材料の探索のほか、ヒドリドイオン導電現象を利用したあたらしい電気化学デバイスの開発にも取り組むことで、世界的なエネルギー問題の解決に資する基盤研究を進めていきます。
論文 :
Pure H− Conduction in Oxyhydrides, G. Kobayashi et al., Science 351, 1314 (2016).
Hydride-Ion-Conducting K2NiF4-type Ba–Li Oxyhydride Solid Electrolyte, F. Takeiri, A. Watanabe, K. Okamoto, D. Bresser, S. Lyonnard, B. Frick, A. Ali, Y. Imai, M. Nishikawa, M. Yonemura, T. Saito, K. Ikeda, T. Otomo, T. Kamiyama, R. Kanno and G. Kobayashi, Nature Materials 21, 325–330 (2022).
Impact of Na Concentration on the Phase Transition Behavior and H− Conductivities in the Ba–Li–Na–H–O Oxyhydride System, K. Okamoto, F. Takeiri, Y. Imai, M. Yonemura, T. Saito, K. Ikeda, T. Otomo, T. Kamiyama and G. Kobayashi, Adv. Sci. 10, 2203541 (2023).
光は波であり、その回折限界（集光サイズ限界）の制約により波長サイズよりも微細な領域に集光することは一般に困難です。ところが、ナノスケールの微細な形状を有する金属構造体に光を照射すると、その周りにだけ光が局在する特殊な状態が発現し得ます。私達は、先端形状とシャフト形状の両方を精密に制御した金の探針を開発・作製し、その先端のナノサイズ空間に可視～赤外域の光を閉じ込めて非線形な光学応答を誘起することに成功しました。原子レベルで精密に位置制御可能な金ナノ探針の先端でこの光の局在性と非線形光学応答性を自在に制御する技術を駆使し、光の回折限界（集光サイズ限界）を突破した原子レベルの空間分解能で物質表面と分子集合体の構造や物性・化学的機能を解き明かす研究に挑戦しています。
論文 :
Broadband Tip-Enhanced Nonlinear Optical Response in a Plasmonic Nanocavity, S. Takahashi, A. Sakurai, T. Mochizuki and T. Sugimoto, J. Phys. Chem. Lett. 14, 6919–6926 (2023).
Critical Impacts of Interfacial Water on C–H Activation in Photocatalytic Methane Conversion, H. Sato, A. Ishikawa, H. Saito, T. Higashi, K. Takeyasu and T. Sugimoto, Commun. Chem. 6, 8 (2023).
電子とホールを、基板に対して水平方向に取り出す「水平接合」による新コンセプト有機太陽電池の動作に、世界で初めて成功し、高効率化への道筋を拓きました。これにより、垂直方向の膜厚を限りなく厚くでき、種々の吸収波長領域を持つ、多様な有機半導体の組み合わせが自由自在に行えるようになり、太陽光スペクトルの大部分をフル活用して、飛躍的な効率向上が望めます。近い将来、有機太陽電池は、フレキシブル、カラフル、軽量、塗布可能、安価、等の利点を活かして、太陽電池の主役となっていくと考えています。
論文 :
Lateral Alternating Donor/Acceptor Multilayered Junction for Organic Solar Cells, M. Kikuchi, M. Hirota, T. Kunawong, Y. Shinmura, M. Abe, Y. Sadamitsu, A. M. Moh, S. Izawa, M. Izaki, H. Naito and M. Hiramoto, ACS Appl. Energy Mater. 2, 2087-2093 (2019).
生体機能の実現と無駄のない化学反応へ
自己集合性の巨大中空ケージにタンパク質分子をまるごと閉じ込めることに成功しました。タンパク質の失活を招く凝集を完全に抑えることができるため、高温条件や有機溶媒中でも失活しない「不死身の酵素」が実現しました。またケージの隔離効果を利用して、通常は観測不可能なさまざまな過渡構造をNMRで観察できました。
論文 :
Protein Stabilization and Refolding in a Gigantic Self-Assembled Cage, D. Fujita, R. Suzuki, Y. Fujii, M. Yamada, T. Nakama, A. Matsugami, F. Hayashi, J.-K. Weng, M. Yagi-Utsumi and M. Fujita, Chem 7, 2672–2683 (2021).
Hysteresis Behavior in the Unfolding/Refolding Processes of a Protein Trapped in Metallo-Cages, T. Nakama, A. Rossen, R. Ebihara, M. Yagi-Utsumi, D. Fujita, K. Kato, S. Sato and M. Fujita, Chem. Sci. 14, 2910–2914 (2023).
ハロゲンは、環境調和性の高い元素として知られています。しかし、分子性触媒の研究分野で十分に活用されていませんでした。私たちは、ハロゲン元素を有機合成化学的にデザインすることで、強力な触媒活性を有する分子性触媒の開発に成功しました。精密有機合成手法や量子化学計算、さらにAI技術などの情報科学手法を駆使してハロゲン元素の潜在性を引き出すことにより、医薬品や機能性材料などの有用物質を迅速に供給する生産技術の発展に貢献しています。
論文 :
Three-Center-Four-Electron Halogen Bond Enables Non-Metallic Complex Catalysis for Mukaiyama-Mannich-Type Reaction, S. Oishi, T. Fujinami, Y. Masui, T. Suzuki, M. Kato, N. Ohtsuka and N. Momiyama, iScience 25, 105220 (2022).
