Aug 03, 2026
田中 知成
氏名：田中 知成
京都工芸繊維大学繊維学系（バイオベースマテリアル学専攻）教授
2009年 東北大学大学院工学研究科バイオ工学専攻博士後期課程修了（主任指導教員：正田晋一郎 名誉教授）。博士（工学）取得。2009年から日本学術振興会特別研究員。2010年から京都工芸繊維大学大学院工芸科学研究科助教。この間の2015年から1年間、オックスフォード大学化学科訪問研究員（Benjamin G. Davis教授）。2018年から京都工芸繊維大学繊維学系准教授。2024年から現職。専門は、糖鎖工学、高分子化学、合成化学。
要旨
糖鎖高分子は、側鎖に高密度に配置された糖分子に由来する糖クラスター効果により、糖結合性タンパク質と強く相互作用する機能性高分子である。従来、糖鎖高分子の合成のほとんどは有機溶媒中で行われてきたが、安全性や環境負荷低減の観点から水中合成への関心が高まっている。本稿では、糖鎖高分子の代表的合成法を概説するとともに、水溶性活性エステルを用いた重合後修飾法および化学酵素法による無保護糖からのワンポット水中合成について紹介する。これらの手法は、水を利用した持続可能な糖鎖高分子合成の新たな展開を示すものである。
1. はじめに
水は糖の良溶媒であり、単糖、二糖、オリゴ糖、一部を除くほとんどの多糖、ならびにこれらの複合体は水に可溶である。しかし、有機合成において水はしばしば反応を阻害する存在として扱われる。例えば、糖同士を連結するグリコシル化反応では、厳密な脱水条件が求められることがその典型例である1-3。
近年、サステイナブル（持続可能な）社会の構築に向けた取り組みが急速に進む中、石油をはじめとする化石資源への依存度の低減は喫緊の課題となっている。20世紀末に提唱されたグリーンケミストリー12原則の第5原則には、安全性の高い溶媒の使用が掲げられている4。水は有機溶媒に比べて安全性が格段に高い一方で、汎用有機溶媒に比べて沸点や極性、粘度が高いといった物性は欠点となり得る。しかしながら、糖質化合物は水と密接な関係を有しており、その特性を踏まえると水系での取り扱いには大きな意義がある。
糖を基盤とした機能性高分子のひとつに糖鎖高分子がある5,6。糖鎖高分子は、合成高分子を主鎖とし、その側鎖に複数の糖分子が結合した構造を有する。このように糖分子が高分子鎖上に高密度に配置されることで、レクチンをはじめとする糖結合性タンパク質に対して強い結合能を示す点が特徴であり、この現象は「糖クラスター効果」または「多価効果」として知られている（図 1）7,8。本稿では、糖鎖高分子の代表的な合成法の概説とともに、筆者らが開発した水中における糖鎖高分子合成法について紹介する。
図 1. 糖鎖高分子の糖クラスター効果
2. 糖鎖高分子の合成法
糖鎖高分子の合成は、糖担持モノマーを重合する方法（糖担持モノマー重合法）と、高分子の側鎖に糖誘導体を修飾する方法（重合後修飾法）の二通りに大別される（図 2）9,10。いずれの方法においてもほとんどの場合、有機溶媒中で行われるのが一般的である。糖担持モノマー重合法では、原料の無保護糖から糖のヒドロキシ基の保護・脱保護を伴う多段階の反応によってビニル基などの重合性官能基を有する糖担持モノマーを合成し、得られた糖担持モノマーを重合して糖鎖高分子が得られる。脱保護した糖担持モノマーを重合する場合と、保護基が付いたまま重合して糖鎖高分子とした後に脱保護する方法がある。
重合後修飾法は、あらかじめ合成した側鎖に反応性官能基を有するポリマーに任意の誘導体を付加して機能性高分子を合成する方法であり、糖鎖高分子の合成にも多く利用されている11-13。アジド－アルキン環化付加反応やチオール－エン反応などのクリックケミストリーや14,15、N-ヒドロキシスクシンイミド（NHS）エステルやペンタフルオロフェニル（PFP）エステルなどの活性エステルとアミノ基含有化合物とのアミド化反応が16,17、数多く利用されている。しかし、NHSおよびPFPエステルは疎水性であるため、活性エステルを用いた重合後修飾法による糖鎖高分子合成において、有機溶媒中での反応が一般的である。特に脱保護した糖誘導体を用いる場合には、利用できる有機溶媒は、ジメチルスルホキシドやN,N-ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性極性溶媒に限定される。このような状況の中、近年の環境負荷低減や化石資源からの脱却の動向を踏まえ、筆者らは水中での糖鎖高分子合成の重要性に着目した。
図 2. 糖鎖高分子の合成法
（a）糖担持モノマー重合法と（b）重合後修飾法
3. 水溶性活性エステルを用いる糖鎖高分子の水中合成
水溶性活性エステルとして、硫酸化N-ヒドロキシスクシンイミド（sulfoNHS）エステルと硫酸化テトラフルオロフェニル（sulfoTFP）エステルが知られている18,19。Niuらは、sulfoNHS担持アクリレートモノマー（図 3a）を水中で重合し、得られたsulfoNHS担持ポリマーを用いた重合後修飾による機能性高分子の合成を報告した20。しかし、sulfoNHS担持モノマーは水中で加水分解し、その半減期は約1時間と不安定である。そのため水中での重合は、10分程度で完了する高速な光重合によって行われ、得られたsulfoNHS担持ポリマーは単離されずに次の重合後修飾反応に供された。sulfoTFP担持アクリレートモノマーも報告されている21。
