柔軟な高分子主鎖を活用する超分子アロステリックシグナル増幅センシング

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06041
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 福原 学 大阪大学, 工学研究科, 助教 (30505996)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: アロステリズム / 化学センサー / ポリチオフェン / カードラン / 糖センシング

Outline of Annual Research Achievements

超分子アロステリックシグナル増幅センシング(Supramolecular Allosteric Signal-amplification Sensing)　(SASS)に関して、ポリチオフェン(PT)またはカードラン(Cur)を用いる化学センサーの開発を行ってきた。一年目は特にCurとPTから成る複合錯体センサーの形成機構ならびにその動的制御について明らかにしてきた。これまでに、Curを多糖レセプター、水溶性ポリチオフェン(PyPT)をリポーターとする複合錯体が、水溶液中においてアミノ四糖であるアカルボースを選択的に認識することを報告した。しかしながら、どのような機構でCu-PyPT錯体がアカルボースを認識しているかは明確ではなかった。本年度は、この認識機構の解明のために、Cur-PyPTの錯形成挙動を検討して認識機構を明らかにするとともに、グルカン類であるCurあるいはシゾフィラン(SPG)とPyPTからなる複合錯体の平衡を温度、pH、塩濃度で制御できることも見出した。さらにCurをセンサーとする糖センシング系においては、リポーターとして生体系での利用に適した可視部に強い吸収を持つポルフィリンを修飾した修飾カードラン(H2Por-Cur, AlPor-Cur, ZnPor-Cur)を合成し、これらのキロプティカル特性およびアカルボース(4糖)センシングへと展開した。ZnPor-Curは不均一な凝集体を形成するためか、アカルボース添加時の円二色性(CD)強度の再現性が低かった。一方、H2Por-CurおよびAlPor-Curでは、アカルボース濃度に対してCDカップレットの振幅が直線的に増加し、後者では0-1.8 mMの範囲で定量的センシングが可能で、検出下限は200 uMであった。アカルボースを除く単糖から六糖に対する感度は低く、修飾Curによるアカルボースの選択的高感度認識は末端のバリエナミン骨格の寄与が大きいと考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画では、PTを用いるペプチドセンシングならびにCurを用いる糖センシングを２年かけて行い、残りの１年でデバイス化するという計画である。現在化学センサー構築のための期間の半分が過ぎて、Cur系に関しては十分な成果を挙げられている。さらには、Cur系から派生したCur-PT複合系において、形成機構ならびにその動的制御について明らかにしており、興味深いことに複合錯体の解離・会合平衡を温度、pH、塩濃度で制御できることも見出している。この事実はさらなるセンサー（分析セレクター）への展開を示唆するものであり、十分な進展として見ている。
一方、PT系に関してもデータはでており、あとは論文を作成する段階に来ている。従ってこれらを鑑みると、残りの１年での化学センサーの構築に関しては目途がたってきている。つまり、残りの１年で、全ての化学センサーの構築を行い、出来次第、デバイス化へとシフトしていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

現在までの進捗状況から今後の研究の推進方策として、残りの１年で化学センサーの構築を全て終わらせる予定である。このためにPT系を重点的に攻めていく。ペプチドセンシングから、できれば、最近構想している腫瘍マーカ―へと展開していきたい。このためには、水溶液中で機能するPTセンサーの構築が必須である。そこで、完全メチル化シクロデキストリンの酸開裂によって得られるメチル化オリゴ糖をビチオフェンモノマーユニットに架橋したPMPTz-mの設計をしており、これに関しては既に合成に成功しており、残すはセンシング能の検討のみである。Cur系においては、よりSASSが発揮できると考えられるリポーターとして、AIE性のテトラフェニルエチレンが妥当と考えており、この修飾Curの光物理化学挙動を解明するとともに、糖センシングへと進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Munchen(Germany)
  • Country Name: Germany
  • Counterpart Institution: Technische Universitat Munchen
• [Int'l Joint Research] Sichuan University(China)
  • Country Name: China
  • Counterpart Institution: Sichuan University
• [Int'l Joint Research] University of Victoria(Canada)
  • Country Name: Canada
  • Counterpart Institution: University of Victoria
• [Journal Article] Enantioselective [4+4] photodimerization of anthracene-2,6-dicarboxylic acid mediated by a C2-symmetric chiral template (2016)
  • Author(s): Maturi, M. M.; Fukuhara, G.; Tanaka, K.; Kawanami, Y.; Mori, T.; Inoue, Y.*; Bach, T.*
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 52 Pages: 1032-1035
  • DOI: 10.1039/c5cc09107a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Critical Control by Scaffold Flexibility Achieved in Diastereodifferentiating Photocyclodimerization of 2-Anthracenecarboxylate (2016)
  • Author(s): Fukuhara, G.*; Iida, K.; Mori, T.; Inoue, Y.