Protocol for Effecient Dearomatization of N-Heteroaromatics with Halogen(I) Complex Catalyst, S. Oishi, T. Fujinami, Y. Masui, T. Suzuki, M. Kato, N. Ohtsuka and N. Momiyama, STAR Protoc. 4, 102140 (2023).
生命活動は分子でできた機械が支えています。分子機械を工学的観点でみた際に興味深いのは、自然が進化の過程で生み出したナノサイズの分子機械と人間がつくったマクロな人工機械に形や仕組みが一見似ている例がみられる点、そして多くの分子機械は人工機械よりも優れた特性を示す点です。例えば、回転式イオンポンプV-ATPaseは水力発電機とよく似ていますが、水力発電機よりも高いエネルギー変換効率を示します。分子機械と人工機械の共通点や相違点を理解することで将来は、人工機械の特性の向上に繋げられると我々は考えています。
論文 :
Six States of Enterococcus hirae V-Type ATPase Reveals Non-Uniform Rotor Rotation during Turnover, R. N. Burton-Smith et al., Commun. Biol. 6, 755 (2023).
Design of Allosteric Sites into Totary Motor V1-ATPase by Restoring Lost Function of Pseudo-Active Sites, T. Kosugi et al., Nat. Chem. 15, 1591–1598 (2023).
Direct Observation of Stepping Rotation of V-ATPase Reveals Rigid Component in Coupling between Vo and V1 Motors, A. Otomo et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 119, e2210204119 (2022).
体内時計を特徴づける3つの生理学的性質（24時間周期での自律的発振、周期の温度補償性、同調性）を、シアノバクテリアの時計タンパク質を使って解明し、米科学誌Science Advancesをはじめとする3編の論文にそれぞれ公表しました。これらの成果は、ヒトを含む高等生物における体内時計の分子基盤の探索活動にも影響を及ぼす成果として注目されており、国内の新聞記事や世界中のwebニュースとしても多数取り上げられています。
論文 :
Cross-Scale Analysis of Temperature Compensation in the Cyanobacterial Circadian Clock System, Y. Furuike et al., Commun. Phys. 5, 75 (2022).
Elucidation of Master Allostery Essential for Circadian Clock Oscillation in Cyanobacteria, Y. Furuike et al., Sci. Adv. 8, 15 (2022).
Regulation Mechanisms of the Dual ATPase in KaiC, Y. Furuike et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 119, e2119627119 (2022).
糖鎖は、核酸、タンパク質と並ぶ第３の生命鎖として生命現象を司っており、医療や創薬の分野でも注目されています。私たちは糖鎖が担う生命情報を解読することを目指して、実験と理論の両面から糖鎖のダイナミックな3次元構造と相互作用を解き明かす分子科学の方法論の体系を構築しました。さらに、細胞生物学をはじめとする異分野との学際的な研究を通じて、糖鎖の設計原理の解明を目指した研究を展開しています。そうした成果を基軸とした大規模プロジェクト（ヒューマングライコームプロジェクト）も発動しています。
タンパク質を修飾する糖鎖の３次元構造は水溶液中で激しく揺らいでおり、これによってタンパク質間の相互作用が制御されている。
動画引用元 : Sci. Rep. 7, Article number: 13780 (2017)
論文 :
Comprehensive Characterization of Oligosaccharide Conformational Ensembles with Conformer Classification by Free-Energy Landscape via Reproductive Kernel Hilbert Space, T. Watanabe, H. Yagi, S. Yanaka, T. Yamaguchi and K. Kato, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 9753-9760 (2021).
Improved Secretion of Glycoproteins Using an N-Glycan-Restricted Passport Sequence Tag Recognized by Cargo Receptor, H. Yagi, M. Yagi-Utsumi, R. Honda, Y. Ohta, T. Saito, M. Nishio, S. Ninagawa, K. Suzuki, T. Anzai, Y. Kamiya, K. Aoki, M. Nakanishi, T. Satoh and K. Kato, Nat. Commun. 11, 1368 (2020).
両親媒性高分子に様々な触媒（錯体触媒、ナノ粒子触媒、有機触媒など）を固定化し、水中での不均一触媒による有機化学反応を実現しました。それらの反応系では有機分子が疎水性相互作用によって高分子反応場に自発拡散・濃縮され高効率な触媒反応が実現します。「雨宿り効果」と名付けられたこの反応駆動概念は広範な分子変換に適用され、不斉触媒、アルコール類の酸素酸化、秒速でのフロー反応、ppb触媒量での分子変換、鉄触媒水素化、平衡値を超える脱水エステル化などが達成されました。
論文 :
A Nanoplatinum Catalyst for Aerobic Oxidation of Alcohols in Water, Y. M. A. Yamada, T. Arakawa, H. Hocke and Y. Uozumi, Angew. Chem., Int. Ed. 46, 704-706 (2007).
Self-Assembled Poly(imidazole-palladium): Highly Active, Reusable Catalyst at Parts per Million to Parts per Billion Levels, Y. M. A. Yamada, S. M. Sarkar and Y. Uozumi, J. Am. Chem. Soc. 134, 3190-3198 (2012).
