生物の営みを、分子の化学で再現する

時計職人の手によって複雑に組み上げられた腕時計を素人が分解すれば、まず元には戻せない。もし、それらの部品をフラスコに入れて一振りし、元通りになったとしたら、誰もが「これは魔法か?」と驚くにちがいない。

しかし私たちの身体を「化学システム」として見てみると、そこは部品が勝手に製品となるような驚きのしくみにあふれている。
「ヒトの誕生は受精卵からの “発生” に始まります。胎内で身体が形成される時、細胞内では、細胞核の情報を元に様々なタンパク質がつくられます。タンパク質は『リボソーム』と呼ばれるタンパク質工場から放出されると、自らあるべき場所へと移動し、自動的に働いて、身体を組み上げていきます。タンパク質はヒトの身体を構成する部品であると同時に、ヒトを形づくるための頭脳でもあるのです」

まさに私たちは、フラスコの中で自動的に組み上がった時計のように誕生しているのだ。化学の目を通して見た胎内は、分子が自らを正確に配置し、誕生において起こるべき反応が自律的に進行する「反応場」なのだ。

「生物の中では普通に起こっていることなのだから、人間の手でつくりだすこともできるはずだ」。木原伸浩教授の研究テーマは生物が「反応制御」する分子の機能である「認識」と「応答」を人工的に実現することだ。

たとえば木原の視点から私たちの食事を観察してみよう。食べ物を食べると、消化器官はそれらを消化し、必要な栄養素を採り入れる。この時、私たちの体内では加熱したり光をあてたりすることなく、おだやかな条件下で食べ物が分解されている。

「体内では様々な消化酵素が働いています。たとえばタンパク質の消化では、消化酵素が“分子間相互作用” によってタンパク質のアミノ酸が繋がっている部分を認識し、分解します。タンパク質という分子が認識され、消化という応答が起こっているのです。こうした反応場が正しく機能しているからこそ、食べ物だけが消化されるのです」

さらには細胞分裂も、分子の動きに着目することで、捉え方が変わってくる。細胞分裂の際は、細胞の核にある遺伝子が2倍になり、それぞれが新しい細胞へと均一に受け継がれて2つに分裂する。この際、化学反応で遺伝子を1組ずつ一方向へ引っ張る分子「分子モーター」が働くという。そして木原は人工分子で初めてこの機能を再現することに成功している。

「私たち人類の祖先が45億年前に海の底で生まれた時は、試行錯誤だけで乏しい “道具”をやりくりして、生命を実現していました。しかし今、私たち人類には、頭脳と、限りない道具としての科学があります。生物のシステムから特定の機能を抜き出し、人工の化合物でその機能を再現すれば、生物では不可能な分子制御を設計し、実現することも可能でしょう。それが、私の研究なのです」

生物の機能を人工的に再現するためには卓越した有機合成の力が欠かせない。木原は、ミクロの輪がつながった鎖状の物質「ポリカテナン」など、希少性の高い物質を次々と生み出してきた。

そんな木原はある日、偶然にも「酸化分解性ポリマー」という画期的な物質に出会った。
酸化分解性ポリマーは、市販の塩素系漂白剤をかけると溶けてなくなるという性質を持った新素材だ。「望むタイミングで分解できる材料として、応用が期待されています」と木原は話す。好きな時に接着・脱着ができる接着剤や、何度も塗り直しができる塗料が誕生するという。

この画期的機能を持った新素材は、炭酸ガスからポリマーをつくろうとした際の失敗から偶然生まれたものだ。
「炭酸ガスのポリマーがつくれたら面白いなと思ったんです。爆薬になってしまう可能性もありましたが」

体積が音速を超えて膨張することを爆発という。炭酸ガスからできた固体のポリマーは、気体の炭酸ガスに分解され得る。その際、急激に体積が変化するため、爆発する可能性があるのだ。しかし、これは同時に高エネルギー化合物ということでもある。