  • Journal Title: J. Photochem. Photobiol. A: Chem. Volume: 331 Pages: 76-83
  • DOI: org/10.1016/j.jphotochem.2016.01.016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inherently Chiral Azonia[6]helicene-Modified beta-Cyclodextrin: Synthesis, Characterization, and Chirality Sensing of Underivatized Amino Acids in Water (2016)
  • Author(s): Huang, Q.; Jiang, L.; Liang, W.; Gui, J.; Xu, D.; Wu, W.; Nakai, Y.; Nishijima, M.; Fukuhara, G.; Mori, T.; Inoue, Y.*; Yang, C.*
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 81 Pages: 3430-3434
  • DOI: 10.1021/acs.joc.6b00130
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrostatically promoted dynamic hybridization of glucans with cationic polythiophene (2016)
  • Author(s): Fukuhara, G.*; Imai, M.; Fuentealba, D.; Ishida, Y.; Kurohara, H.; Yang, C.; Mori, T.; Uyama, H.; Bohne, C.; Inoue, Y.
  • Journal Title: Org. Biomol. Chem. Volume: 14 Pages: 9741-9750
  • DOI: 10.1039/c6ob01353h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Supramolecular Photochirogenesis with Higher-Order Complex. Highly Accelerated Exclusively Head-to-Head Photocyclodimerization of 2-Anthracenecarboxylic Acid via 2:2 Complexation with Prolinol (2016)
  • Author(s): Kawanami, Y.; Katsumata, S.; Nishijima, M.; Fukuhara, G.; Asano, K.; Suzuki, T.; Yang, C.; Nakamura, A.; Mori, T.; Inoue, Y.*
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 138 Pages: 12187-12201
  • DOI: 10.1021/jacs.6b05598
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The themed issue in honor of Prof. Yoshihisa Inoue for his contribution on molecular and supramolecular photochemistry (2016)
  • Author(s): Mori, T.; Fukuhara, G.; Wada, T.
  • Journal Title: J. Photochem. Photobiol. A: Chem. Volume: 331 Pages: 1
  • DOI: org/10.1016/j.jphotochem.2016.09.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Yoshihisa Inoue - A researcher’s quest for photochirogenesis (2016)
  • Author(s): Mori, T.*; Fukuhara, G.; Wada, T.
  • Journal Title: J. Photochem. Photobiol. A: Chem. Volume: 331 Pages: 2-7
  • DOI: org/10.1016/j.jphotochem.2016.08.006
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ローダミン修飾カードランを用いる水溶液中におけるオリゴ糖の蛍光Turn-Onセンシング (2017)
  • Author(s): 範國 正拓・福原 学・森 直・木田 敏之
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [Presentation] グルカンと水溶性ポリチオフェンからなる動的複合錯体の制御 (2017)
  • Author(s): 福原 学・今井 真美・Fuentealba Denis・石田 裕規・黒原 大輝・Yang Cheng・森 直・宇山 浩・Bohne Cornelia・井上 佳久
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [Presentation] 電荷移動錯体を形成するナフチルフェニルエテンとキラルシアノ安息香酸エステルのジアステレオ区別Paterno-Buchi反応 (2017)
  • Author(s): 長崎 佳祐・福原 学・井上 佳久・森 直
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [Presentation] ナフトキノン-ビニルエーテル連結系のジアステレオ区別[2+2]光付加環化反応におけるルイス酸添加効果 (2017)
  • Author(s): 石川 大樹・福原 学・木田 敏之・森 直
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [Presentation] Pharmaceutical Oligosaccharide Sensing by a Chemical Approach (2016)
  • Author(s): Gaku Fukuhara
  • Organizer: 4th International Pharma & Clinical Pharmacy Congress
  • Place of Presentation: Las Vegas, Nevada, USA
  • Year and Date: 2016-11-07 – 2016-11-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic Hybridization Behavior of Glucans with Cationic Polythiophene Involving Hetero Triplex and Duplex Formation (2016)
  • Author(s): Gaku Fukuhara, Mami Imai, Denis Fuentealba, Yuki Ishida, Hiroki Kurohara, Cheng Yang, Tadashi Mori, Hiroshi Uyama, Cornelia Bohne, Yoshihisa Inoue
  • Organizer: 第2回 超分子による革新的マテリアル開発の拠点形成国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 石川県文教会館（石川県・金沢市）
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 完全メチル化シクロデキストリン修飾ポリチオフェンを用いる水溶液中でのアロステリック増幅オリゴペプチドセンシング (2016)
  • Author(s): 福原 学，石田 裕規，森 直，井上佳久
