今後の研究の方向性

　合成化学は価値を創造できる、最高にクリエイティブな学問です。想像力（imagination: 分子設計）と創造力（creativity: 分子連結・変換技術）さえあれば、標的は尽きることはありません。必要なのは分子模型と力量ある化学反応です。さらにいえば、物性や機能にも無限の可能性があります。フラーレンの研究が象徴的ですが、新しい炭素のカタチには、発見当時には予想すらしなかった全く未知あるいは破格の新物性や新機能が隠されているものです。美しいものには必ず機能が宿ることは歴史が証明しています。

　分子には世界を変えるチカラがあります。科学の歴史を紐解くと、新分子の創製・発見や破格の物性や機能の発見といった分子自体に関わる発見が非線形のブレークスルーを生み出してきました。また、常識では関連性が明らかではない分子や分野をつなげることによって新しい価値が生まれ、イノベーションへと昇華されることもあります。スティーブ・ジョブズの名言 “connecting the dots” に明快に示されたイノベーションの真髄です。

　今後、理化学研究所では上記のイノベーション因子を同時に満たす分子を創造することを目指しています。構造美と破格機能を併せもつ唯一無二の分子を創製し、様々な分野間の境界領域で自らの分子を活躍させるとともに未踏領域を開拓することを目指しています。主に分子ナノカーボンにフォーカスして、その画期的な分子編集・操作法の開発（ナノカーボン・クリック化学）、破格マテリアル機能の創出（分子ナノカーボンマテリアル科学）、生物学・創薬展開（分子ナノカーボンバイオロジー）の３本柱で分子創造化学を推進していきます。

ナノカーボン・クリック化学

　ナノグラフェンに代表される縮環芳香族化合物は、有機薄膜トランジスタ、太陽電池、有機ELなどの電子材料に頻繁に用いられる重要な化合物群であるばかりでなく、未来材料と目されるナノカーボンを「分子」としての利活用を可能にする「分子ナノカーボン」としても極めて注目度が高いです。しかし、分子ナノカーボン合成には「多段階工程問題」や「合成不可能問題」といった諸問題を抱えています。これまで私たちは分子ナノカーボンや縮環芳香族化合物の合成を一新するような新合成方法論（APEX反応など）を開拓し、この分野で世界をリードしてきましたが、この分野のさらなる発展には、新しい反応化学が拓く分子ナノカーボン科学の確立が絶対的に必要不可欠です。さらに、今後の研究の柱とする「分子ナノカーボンバイオロジー」への展開においても魅力ある分子ナノカーボンを生物応用する際に、合成の難しさがボトルネックになることが予想されるため、真に有用な基本的合成方法論が必要です。今後展開する分子ナノカーボンバイオロジー研究や分子ナノカーボンマテリアル科学研究に限らず、幅広い分野において大きなインパクトをもたらす新コンセプトとして、「ナノカーボン・クリック反応」を開発します。

分子ナノカーボンに限らず有機エレクトロニクス材料、プラスチック、医農薬、タンパク質、アミノ酸等の「機能性」分子には必ずと言っていいほどベンゼン環が含まれています。様々な機能を生み出すユビキタス骨格と言っても過言ではありません。ただ、一般的にベンゼン環は安定で反応性が低く、それ故機能性分子の骨格に用いられてきた側面もあります。もし、ここでベンゼン環に「選択的」かつ「温和」な条件で官能基化（クリック反応）することができれば、全く世界が変わるはずです。私たちはこれまで分子ナノカーボンや生物活性分子のベンゼン環の直接変換（触媒的C-H活性化）やAPEX反応を開発してきましたが、反応性や選択性が不十分（高温や触媒が必要）であるのはもちろんのこと、細胞内直接変換など夾雑系に適用可能なレベルにはまだ達していませんでした。2022年のノーベル化学賞に輝いたクリック反応のレベルにまで反応の力量を高めることを目標に、ナノカーボン構造やベンゼン環を標的にしたクリック化学（ナノカーボン・クリック化学）を確立します。ナノカーボン・クリック化学は、分子ナノカーボンマテリアル科学と分子ナノカーボンバイオロジーの両方への展開を可能にする鍵となるのは必定です。

分子ナノカーボンマテリアル科学

　これまで数多くの分子ナノカーボンの合成と機能開拓を行ってきましたが、構造と機能の両面でこれまでの分子を遥かに凌駕する唯一無二分子を創製したいと思っています。フラーレンを超える分子を世に送り出すことが究極のゴールです。

究極の分子ナノカーボンの合成

　これまで様々な湾曲構造ならびに平坦構造をもつ分子ナノカーボンの合成に成功してきましたが、理化学研究所ではなかでも究極の構造といえる３つの分子の合成に注力したいと思っています。具体的な分子構造については、今後紹介していきたいと思っています。

オール炭素エレクトロニクス材料

　正孔を輸送する（正孔輸送）、電子を輸送する（電子輸送）、程良く電気を通す（半導体）、光る（発光）などの基本物性を示す材料は有機エレクトロニクス分野における必須材料です。これまでこの分野は優れた有機材料の発見や開発を通じて爆発的な発展を遂げてきました。正孔輸送材料といえば窒素原子を含むトリアリールアミン、電子輸送材料といえば電子不足ヘテロ環やフラーレン誘導体、有機半導体といえばポリチオフェンやオリゴチオフェンの独壇場です。これら分子群の大きな特徴は望みの物性発現のためにヘテロ元素を導入している点ですが、この「常識」を覆したいと思っています。すなわち、炭素原子と水素原子のみからなるオール炭素エレクトロニクス材料を新しい標準物質として世に送り出し、この分野に非線形のブレークスルーをもたらしたいと思っています。

