分子ぶんしマシン

小しょう胞体に分泌ぶんぴつされるタンパク質たんぱくしつを組くみ立たてているリボソーム

分子ぶんしマシン（ぶんしマシン）、もしくは 分子ぶんし機械きかい（ぶんしきかい、英えい: molecular machine）は、ミクロスケール、あるいはナノスケールで制御せいぎょされた機械きかい的てき動うごきを起おこす分子ぶんし、あるいは分子ぶんし複ふく合体がったいである。

分子ぶんし機械きかいの分類ぶんるいと例れい

大おおきく分わけて、生体せいたい分子ぶんし機械きかいと合成ごうせい（人工じんこう）分子ぶんし機械きかいがある。

生体せいたい分子ぶんし機械きかい

生体せいたい分子ぶんし機械きかいは生体せいたい内ないに存在そんざいするタンパク質たんぱくしつで、分子ぶんしモーターとも呼よばれる。方向ほうこう性せいのある動うごきによってなんらかの機能きのうを発現はつげんする。

• ATP合成ごうせい酵素こうそ
  • タンパク質たんぱくしつ複ふく合体がったいが回転かいてんしながらATPを合成ごうせいする
• ミオシン
  • アクチンフィラメントの上うえを直線ちょくせん運動うんどうし、筋肉きんにくの収縮しゅうしゅく運動うんどうの元もととなる
• キネシン、ダイニン
  • 微小びしょう管かんの上うえを直線ちょくせん運動うんどうし、細胞さいぼう内ないでの物質ぶっしつ輸送ゆそうを担になう

これらのように明あきらかな方向ほうこう性せいを持もち、比較的ひかくてき大おおきな動うごきを起おこす分子ぶんしモーターでなくとも、多おおくの酵素こうそはその広ひろい領域りょういきでのコンホメーション変化へんかが起おこることで機能きのうを発現はつげんしている。このことから、一般いっぱんに酵素こうそなどのタンパク質たんぱくしつのことを分子ぶんし機械きかいと呼よぶこともある。

合成ごうせい分子ぶんし機械きかい

合成ごうせい分子ぶんし機械きかいは有機ゆうき化学かがく的てきに合成ごうせいされた分子ぶんしマシンであり、光ひかり、熱ねつ、pH変化へんか、酸化さんか還元かんげんなどの外部がいぶ刺激しげきに応おうじて分子ぶんしの構造こうぞうが変化へんかする。ナノテクノロジーの中なかで化学かがく的てきな領域りょういきの一角いっかくを占しめるものとして注目ちゅうもくされている。

• ロタキサンやカテナンといった超ちょう分子ぶんし的てきモチーフを用もちい、リングのひも上じょうの位置いち（ロタキサンの場合ばあい）あるいは、二ふたつのリング（カテナンの場合ばあい）の相対そうたい的てきな位置いちが刺激しげきに応おうじて変化へんかするもの
• 分子ぶんし内ないの一部分いちぶぶんが他たの部分ぶぶんに対たいして一方向いちほうこうに回転かいてんする、あるいは回転かいてんのon/offを制御せいぎょできるもの
• ゲスト分子ぶんし・イオンに対たいする親和しんわ性せいが刺激しげき（光ひかり・酸化さんか還元かんげん・第だい三さんの物質ぶっしつの添加てんかなど）に応おうじたホスト分子ぶんしの構造こうぞう変化へんかによって変化へんかするもの
• ゲストとして捕とらえたイオンの捕とられた位置いちが、刺激しげきに応おうじて変化へんかするもの

といった例れいが実現じつげんされている。

具体ぐたい的てきには

• シャトル
  • ロタキサンを用もちい、pH変化へんか、光ひかり照射しょうしゃなどによって環状かんじょう部位ぶいがひも状じょう部位ぶいの上うえを前後ぜんごに動うごく。
• ギア
• ピンセット(tweezer)
• 回転かいてんドア(turnstile)
• ローター
  • 化学かがく物質ぶっしつ、あるいは光ひかり・熱ねつ刺激しげきによって一方向いちほうこうに回転かいてんする「分子ぶんしローター」が作つくられている。

そもそも有機ゆうき分子ぶんしは多少たしょうなりともコンフォメーションの自由じゆう度どを持もっており、分子ぶんしの形状けいじょう（＝分子ぶんし内ないでの原子げんしの相対そうたい座標ざひょう）を変化へんかさせることができるため、合成ごうせい分子ぶんし機械きかいを定義ていぎづける条件じょうけんは定さだまりきっていない面めんもある。現時点げんじてんでは、