  • Organizer: 第65回高分子討論会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [Presentation] Studies on diastereodifferentiating [4+2] photocycloaddition of fumarate or maleate tethered with anthracene through the excited-state complex in the triplet manifold (2016)
  • Author(s): Makoto Ichikawa, Gaku Fukuhara, Yoshihisa Innoue, Tadashi Mori
  • Organizer: 2016年光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京大学駒場第一キャンパス（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-08
• [Presentation] ポルフィリン修飾カードランを用いる水溶液中でのオリゴ糖センシング (2016)
  • Author(s): 福原 学，佐々木麻友子，沼田宗典，森 直，井上佳久
  • Organizer: 2016年光化学討論会
  • Place of Presentation: 東京大学駒場第一キャンパス（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-08
• [Presentation] Dynamic Hybridization of Glucans with Cationic Polythiophene to Chiral Hetero-Triplex and -Duplexes (2016)
  • Author(s): Gaku Fukuhara, Mami Imai, Denis Fuentealba, Yuki Ishida, Hiroki Kurohara, Cheng Yang, Tadashi Mori, Hiroshi Uyama, Cornelia Bohne, Yoshihisa Inoue
  • Organizer: Chirality 2016
  • Place of Presentation: Heidelberg, Germany
  • Year and Date: 2016-07-24 – 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光性リポーター修飾カードランによる水溶液中での選択的オリゴ糖センシング (2016)
  • Author(s): 福原 学，黒原大輝，沼田宗典，森 直，Cornelia Bohne，井上佳久
  • Organizer: 第62回高分子研究発表会（神戸）
  • Place of Presentation: 兵庫県民会館（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-07-15
• [Presentation] Bio-Supramolecular Hetero-Triplex and Hetero-Duplex Architectures: Dynamic Hybridization of Glucans with Cationic Polythiophene (2016)
  • Author(s): Gaku Fukuhara, Mami Imai, Denis Fuentealba, Yuki Ishida, Hiroki Kurohara, Cheng Yang, Tadashi Mori, Hiroshi Uyama, Cornelia Bohne, Yoshihisa Inoue
  • Organizer: 11th ISMSC-2016
  • Place of Presentation: The K-Hotel, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2016-07-10 – 2016-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 最近の超分子アロステリック増幅センシングの進展 (2016)
  • Author(s): 福原 学
  • Organizer: 第37回光化学若手の会
  • Place of Presentation: アイ・アイ・ランド（大阪府・四条畷市）
  • Year and Date: 2016-06-17 – 2016-06-19
• [Presentation] 蛍光性色素修飾カードランによる水中での選択的オリゴ糖センシング (2016)
  • Author(s): 福原 学・黒原 大輝・沼田 宗典・森 直・Cornelia Bohne・井上 佳久
  • Organizer: 第65回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-05-25 – 2016-05-27
• [Presentation] ビスチオウレア－ビナフチル－ビチオフェン連結系を繰り返し単位とするポリチオフェンの合成と分光特性およびアニオンセンシング (2016)
  • Author(s): 園田 清香・福原 学・西嶋 政樹・森 直・井上 佳久
  • Organizer: 第65回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-05-25 – 2016-05-27
• [Presentation] Diastereodifferentiating [4+2] Photocycloaddition of Anthracene Derivatives Tethered with Maleate or Fumarate through the Triplet Exciplex (2016)
  • Author(s): Makoto Ichikawa, Gaku Fukuhara, Yoshihisa Inoue, Tadashi Mori
  • Organizer: Molecular Chirality Asia 2016
  • Place of Presentation: ナレッジキャピタルコングレコンベンションセンター（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-04-15 – 2016-04-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultimate Stereocontrol of Anthracenecarboxylate Photocyclodimerization on A Glucose Scaffold Achieved by Excited-State Dynamics (2016)
  • Author(s): Gaku Fukuhara, Kazuhiro Iida, Yuko Kawanami, Hidekazu Tanaka, Tadashi Mori, Yoshihisa Inoue
  • Organizer: 26th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Place of Presentation: 大阪市中央公会堂（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-04-03 – 2016-04-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diastereodifferentiating Paterno-Buchi Reaction of Chiral p-Cyanobenzoate to a-Methylstyrene. Direct versus Charge-Transfer Band Excitation (2016)
  • Author(s): Keisuke Nagasaki, Gaku Fukuhara, Yoshihisa Inoue, Tadashi Mori
  • Organizer: 26th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Place of Presentation: 大阪市中央公会堂（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-04-03 – 2016-04-08
  • Int'l Joint Research