分子の世界を覗き見る

京⼤キャンパスガイド 2024年12⽉22⽇(⽇) 分⼦の世界を覗き⾒る 京都⼤学⼤学院 ⼈間・環境学研究科 相関環境学専攻 森⽵将之 1

勉強と研究 5 研究 「問い」を⽴てる 頭が痛い どうして空は⻘いの︖ 課題 興味

研究と学問分野 「問い」を分割する⽴場 → 6 学問分野（科⽬） 認識論 ⽣体現象 哲学者 頭が痛い ⽣物学者 医療問題 化学物質 化学者 経済学者

⾃然科学の学問分野 7 共通⾔語 数学、情報科学 地球、気象、岩⽯ ⽣体、細胞、遺伝⼦ 地学 ⽣物 宇宙 物質、分⼦、電⼦ 素粒⼦ 化学 物理 109 m 物理 106 m 103 m 対象とするスケールの違い m → 10-3 m 10-6 m 10-9 m 10-12 m 化学︓物質、分⼦、電⼦

基礎研究と応⽤研究 8 基礎 応⽤ 学問の真理 学問の実装 社会に役⽴つ 理学部 ⼯学部 企業

化学の研究 9 つくる 実験 合成 理論/計算 抽出/精製 加⼯ 物質の理解 構造 組成 理論 物性 シミュレーション はかる かんがえる

導⼊︓分⼦の形と機能 10 • 2024ノーベル化学賞︓AIによるタンパク質の形の予測 Alphafold https://fastforward.com.cy/breakthrough/cypriot-born-demis-hassabis-among-2024-nobel-prize-winners-chemistry デイビッド・ベイカー教授 デミス・ハサビスCEO ジョン・ジャンパー

• https://fastforward.com.cy/breakthrough/cypriot-born-demis-hassabis-among-2024-nobel-prize-winners-chemistry

導⼊︓分⼦の形と機能 11 なんでタンパク質の形が⼤事なの︖ タンパク質とは︓⽣物を構成する⾼分⼦ タンパク質の役割 タンパク質の⽣産・分解 (ポリメラーゼ) 外敵からの防御 (抗体) 養分の運搬 (ヘモグロビン)

導⼊︓分⼦の形と機能 12 タンパク質とは︓⽣物を構成する⾼分⼦ → アミノ酸がたくさん結合 S S OH H 2N O メチオニン(M) OH H 2N O アラニン(A) OH H 2N O H N H 2N N H O O フェニルアラニン(F) OH O MAF ・・・ タンパク質の設計図(アミノ酸配列) ⼈間のタンパク質︓10万種類 → タンパク質の形 部品数(アミノ酸の種類)︓わずか20種類 → 機能を決める

導⼊︓分⼦の形・並びと機能 (例)コロナウイルスのタンパク質 Zhenming Jin3, Jingjing Peng1,5, Fengjiang Liu3, Chunpu Li1,5, You Li7, Fang Bai3 Xi Cheng1, Xiaobo Cen7, Shulei Hu1, Xiuna Yang3, Jiang Wang1,5, Xiang Liu8, Ge Hualiang Jiang1,2,3,5, Zihe Rao3, Lei-Ke Zhang4†, Yechun Xu1,5†, Haitao Yang3†, 13 SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) is the etiologica the global COVID-19 (coronavirus disease 2019) outbreak. The main protease o is a key enzyme that plays a pivotal role in mediating viral replication and trans and synthesized two lead compounds (11a and 11b) targeting Mpro. Both exhibit activity and potent anti–SARS-CoV-2 infection activity. The x-ray crystal structu Mpro in complex with 11a or 11b, both determined at a resolution of 1.5 angstrom aldehyde groups of 11a and 11b are covalently bound to cysteine 145 of Mpro. B good pharmacokinetic properties in vivo, and 11a also exhibited low toxicity, wh these compounds are promising drug candidates. 丸いタンパク質Aだけを 処理する⼯場 I ・・・ syndrome coronavirus 2 International Commit Viruses, and the pneum as coronavirus disease the World Health Org 11 February 2020 (7). T rapidly to more than 2 announced as a global 丸いタンパク質Aとだけ 結合するポケットの形 ＝ アミノ酸の配列(306個) n late December 2019, a cluster of pneumonia cases caused by a novel coronavirus was reported in Wuhan, China (1–3). Genomic sequencing showed that this pathogenic coronavirus is 96% identical to a bat coronavirus and shares 79.6% sequence identity to SARS-CoV (4–6). This novel coronavirus was named severe acute respiratory 体の中で⾃分から いつも決まった形になる 分⼦の相互作⽤ Fig. 1. Design strategy of SARS-CoV-2 main protease (Mpro) inhibitors and the 丸い 1 A B 四⾓い State Key Laboratory of Drug Research, CAS Key Laboratory of Receptor Research, Shanghai Inst Pharmacy, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, Jiangsu, China. 3Shanghai Institute fo ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China. 4State Key Laboratory of Virology, Wuhan Instit 5 6

