Research

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高分子認識システムの開発

小分子を識別し分離させる分子認識技術は、超分子化学の枠組みの中で大きく発展し、現在は様々な分子分離技術へと応用されています。しかし、高分子の認識は非常に難しく、従来の分子認識手法では不可能とされてきました。高分子は一般的に長い紐状の形をしており、様々な形(コンフォメーション)をとることができます。そのため、従来の分子認識技術の手法では、その長く大きな構造に隠された小さな違いを識別・特定し、分離することはできませんでした。

我々は、多孔性金属錯体(Metal–Organic Framework: MOF)と呼ばれる多孔性結晶を認識媒体として利用し、高分子認識の実現へと挑戦しています。高分子認識技術が開発されれば、これまで精製が困難であった様々な高分子素材群の純度を飛躍的に向上できるだけでなく、これまで手にすることができなかった特殊な構造を持つ高分子を得ることのできる革新的な合成技術に繋がります。さらに、高分子が持つモノマー配列などの一次構造を正確に認識できるようになれば、生命がDNAを遺伝情報の記憶媒体として利用しているように、我々も高分子を情報記録メディアとして利用できるようになります。高分子認識システムの開発は、革新的な高分子合成・分離・分析技術としてだけでなく、高分子を情報材料とする新しい未来の創造に繋がります。

Development of Polymer Recognition Systems

Molecular recognition technology, which identifies and separates small molecules, has made great progress in the framework of supramolecular chemistry and is now being applied to various molecular separation technologies. However, recognition of polymer structures is extremely difficult, and it has been considered impossible with conventional molecular recognition methods. Polymers are generally in the shape of long strings, and can take various conformations. As a result, traditional molecular recognition techniques have not been able to identify small differences hidden in their long, large structures. 

We are trying to realize polymer recognition by using a porous crystal called a metal-organic framework (MOF) as a recognition medium. If polymer recognition technology is developed, it will not only dramatically improve the purity of various polymeric materials that have been difficult to purify until now, but it will also be an innovative technology that enables us to obtain polymers with an unprecedented structure.

Furthermore, recognizing monomer sequences of polymers is reading the information recored on the polymer chain. As biological systems uses DNA as the storage of genetic information, we can utilize synthetic polymer chains as the information media. Therefore, polymer recognition technology will lead not only to polymer separation and analytical breakthroughs but also to innovation for polymer synthesis, and information technology.

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MOFカラムクロマトグラフィーによる究極の高分子分離技術

これまでのMOFを用いた物質分離に関する研究は、主にガス分子などの小分子に焦点を当てたものがほとんどでした。一方我々は、MOFが有するナノサイズの細孔内へ希薄溶液中の高分子が自発的に取り込まれ、吸着される現象を発見し、その原理を利用した新しい高分子分離のためのクロマトグラフィー技術を開発しています。MOFを固定相として用いた液体クロマトグラフィー、すなわちMOFカラムクロマトグラフィーでは、MOFへの高分子吸着に基づく新しい分離モードによって高分子に存在するわずかな構造の違いに対しても優れた認識・分離能が発現します。

我々はMOFカラムクロマトグラフィーを活用して、モノマーの組成や配列、立体規則性、結合位置規則性、ヘリシティー、ブロック配列などの様々な高分子構造の違いを精密に認識し、分離することができる究極の高分子分離技術の開発を目指しています。本技術は、合成高分子のみならず、核酸やペプチドといった生体高分子においても、これまで困難または不可能とされてきた様々な分離・精製に関する課題を解決する大きな可能性を秘めています。

MOF Column Chromatography for Ultimate Polymer Separation

While previous studies on MOF-based separation applications have predominantly focused on small molecules, we have recently made a significant discovery that expands their potential. We have found that MOFs are capable of adsorbing large polymeric compounds and demonstrating promising abilities in polymer recognition and separation. This breakthrough is attributed to the infiltration of polymer chains into the nanopores of MOFs. Specifically, long polymer chains are spontaneously inserted into the nanoporous pores of MOFs, allowing for precise recognition of structural differences among polymer chains. Consequently, this enables efficient separation of polymers. The MOF-based polymer separation technique we have developed is particularly remarkable as it facilitates the discrimination of minute differences in polymer structures. Traditional methods struggle to precisely differentiate aspects such as end groups, topology, and minute monomer alterations. However, our technique successfully achieves this level of discrimination.

