自己組織化ナノマテリアル
―フロントランナー８５人が語るナノテクノロジーの新潮流―

［コードNo.07FTB009］

企画： （独）理化学研究所　フロンティア研究システム　時空間機能材料研究グループ

自己組織化ナノマテリアルへの期待

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（独）理化学研究所　中央研究所　所長　茅　幸二
　「自己組織化」という自律的な秩序形成過程は、特に生命体においてあまりにも複雑であり、自然の摂理に依存し、我々が恣意的に制御できるものではないとの悲観的見方が最近まであった。２０世紀の末になって原子レベルまでの制御を必要とするナノテクノロジーの急速な発展、それにともなうナノデバイスの実用化の可能性が夢ではなくなった現在、ナノサイズからマクロに橋渡しをする手段としての「自己組織化」は解明すべき最重要な問題として浮かびあがってきた。ライフサイエンスにおいてもゲノム解析プロジェクトにより、DNA内の核酸塩基配列とタンパクの関連など生命機能にかかわるいくつかの仕組みが明らかにされつつあるが、さまざまな要素から生命機能が構成される基本的仕組みとしての「自己組織化」の解明への道を探索すべく「システムバイオロジー」あるいは「バイオインフォーマテックス」研究が急速に関心を集めている段階である。
　本書では、ナノサイズの機能物質構成過程としての自己組織化に力点を置いて、０次元から時間を含む４次元までの広範な機能物質創製過程の議論がなされている。従来のボトムアップの物質創製は、もっぱら合成化学者によってなされてきた。機能物質全体を設計するというよりは、その要素である分子の構造そのものの設計がすべてであったといえるが、結果として千万種類をこえる分子が合成され、そのうちの限られたもののみが機能物質として有用とされている事実がある。物質創製のみならず素粒子の集団から、社会そして宇宙にいたるあらゆる集団が、それらを構成する要素の相互作用によって成り立っている以上要素からシステムにいたる過程をデザインすること、それゆえシステム化を演出する要因を解明することが現代社会全般の問題であり「自己組織化」が技術革新のキイテクノロジーであることは疑う余地もない。
　本書にあるデンドリマー、環状ゲルなどは、精密に設計された化学合成によってそれらの集合体が要素から予測した機能をもっているという意味では「化学的自己組織化」とも言うべき分野であり、一分子設計に終始していた合成化学からの脱却であるといえる。これと対極といえるのがＤＮＡを出発点とした機能タンパクの合成であり、林崎、芝そして山下らが、ＤＮＡの人工的切り貼りを含む手法で機能タンパクの合成に挑戦している。いわゆる「タンパク工学」といわれる分野であるが生命体が水溶液中で、しかも非平衡状態で行っている精緻を極めた機能発揮にまではいたっていないのが実情である。
　ＤＮＡというプログラム化された情報源をいかに解明し、タンパクのみならず分子デバイスなどをバルクにまで持ち込むかが物質科学にもっとも緊急に求められる課題であろう。物質科学、生命科学そして情報科学が連携して取り組むべき領域としての「自己組織化の科学」分野は、黎明期から成熟期へと移行しつつあり、本書は物質科学から眺めた自己組織化の現状を記述しているが、これを契機に生命科学、宇宙あるいは素粒子科学などの先端科学の現状を含む、自己組織化の科学の新しい展望が議論されることが切望される。　　（序文より）