今⽇のテーマ︓分⼦の形・並びと分⼦の間に働く⼒ ・タンパク質 14 ・低分⼦(例:尿素) O アミノ酸の配列(306個) ・・・ ＝ H N H N H H ⼒学的性質 O 体の中で⾃分から いつも決まった形になる H N H N H H O ≈ 細胞内のタンパク質 ⼀本のスパゲッティ H N H N H H 電気的性質 光学的性質 熱的性質 分⼦の並び → 分⼦間⼒ → 物性 分⼦の間に働く⼒

材料科学の⽬標 15 材料の物性(ものの性質) ⼒学的性質 電気的性質 物性の仕組みを理解したい 光学的性質 熱的性質 などなど より良い性質の材料を作りたい 物質を構成する分⼦の形・並びと知る

京⼤キャンパスガイド 2024年12⽉22⽇(⽇) 途中休憩 & 質問タイム（5分間くらい） 実験の準備をします 16

有機分⼦の書き⽅ 17 (例) エタノール 利⽤例︓消毒液、お酒 酸素(O) ⽔素(H) 炭素(C) 三次元モデル = OH H3C CH2 = OH 省略した構造式 (縮合構造式) (⾻格構造式) 共有結合 → 線 共有結合 → 線 CとH → 省略

実験︓分⼦の間に働く⼒を体感する ⽔(30 ml) 尿素(5 g) 18 混ぜる 尿素 最初に合成された有機化合物 利⽤例︓肥料、化粧品(保湿作⽤) https://www.shiseido.co.jp/sw/onlinestore/product s/057302.html?sweb_shohin_cd=4901872387410 ⽔

• https://www.shiseido.co.jp/sw/onlinestore/product

実験︓分⼦の間に働く⼒を体感する 注意) 安全な実施のために 実験中は⼿袋を着⽤してください 液体が漏れても危険ではありません。⽬・⼝⼊った等、異変があれば教えてください。 配布物 尿素 ⽔袋 尿素 実験⼿順︓⽔袋を押しつぶす ⽔袋 ール前の空の袋 の袋 配布する袋配布する袋 外側の袋は破かないように 適切な強さで潰してください。 せーので潰しましょう 19

実験︓分⼦の間に働く⼒を体感する 尿素 ⽔袋 ⽔ シール前の空の袋 配布する袋 ⽔袋 ⽔袋 尿素 尿素と⽔を混ぜる 温度 下がる シール前の空の袋 なぜ︖ 分⼦を直接⾒てみよう 配布する袋 20

分⼦を直接⾒ようとする… 顕微鏡 顕微鏡の原理 21 接眼レンズ 対物レンズ 試料 虚像 ⼀次像 対物レンズ ! $ 分解能 " = 2&sin! &:媒質の屈折率 $:波長 空気中(& = 1)では 理論的にも250 nmくらいが限界 試料 (可視光の波⻑︓400 から 800 nm)

分⼦のサイズを概観する 22 • 液体にレーザーを当ててみると レーザー ポインター ⽔ ⽜乳＋⽔ 尿素＋⽔

分⼦のサイズを概観する 23 • 液体にレーザーを当ててみた ⾒えない ⾒える ⾒えない ⽔ ⽜乳＋⽔ 尿素＋⽔ レーザー ポインター

分⼦のサイズを概観する 脂肪球 脂肪やタンパク質の集合体 (1000 nmくらい) • 液体にレーザーを当ててみた ⾒える 24 チンダル現象 ⾒えない レーザー ポインター 波⻑ λ およそ 650 nm ⽜乳＋⽔ 尿素＋⽔

分⼦のサイズを概観する 脂肪球 脂肪やタンパク質の集合体 (1000 nmくらい) • 液体にレーザーを当ててみた ⾒える レーザー ポインター 25 チンダル現象 ブラウン運動 液体中の分⼦が不規則な運動 ⽬に⾒えないほど⼩さな ⽔分⼦の熱振動してぶつかる 波⻑ λ およそ 650 nm ⽜乳＋⽔ →可視光で拡⼤しても⾒えない