ナノカーボンの構造物性マッピング

　上記の材料開発は、合成化学に強みをもつ私たちでも従来型の「分子設計→合成→物性評価」アプローチでは、とてつもない時間とマンパワーが必要となります。ナノグラフェンの構造多様性が極めて大きいからです。例えば、6員環が10以下の多環芳香族炭化水素・ナノグラフェンに限っても理論上可能な構造は20,620にものぼります。しかも、これらの分子群は極めてシンプルであるにも関わらず、ほとんどが合成されたことがないものばかりです。私たちは、量子化学計算、機械学習、AI、自動合成などを駆使して、分子ナノカーボンの構造物性マップを作成します。望む物性を発現する候補分子群を絞り込み、私たちの最先端ナノカーボン合成技術によってゴールに最速で辿り着きたいと思っています。ここで得られるナノグラフェンや分子ナノカーボンの構造物性マップは、世界中の研究者がそれぞれの目的で活用できる「周期表」のようなものとなり、化学における大きな財産となると思っています。

分子ナノカーボンバイオロジー

　分子ナノカーボンには、従来の生体機能分子にはない魅力的な特徴（広い2次元π平面、2次元・3次元構造の自在構築、光・電子応答性、生体直行性）があるため、これらを積極的に活かした分子設計によってバイオ革新をもたらす分子ナノカーボンが創製できると確信しています。今後こだわりたい「分子ナノカーボンバイオロジー」の概念は、すでに材料科学分野で社会波及効果が見え始めているナノカーボンに新しい価値と創造を与えると思っています。 

生物活性分子ナノカーボン

　これまで、創薬のための経験則として、医薬品らしさの基準（例えばリピンスキーの法則）が提唱されてきました。ナノカーボンのケミカルスペースは医薬品らしさの基準から大きく外れるので、ナノカーボンに生物活性があるとは誰も思っていません。しかし、本気の検証が行われていなかったのが現状です。最近私たちは生物活性ナノカーボン分子をいくつか発見しました。これらは、間違いなく新たな潮流を生み出すもので、また生物活性分子の新しい指導原理につながるものです。各製薬会社の研究によってリピンスキーの法則に基づくケミカルスペースからの医薬品はほぼ探索し尽くされており、新規医薬品の発見は世界的にも困難な状況にあります。ここにブレークスルーをもたらすのは、間違いなくアウトライアーで、分子ナノカーボンにはその意味でも大きな可能性があります。本研究の成功は従来のケミカルスペースを大きく拡張することを意味しており、新たな探索領域に基づく創薬研究分野の新潮流が生まれると期待されます。

分子ナノカーボンを用いたタンパク質間相互作用の精密制御

　生物活性の中でも特に高価な抗体医薬が先行しているタンパク質間相互作用（PPI）を制御するPPI創薬がナノカーボンの特徴を際立たせることのできる方向性だと確信しています。PPIは細胞増殖や分化、シグナル伝達など数多くの生命現象に関わり、新たな創薬ターゲットとして注目されています。通常の有機小分子で達成困難ですが、分子ナノカーボンが有する広いπ平面と特異的な物性を活用すればPPIの精密制御が可能になると考えているます。実際、独自のナノカーボンライブラリーを用いた予備的なスクリーニングを行った結果、高度なPPI制御が可能な分子ナノカーボンを最近発見しました。今後、分子の構造最適化や構造生物学的研究に加えて、創薬検証も行い、治療薬開発につながる学術基盤を構築します。分子ナノカーボンは高い疎水性と数多い芳香環に由来してπ–π相互作用を生じやすい分子群であるため、PPI制御分子の新しい標準になる潜在能力をもつと考えています。

分子ナノカーボンを用いたタンパク質・核酸輸送　

　タンパク質や核酸といった生体高分子は、基礎研究で用いられることはもちろんのこと、近年では医薬品（抗体医薬、核酸医薬など）、ゲノム編集ツールとして応用が期待されています。特にタンパク質の直接導入は，核酸を用いたタンパク質発現と比較して転写、翻訳、翻訳後修飾を必要としないため、機能発現のタイミングが重要なiPS細胞の作製や、細胞の分化誘導に最適です。しかし一般的に生体高分子はその大きさ、および表面電荷の影響で膜透過能が非常に低いという問題があります。最近、独自に設計・合成した分子ナノカーボンが、哺乳類細胞において核酸輸送能を有していること発見しました。さらに、核酸に比べて輸送が困難なタンパク質を細胞内へ輸送する分子ナノカーボンも発見しました。今後、基礎と応用の両面で益々重要になってくるタンパク質・核酸輸送の全く新しい標準物質群を開発していきたいと思っています。

ナノカーボンペプチド

　魅力的な物性をもつナノカーボンを生物分野と材料科学分野で広く活躍するペプチドに組み込むことで、新たな物質群ナノカーボンペプチドを創製し、その化学を開拓したいと思っています。ナノカーボンの高い生体直交性とペプチドの高い生体適合性を組み合わせれば生体内環境に左右されない生体適合材料として生物分野で活躍することが期待されます。また、ナノカーボンの特徴的なπ平面を、集合構造を構築するペプチドに組み込むことで新奇集合様式をもつ超分子材料として材料分野で活躍することも期待されます。分子ナノカーボンに異次元の活躍をさせる新たなconnecting-the-dotsハイブリッド分子群であるナノカーボンペプチドには無限の可能性があります。

　これら以外にも様々な研究テーマを考えております。今後、随時紹介していきたいと思います。