Building upon the principle of polymer insertion-based recognition, we have designed a novel approach to separate polymers using a MOF column chromatography system. When employed as the stationary phase in liquid chromatography, MOFs packed into the column exhibit exceptional recognition and separation capabilities for polymers, operating on a unique separation mode based on polymer insertion into MOFs. It holds immense potential for enabling previously unattainable polymer separations based on factors such as monomer composition and sequences, stereoregularity, regioregularity, helicity, and block sequences. This breakthrough has strong prospects for realizing previously impossible polymer separations based on monomer composition and sequences, stereoregularity, regioregularity, helicity, and block sequences, not only in synthetic polymers but also in biomacromolecules. 

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ナノ多孔体を用いた高分子情報の解読

生物はその設計図を四種類のモノマーの配列として巨大なリン酸高分子(DNA)に刻み込みました。このモノマー配列を読み出すことで、極めて高い再現性でタンパク質の合成を行っています。このように、高分子を膨大な情報の記憶メディアとして利用することは、進化の過程で生物が見出した究極的な方法であると言えます。人工の高分子にも、もちろんモノマーの配列が存在します。しかし、人工高分子の微細構造を読み取り、認識するための方法が未熟であるため、この分子情報へアクセスすることは困難でした。

我々は、多孔性結晶のナノサイズの細孔に人工高分子を導入し、モノマー配列や立体規則性といった微細構造を認識する新しい方法を探索しています。この技術は、あらゆる高分子の構造解析法としてだけでなく、分離や分析手法としても新たな潮流をもたらすと期待されます。ここで最も重要なのことは、合成高分子はもはや化学工業の原材料ではなく、情報メディアであるということです!

Material-Driven Polymer Sequencing: Reading Polymer Codes by Nanoporous Materials

The blueprint of living organisms is stored in a polymeric DNA string as a sequence of four base units. The genetic code is precisely read and used for biological protein synthesis. Use of such polymeric strings as a medium for data storage can be a golden method discovered during evolution. Synthetic copolymers also contain the information on monomer arrangement. However, accessing this molecular information is challenging because of the lack of a platform for reading and recognizing the microstructures of synthetic copolymers.

We explore new methods for recognizing monomer sequences of synthetic copolymers by introducing them into nano-sized pores of a metal-organic framework (MOF) crystals. This technology will lead to a new trend in the separation and characterization of synthetic copolymers. Importantly, in this paradigm, synthetic polymers are no longer raw materials in chemical industry, instead they are information media.

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ナノ細孔を利用した生体高分子の認識と分離精製

タンパク質を主成分とするバイオ医薬品は近年開発が急速に進み、ワクチンや難病治療薬のための重要な創薬モダリティとなっています。MOFのナノ細孔による高分子の構造認識と分離原理はタンパク質をはじめとする生体高分子にも適用できます。我々は、MOFのナノ細孔を用いてタンパク質のフォールディング状態を識別し、変性したタンパク質のみをMOFへ選択的に吸着させ除去できる技術の開発に成功しています。この方法は特別な手技が必要ないため、将来的に安価で高品質なバイオ医薬品の製造に貢献すると期待されます。

Identifying Structures of Biomacromolecules by Nanopores: Purification and Separation Applications

Protein-based biopharmaceuticals have seen rapid development in recent years and have become an important drug discovery modality for vaccines and drugs for intractable diseases.The principle of structural recognition and separation of macromolecules by MOFs is applicable to proteins and other biopolymers. We have developed a technique that utilizes the nanopores of MOFs to identify the folding state of proteins and selectively adsorb and remove only denatured proteins. This method, which does not require special procedures, is expected to contribute to the production of affordable, high-quality biopharmaceuticals in the future.

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高分子と結晶のハイブリッド化: 高分子複合体の新しいカタチの探求

ナノ細孔へ高分子を導入する原理を利用して、多孔性結晶と高分子の新しい複合様式の探求を行っています。従来の高分子と結晶性材料の複合体は、単に両者を混合することで形成されていました。我々は、多孔性結晶の細孔に極めて長い高分子を貫通させることで新しい複合様式の開発を行っています。これまでに、MOF結晶の細孔に高分子が貫通した構造体(MOFaxane)の合成に成功しています。結晶に高分子が貫通したネックレス上の構造に由来したユニークな物性の発現が期待されています。

Hybridization of Polymer and Crystals: A New Style of Polymer Composite

The introduction of polymers into nanopores serves as a principle for investigating novel composite modes involving porous crystals and polymers. Traditional polymer and crystalline material composites are typically created by a simple mixture of the two components. However, our current focus is on developing innovative composite modes by effectively threading extremely long polymers into the entire porous crystals. Up to now, we have achieved successful synthesis of a polymer/MOF composite where the polymer penetrates the entire MOF crystals through their nanopores (namely "MOFaxane"). We anticipate the emergence of distinctive physical properties resulting from the necklace-like structure formed by the polymers penetrating the crystals.