分⼦のサイズを拡⼤する 1 mm 26 回折現象 格⼦の間隔 0.1 mm ⼲渉縞 レーザー ポインター 波⻑ λ およそ 650 nm

原⼦や分⼦を直接⾒る 結晶構造解析 およそ700倍 27 明線の間隔 $% ∆" ≈ & およそ7 cm スクリーン 格⼦の間隔 ' = 0.1 mm L = 10 m 波⻑ λ = 700 nm 回折現象 回折格⼦ 回折格⼦の間隔︓ 数百 から 数万 nm

回折と結晶 ・回折 およそ700倍 明線の間隔 ∆" ≈ ・結晶 $% およそ7 cm & 原⼦や分⼦が綺麗に整列した固体 スクリーン 格⼦の間隔 ' = 0.1 mm 波⻑ λ = 700 nm 28 0.562 nm L = 10 m 回折格⼦ ナトリウム(Na) 回折格⼦の間隔︓ 数百 から 数万 nm 可視光の波⻑︓400 から 800 nm 塩素(Cl) 結晶中の原⼦の間隔︓ 0.1 から 5 nm X線の波⻑︓0.01 から 10 nm

結晶構造解析 尿素の結晶構造 尿素の結晶 結晶の調製 29 測定 結晶構造

尿素の結晶 30 • 分⼦の形と並び⽅ O H 尿素の結晶 N H N H H N H N H H H O N H H H N N H O O H O H H H H N N N H H H O H N H N H H このように並ぶ理由は︖

分⼦の振る舞いを知る 31 量⼦化学計算︓量⼦⼒学を⽤いた分⼦の理論計算 電⼦のエネルギーを知りたい 分⼦サイズの ミクロな世界の物理学 (＝ 粒⼦の波動性 波動の粒⼦性 計算できるもの ・分⼦のエネルギー ) * E＝ℎ# (:運動量 +:波長 #:振動数 ℎ:プランク定数 シュレディンガー⽅程式 Η% = '% ,:ハミルトニアン %:波動関数 ・分⼦の安定な形 ・分⼦の振動 電⼦線 などなど ⼆重スリッド ⼲渉縞

実演&実習︓尿素分⼦の量⼦化学計算 1) 尿素分⼦の安定な形 1-1) MolCalcにアクセス 1-2) 尿素分⼦を作る 1-3) Optimize (構造最適化) 2) 尿素分⼦の特性を計算 2-1) Calculate Properties (特性の計算) 2-2) 結果の確認 32 ・使うもの MolCalc︓教育⽤の量⼦化学計算のwebアプリ https://molcalc.org/

• https://molcalc.org/

実演&実習︓尿素分⼦の量⼦化学計算 33 1) 尿素分⼦の安定な形 1-1) MolCalcにアクセス 1-2) 尿素分⼦を作る 1-3) Optimize (構造最適化) 2) 尿素分⼦の特性を計算 2-1) Calculate Properties (特性の計算) 2-2) 結果の確認 「MolCalc」 https://molcalc.org/ ネット回線状況によっては実演だけ

• https://molcalc.org/

実演&実習︓尿素分⼦の量⼦化学計算 1) 尿素分⼦の安定な形 1-1) MolCalcにアクセス 1-2) 尿素分⼦を作る 1-3) Optimize (構造最適化) 2) 尿素分⼦の特性を計算 2-1) Calculate Properties (特性の計算) 2-2) 結果の確認 NC(=O)N 34

実習&実習︓尿素分⼦の量⼦化学計算 2) 尿素分⼦の特性を計算 電気陰性度 O︓3.4 2-2) 結果の確認 → Polarity and Solvation (極性と溶解性) 電⼦がたくさん δ­ 極性分⼦ 電気陰性度 H︓2.2 δ＋ 電⼦が少ない δ＋ 電⼦が少ない 35

分⼦の間に働く⼒ クーロン⼒ δ­ δ＋ 引きつけ合う ＋ 反発する ＋ ­ δ­ δ＋ ⽔素結合 δ＋ 36 H­ 3C δ­ ＋ H2 C C H2 H2 C C H2 ＋ δ＋ ＋3 CH ＋ ­ ­ 静電⼒ 分散⼒ ⽐較的強い、⽅向性がある 弱い、たくさんある ­ ＋

尿素の結晶 37 • 分⼦の形と並び⽅ O H O N H H N H H O O H N H N H H O H N H N H H O H H N H N H N H N H H O N H H H N H H O H N H H O N H H O H N H O H O H H N H N H N H N H H H N H O O H O N H H N H H H H ＝ N H ＝ N H N H O N H N H H H H H N H O O N H N H H H N H N H N H N H H H N H N H H