筆者らは、sulfoNHSまたはsulfoTFPの水溶性活性エステル基とビニル基との間にアルキル鎖を導入することにより、水中で安定な新規な水溶性活性エステル担持アクリルアミド型モノマーおよびポリマーを開発した（図 3b,c）22,23。これらモノマーの水中での半減期は、sulfoNHSで16時間、sulfoTFP（x = 5; 図 3c中のアルキル鎖長）で50時間となり、水中での安定性が従来よりも向上した。また、これらのモノマーのラジカル重合によって得られた水溶性活性エステル担持ポリマーは、sulfoNHSおよびsulfoTFPいずれの場合も単離することができた。単離したポリマーは、水中での20％分解までの時間がsulfoNHSで10時間、sulfoTFP (x = 5)で100時間以上となり、モノマーよりも安定であった。sulfoTFPの場合、導入したアルキル鎖が長いほど、モノマーおよびポリマー共に水中での安定性が高くなった。アルキル鎖間での疎水性相互作用によって微小な凝集体を形成し、水溶性活性エステル基への水分子の攻撃が妨げられていると考察した。また、Zhaoらのグループは、ヘプタエチレングリコールを導入したフルオロフェニルエステル担持ポリマーを、水中で分解しない水溶性活性エステル担持ポリマーとして報告し、水中での重合後修飾によるアミド化反応に利用した24。
図 3. （a）水溶性活性エステル担持アクリレート型モノマー、（b, c）水溶性活性エステル担持アクリルアミド型モノマーおよびポリマーの水中での安定性
（Springer Nature (Polym. J. 2019) およびJohn Wiley & Sons (Macromol. Chem. Phys. 2022）から許可を得て一部改変して転載）22,23
筆者らは、得られたアクリルアミド型のsulfoNHSおよびsulfoTFP担持ポリマーを水中での重合後修飾法に利用し、シアル酸含有糖ペプチド（SGP）などを側鎖に有する糖鎖高分子合成へと応用した23,25。得られた糖鎖高分子は対応するレクチンやインフルエンザウイルスヘマグルチニンを用いた結合評価によって、糖クラスター効果による糖－タンパク質間の強い相互作用を確認した。さらに、sulfoTFP担持モノマーの水中かつ空気雰囲気下での可視光照射による光誘起電子移動型可逆的付加開裂連鎖移動（PET-RAFT）重合によって、水溶性活性エステル担持ポリマーを経由する糖鎖高分子のワンポット水中合成を報告した（図 4）26。
図 4. 水溶性活性エステル担持モノマーを用いた糖鎖高分子の水中ワンポット合成
4. 化学酵素法による糖鎖高分子の水中合成
無保護糖を原料とする糖担持モノマーの直接合成やワンポット合成は、簡便性や環境負荷低減の観点から有用である27,28。しかし、無保護糖を原料に糖鎖高分子を水中でワンポット合成する報告は、筆者の知る限り無かった。筆者らは、水中で無保護糖から一段階合成できる糖トリアジン誘導体（DMT糖）が、糖質加水分解酵素を触媒とするグリコシル化反応のドナー基質として有用であることを利用して29-35、水中での化学反応と酵素反応によって糖担持モノマーを合成した後、生成した糖担持モノマーを単離することなく重合することで、無保護糖から糖鎖高分子を水中かつワンポットで合成した（図 5）36,37。具体的には、塩基性条件の水中で、無保護のガラクトース（Gal）と水溶性脱水縮合剤4-(4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジン-2-イル)-4-メチルモルホリニウムクロリド（DMT-MM）を反応し、ガラクトースのジメトキシトリアジン誘導体（DMT-Gal）を合成した。次に、DMT-Galに対してβ-ガラクトシダーゼを触媒、2-ヒドロキシエチルアクリルアミドをアクセプター基質とした酵素触媒グリコシル化反応を行い、Gal担持モノマーを合成した。続いて、酵素を熱失活した後、水溶性ラジカル開始剤のアゾビス[2-(2-イミダゾリン-2-イル)プロパン]二塩酸塩（VA-044）を添加して水中でラジカル重合を行い、側鎖にGalを有する糖鎖高分子を無保護糖からワンポットかつ水中で合成した。酵素反応時のアクセプター基質に2-ヒドロキシエチルメタクリルアミドを用いた場合や、無保護のラクトースを原料としたDMT糖合成とセルラーゼによる糖担持モノマーの酵素合成の場合も同様に、水中で無保護糖からワンポットで糖鎖高分子が得られた。化学酵素法による無保護糖を原料とした糖鎖高分子の水中合成は他に類を見ない。また、化学合成と酵素反応を組み合わせた化学酵素法は、さまざまな糖質化合物の合成に有用な方法として広く利用されている38,39。
図 5. 化学酵素法による糖鎖高分子の水中ワンポット合成
5. おわりに
本稿では糖鎖高分子の合成法を概説するとともに、水中での合成を志向した筆者らの取り組みについて紹介した。水は糖質化合物にとって本質的に適した溶媒であるにもかかわらず、有機合成の観点からはこれまで制約要因として扱われてきた。本稿では、水溶性活性エステル担持モノマーの設計や化学酵素法の導入により、水中においても安定的かつ効率的に糖鎖高分子を合成できる手法を紹介した。これらの成果は、持続可能な社会の構築やグリーンケミストリーの観点からも有用であり、環境負荷の低減と機能性材料創製の両立に寄与するものと期待される。今後、水中合成のさらなる高度化と適用範囲の拡張により、糖鎖高分子をはじめとする機能性高分子の新たな機能開拓およびバイオ・医薬・材料分野への展開が一層進むことが望まれる。最後に、本研究に貢献してくれた全ての共同研究者および研究室のメンバーに感謝の意を表する。
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