• 刺激しげきに応答おうとうして、明確めいかくな方向ほうこう性せいを持もつ動うごきを起おこす。
• 同おなじ動作どうさを繰くり返かえして起おこすことができる（2種類しゅるい・あるいはそれ以上いじょうの複数ふくすうの状態じょうたいの間あいだを周期しゅうき的てきに遷移せんいできる）。
• 動うごきがなんらかの分光ぶんこう法ほうによって観測かんそくできる。

という性質せいしつを持もつ分子ぶんしを分子ぶんし機械きかいと呼よぶことが多おおい。（たとえば、液体えきたいのトルエン一いち分子ぶんしを見みた場合ばあい、メチル基もとはベンゼン環たまきに対たいして回転かいてんしているはずであるが、一方向いちほうこうに回転かいてんさせたり、回転かいてんのon/offを刺激しげきに応答おうとうして変かえたりというような「意味いみのある」ことを起おこすことは難むずかしいと考かんがえられる。このように、分子ぶんしの動うごきが制御せいぎょできない場合ばあいは、分子ぶんし機械きかいとは呼よべない。）

生体せいたい分子ぶんしを人工じんこう的てきに改変かいへんした半はん人工じんこう分子ぶんし機械きかい

近年きんねん、上記じょうきのATP合成ごうせい酵素こうそに人工じんこう的てきな改変かいへんを加くわえ、その機能きのうを人工じんこう的てきに制御せいぎょ、利用りようしようとする試こころみも報告ほうこくされている。

生体せいたい分子ぶんし機械きかいと人工じんこう分子ぶんし機械きかいの比較ひかく

生体せいたい分子ぶんし機械きかいは、複雑ふくざつに形作かたちづくられたタンパク質たんぱくしつユニット間あいだの相互そうご作用さようによる、高度こうどに洗練せんれんされた動うごきや生体せいたい内ないでの機能きのうを持もつものである。それに対たいし、人工じんこう分子ぶんし機械きかいは有機ゆうき合成ごうせい的てきに作つくられているために比較的ひかくてきシンプルな構造こうぞうを持もっていて、実用じつよう的てきな機能きのうを持もつものはほとんどなく、発展はってん途上とじょうの研究けんきゅう分野ぶんやである。コンフォメーションの大域たいいき的てきな変化へんか、複数ふくすうのユニットの協調きょうちょうした動うごきといった、生体せいたい分子ぶんし機械きかいの動作どうさ機構きこうの特徴とくちょうが明あきらかになりつつある現在げんざいでは、人工じんこう分子ぶんし機械きかいの将来しょうらい性せいを期待きたいする根拠こんきょとして、生体せいたい分子ぶんし機械きかいの洗練せんれんされた高こう効率こうりつ・高こう選択せんたく的てきな機能きのうが、タンパク質たんぱくしつの「機械きかい的てきな動うごき」によって成なされている、という事実じじつが重要じゅうようとなっている。

駆動くどう源げん

生体せいたい分子ぶんし機械きかいは一般いっぱん的てきに、ATPをエネルギー源げんとして動うごくが、ATP合成ごうせい酵素こうそのように膜まくの両側りょうがわのプロトン濃度のうど勾配こうばいによるエネルギーを駆動くどう源げんとして逆ぎゃくにATPを合成ごうせいするものなども存在そんざいする。

合成ごうせい分子ぶんし機械きかいを駆動くどうするための刺激しげきとしては、光ひかり、プロトンの付加ふか／脱だつ離はなれ、酸化さんか還元かんげん、他たの物質ぶっしつとの化学かがく反応はんのうといったものが用もちいられている。

代表だいひょう的てきな研究けんきゅう者しゃ

分子ぶんし機械きかいはカテナン、ロタキサンといった「絡からみ合あった分子ぶんし」を用もちいた系けいが多おおく研究けんきゅうされていて、その分野ぶんやの研究けんきゅう者しゃが多おおい。2016年ねんには「分子ぶんしマシンの設計せっけいと合成ごうせい」の先駆せんく的てきな研究けんきゅうを行おこなった3名めいの研究けんきゅう者しゃにノーベル化学かがく賞しょうが授与じゅよされることになった。

• ジャン＝ピエール・ソヴァージュ（2016年ねんノーベル化学かがく賞しょう）
• フレイザー・ストッダート（2016年ねんノーベル化学かがく賞しょう）
• ベルナルト・L・フェリンハ（2016年ねんノーベル化学かがく賞しょう）
• 新海しんかい征ただし治ち
• David Leigh
• Vincenzo Balzani

関連かんれん項目こうもく

• ナノマシン
• 分子ぶんしロボット
• ナノカー

外部がいぶリンク

• ロタキサン（２）〜分子ぶんしマシンへの挑戦ちょうせん〜 - ロタキサンを使つかった分子ぶんし機械きかいの例れい