尿素の結晶 • 分⼦の形と並び⽅ H H H N N H 強固な ネットワーク構造 H O N H H H N N O O H N H 38 H H

尿素の結晶 39 • 分⼦の形と並び⽅ O H N H N H O H N H H ⽔素結合 − 49.8 kJ/mol N H N H N H H H O ⽔素結合 −36.5 kJ/mol N H H δ­ O O H H H N N N H H H O H H H H N N ・分⼦の極性 H δ＋

分⼦の世界で何が起こる 尿素(固体) 結晶 尿素 分⼦ 尿素 分⼦ 尿素と⽔を混ぜる 溶液中 ⽔ ⽔ エネルギー 尿素 分⼦ 尿素⽔溶液 温度 下がる 分⼦間⼒ 尿素 分⼦ 40 尿素 分⼦ 尿素 分⼦ 切れる ⽔和 尿素 分⼦ ⽔

分⼦の世界で何が起こる 41 エンタルピー (H)︓物質が持っているエネルギー ⽔ エンタルピー 尿素⽔溶液 ⽔ 尿素 分⼦ ⽔ ∆" < 0 尿素(固体) + ⽔ 強めの 分⼦間⼒ 尿素 分⼦ 分⼦間⼒(エネルギー) → 温度変化(熱の出⼊り) 尿素 分⼦

実験︓有機溶媒にはどうなる︖ 注意) 安全な実施のために 実験中は⼿袋を着⽤してください 液体が漏れても危険ではありません。⽬・⼝⼊った等、異変があれば教えてください。 配布物 実験⼿順︓有機溶媒袋を押しつぶす エタノール →お酒 OH ⽔袋 尿素 アセトン →除光液 酢酸エチル →塗料、⾹料 ール前の空の袋 外側の袋は破かないように 適切な強さで潰してください。 O O 配布する袋 O せーので潰しましょう 42

実験︓有機溶媒にはどうなる︖ Δ" = Δ$ − &Δ' ギブスの⾃由エネルギー Δ' : エントロピー、乱雑さの指標 Δ$: エンタルピー 有機 溶媒 ⽔ ⽔ 43 尿素 分⼦ 尿素 分⼦ ⽔ 有機 溶媒 Δ' ∶ 溶解によりバラバラ → ⼤きい Δ' ∶ 溶解によりバラバラ → ⼤きい Δ$: ⽔和による安定化 → ⼩さめ Δ$: 溶媒和による安定化はわずか Δ" < 0: 溶ける Δ" > 0: 溶けない

どんな問いを⽴てるか︖ 44 基礎 応⽤ 学問の真理 学問の実装 社会に役⽴つ 理学部 ⼯学部 企業

まとめ • 物質の物性や機能 ← 分⼦の配列や形状 • 分⼦の配列や形状 ← 分⼦間⼒ • 分⼦の形や分⼦間⼒を制御して⽬的の物性を発現させる 48

最後に︓⾒るとは何か 可視光 反射 紫⾊を吸収 49 X線 回折 電⼦による回折 O 測定の原理を知ることが必要 O

最後に︓最新の分⼦を⾒る技術 放射光施設 ⾼精度測定 結晶構造解析 https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/detail/1316036.htm リアルタイム測定(電⼦顕微鏡) 綺麗な結晶が必要 測定時間が⻑い 50

• https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/detail/1316036.htm

最後に︓Alphafold 機械学習 51 教師データを学習 ⼊⼒ アルゴリズム 出⼒ 1) 多重整列(MSA)による学習 2)Transfomer(2017) (chat GPTのGenerative Pre-trained Transformer) ⾃然⾔語処理 英語 CASP14, GDT_TSスコア 中央値︓92.4 ⽇本語 タンパク質の⽴体構造 アミノ酸配列 ⽴体構造 部品数(アミノ酸の種類)︓20種類 低分⼦の結晶はまだまだこれから

最後に 52 共通⾔語 数学、情報科学 地球、気象、岩⽯ ⽣体、細胞、遺伝⼦ 地学 物質、分⼦、電⼦ ⽣物 宇宙 素粒⼦ 化学 物理 109m 物理 106m 103m m 10-3m 10-6m 10-9m 10-12m

参考⽂献 53 • Jin, Zhenming, et al. "Structure of Mpro from SARS-CoV-2 and discovery of its inhibitors." Nature 582.7811 (2020): 289-293. • Hara, Takeshi, et al. "Unveiling the Nature of Chemical Bonds in Real Space." Journal of the American Chemical Society 146.34 (2024): 23825-23830. • Nakamuro, Takayuki, et al. "Capturing the moment of emergence of crystal nucleus from disorder." Journal of the American Chemical Society 143.4 (2021): 1763-1767. • Jumper, John, et al. "Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold." nature 596.7873 (2021): 583-589.