本書のねらい

　ナノマテリアル研究における自己組織化技術が重要視されています。原子・分子を一個一個組み上げ、組織や配列を精密に制御するボトムアップ方式のナノテクノロジーにおいては、生命体に見られるような「自己組織化」を上手く活用することが重要だとされています。そもそも「自己組織化」という言葉や概念は、自然科学や社会科学の学術用語としてのみならず、社会一般でも広く用いられているものです。それ故にディシプリンを越えた厳密な定義は難しいように思われますが、自然科学においてその概念の基になっているのはプリゴジンが提唱した散逸構造です。プリゴジンは、物質やエネルギーの絶え間ない出入りがある非平衡開放系で、熱力学的に安定な平衡構造が不安定化することによって自発的に形成された秩序構造を散逸構造と命名し、平衡条件の近傍で形成される自己集合体とは区別したのです。
　一方、我が国のナノテクノロジー研究においては、「自己組織化」と「自己集合」が曖昧に使われているように思われます。例えば、金の表面に有機硫黄化合物が化学吸着して形成されるSelf-Assembled Monolayer (SAM)は「自己組織化単分子膜」と訳されています。分子ナノテクノロジーにおける「自己組織化」とは、概ね、分子や原子が自然に集まって高度な分子組織体を作り上げることと解釈されているようです。水素結合やパイ電子相互作用のような弱い分子間力を巧みに利用することで、テーラーメードな分子集合体が形成されますが、プリゴジンの定義に基づけば、これら分子集合体の多くは平衡近傍の条件下で形成される構造であるので、平衡形の結晶と同様に自己集合にカテゴライズされるべきもののようにも思われます。
　しかし、自己集合と自己組織化の区別、さらにはナノテクノロジーにおける自己組織化の意義や位置づけはいまだに明確であるとは言いがたく、混乱した状況にあります。そもそも、プリゴジン的（もしくは古典的）解釈によって問題は解決するのでしょうか。実は、この混乱は、我が国に限ったことではないように思われます。2003年の京都賞を受賞したG. Whitesides教授はself-assemblyを静的な過程、dynamic self-assemblyを動的な過程ととらえ、assemblyという概念でおよそすべての秩序形成が整理できると考えています。一方、超分子化学の提唱者であるJean-Marie Lehn教授は”Toward complex matter: Supramolecular chemistry and self-organization”と題した総説（Proc.Nat.Acad.Sci., 99,4763(2002)）において、分子ナノテクノロジーにおける「自己集合」と「自己組織化」の違いに言及し、分子や超分子が分子情報によって機能を有する組織になることが「自己組織化」であり、ＤＮＡによる情報から超分子構造が形成される生物こそが「自己組織化」のお手本であるとしています。その上で、実際に自然界で起こっている非平衡プロセスや散逸構造を取り込んでいくことが、超分子化学の最終的なゴールであると提唱しているのです。
　生物の構造形成は、きわめて階層的であり、また、スケールが大きくなるにつれて新たな機能が発現され、さらにまたその階層構造も複雑になっていきます。鞭毛モーターのように、多種多様な蛋白質分子が弱い分子間相互作用の集積によって自発的に組織化してできた複雑な超分子構造体の形成は、個々の蛋白質の構造があらかじめDNAによってプログラムされているから可能となるのかもしれません。しかし一方で、生物は多様性と個性をも併せ持っており、遺伝情報だけでは決定されない構造もあります。例えば、シマウマや熱帯魚の模様などにみられるチューリングパターンと呼ばれる構造は、遺伝子のみによって完全に記述されるものではないのです。
　非常によくできた「ナノデバイス」（あるいはナノマシン）として生物を捉え、それが設計され構築されるときに、自己集合や自己組織化現象がどのような側面で出現するのかを見ることで、ナノテクノロジーにおける自己組織化、自己集合の役割が見えてくるように思われます。それゆえ本書では、自己組織化を「自己集合」と「散逸構造」を統合した概念として幅広く捉えることにしました。なぜならば、生物は、これら２つの秩序形成の原理をもとに、物質を巧みに使ってボトムアップの自己組織化を行っているからです。ここに革新的な自己組織化材料の設計のためのヒントが隠されています。
　本書は全８章と座談会で構成されています。第1章（総論）は、第2章以下を読み進むためのガイドの役割を担っており、自己集合と散逸構造、プログラム自己組織化の概念、自己組織化研究の方向性および産業展開について概観します。我が国におけるナノマテリアル研究が俯瞰するのが第２〜７章です。ナノマテリアルを次元で整理して章立てとし、各章のなかに有機、無機ならびにバイオマテリアルが偏ることなく記述されるような構成としています。第８章はボトムアップ技術とトップダウン技術の融合領域における自己組織化の役割に焦点を当てています。第２〜8章各節の基本構成は：歴史と現状、自己組織化の意義と位置づけ、自己組織化の役割、将来展望と自己組織化、となっており、最後に編集委員による座談会でこの本の総括としました。
　本書には、ナノマテリアル研究に携わる先導的研究者が考える、ナノマテリアル研究における自己組織化と自己集合の意味と将来展望が述べられています。自己組織化は、経済産業省の技術戦略マップにおいても、重要な課題として位置づけられています。第一線の研究現場では自己組織化がどのように位置づけられているか、その研究は今後どのような方向へと向かうのか、さらにそれらはどのような産業を生み出す可能性を秘めているか　−本書はこれらの疑問に答えるとともに、自己組織化ナノマテリアルと自己組織化ナノテクノロジーの新しい潮流形成を促すものになることを期待しています。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年12月　　編集者を代表して　 下村政嗣、山口智彦

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