"精密資源"としてのキチン :構成 2糖への酵素分解と その合成

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精密資源"としてのキチン :構成 2糖への酵素分解 と
その合成化学的高次利用
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1.再生する `
精密資源"
地球上で最 も多量に存在する有機化合物はセルロースで､その年間生成量は1
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1トンと推定されている1
)
｡
セルロースについで量産されているのがキチンであ り､その年間生成量は109トンとも､あるいはセルロー
スに匹敵する量ともいわれている 2)｡ これ らはともに生物が作 り出す糖質ポ リマーであ り､セルロースはD
-グルコースの､キチンは代表的アミノ糖であるN-アセチル-D-グルコサミンの重縮合物である｡その
生成量の巨大さか ら､これ らは一つの資源 とみなす ことができるが､いわゆる鉱物資源などには見 られぬ優
れた特性を数多くもつのが特徴である｡まず自然界の生態系内で循環 している物質 として､常に再生産され
ていること､そ してその裏返 しとして容易に分解も受けること､すなわち本質的な生分解性をもつことであ
る｡さらにこれらの化学構造は､多数の官能基 と不斉炭素から構成された単糖が､厳密な立体規則性のもと
にグリコシ ド結合 した高分子であり､その精微な構造か ら "
精密資源"と称するに相応 しい｡セルロースに
ついては古 くから､木綿､麻などの繊維 として広 く利用されてきたが､近代に至 り高次構造を人為的に改変
した再生セルロースが開発され､繊維のみならずセロファンのようなフイルムとしての利用も広がった｡さ
らに光学分割機能をもつアルキル化セルロースの開発が行われるなど､機能性材料への展開も始まっている｡
一方キチンも最近かな り注 目を集める存在になっている｡それ自体が創傷治癒作用を持ち 3)､脱N-アセチ
ル化物のキ トサンは抗菌活性を有すると言われ､また凝集剤としても利用されている4)｡さらにそれ らを構
成するオ リゴ糖類やその誘導体 も動植物に対 して興味深い活性を示すという報告が数多 くある｡本稿では
…
精密資源"キチンを静索分解 して得 られる 2糖を出発物又は構築単位 として､有機化学的手法を用いて有
用オリゴマーを合成 した経緯について述べることにしたい｡
2.キチンの構成 2糖への限定分解
2糖を合成出発物に用いることの利点は､その分子中に含まれて特定の位置に特定の配位で二つの単糖を
連結 しているグリコシ ド結合を利用できることである｡最近のグリコシ ド合成法の飛躍的進歩によって､難
-6-
易の差はあるものの､殆どすべてのタイプのグリコシ ド結合が化学合成できるようになった 5)Oしかしグリ
コシデーションを行 うには､望ましい形に部分保護や活性化を施したグリコシル供与体 と受容体の調製が必
要であり､これはかな り煩雑な作業となる｡そのうえで適正な溶媒や触媒､さらに反応条件を選定すること
によ り､ようや く立体選択的にグリコシ ド結合が形成される｡そ こで多糖から切 り出されてくるオ リゴ糖を
うまく出発物や構築単位に利用できれば､その分だけグリコシデーションを行わずにすみ全体の合成効率を
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高めることができる｡ このような考えのもとに､筆者はキチンを限定分解 して 2糖N,
1)を調製し､これを構築単位に利用した有機合成を行うことにした｡
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高分子をある長さに切 り揃えるといったタイプの反応は有機合成化学が最も不得意とするところで､2糖
1の調製も微生物や酵素の力に頼 らざるを得なかった｡キチンをあらかじめ酸で前処理 して重合度を低下さ
せ､コロイ ド状キチンとしたものを基質として用いた｡まず発酵法による 1の調製を試みたが､これには大
型のジャーファーメンターを利用 して､コロイ ド状キチンに耐熱菌Ba
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で培養 しつつ培地中の 1の生成量をモニターした.
.1の生成が最大に達 した点で培養を停止 し､濃縮乾固し
｡しか しこの方法は培養の
た培地を完全アセチル化 して､1をオクタアセテー ト誘導体2の形で単離した 6)
停止点を的確に捕 らえることが難 しく､再現性に乏しいという欠点があった｡そ こで次にフラスコ内で反応
が行える酵素法を検討 した｡自然界では色々な生物がキチン分解酵素キチナ-ゼを産生 しているが､その多
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くはキチンを 2糖単位 に切断する｡その中で最も強力であると言われている放線菌St
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3の緩衝液中4
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チナーゼ 田C3
処理 し､反応停止後生成物をアセチル化して単離 し､効率的に大量の2を得る事ができた 7)｡ このように酵
素法によって合成出発物の調製が可能になったが､この辞素は生成物阻害を受けるため､反応液中に1がた
まって くるに従い静索の不活性化がお こり､反応は数 日間で完全に停止する｡そ こで現在 この間題を克服す
るための技術的検討を行っているところである｡
3.アロサミジンの発見と合成
さて前節で多彩な生物がキチナ-ゼを産生すると述べたが､もう少 し詳しく見てみたい｡昆虫や甲殻類な
どの節足動物の外骨格はキチンからできてお り､脱皮に際してこれを分解する必要があるのでキチナ-ゼを
有するのは理に叶っている｡しかし､それ自体は全 くキチンとは無縁の植物も､病原性カビ類が感染すると､
カビの細胞壁を破壊 して自己を防衛するという目的か らキチナ-ゼの生成が誘導される｡果た酵母の細胞壁
-
7
-
は主にマンナンか らできてお りキチンは含まれていないが､出芽で増殖する際に限って母細胞 と娘細胞の間
に薄いキチンの膜が出現 し,これを破壊 して分離するためキチナ-ゼが産生される｡これに前述 した放線菌
のキチナ-ゼなどを加えると､かなり広い生物種間にキチナ-ゼが分布していることになるが､これ らはキ
チンを分解 して 2糖を生じる機能のみが共通で､各々全く異質のタンパクである｡
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起源の異なる各種キチナ-ゼの中で､とくに昆虫のキチナ-ゼを強 く阻害する物質が､1
986年に東京大
学の作田らによって微生物代謝産物中か ら単離され､アロサミジンと命名され､その構造が3のように同定
された 8)｡一般に特異的酵素阻害剤は生化学研究上の利用価値が高いが､3の場合はさらに殺虫剤などへの
グルコサミンに類似 した特異なシクロペンタン誘導体 (
ア
応用の可能性 もあり注 目された｡3の構造は､Dロサミゾリンと名付けられた)をアグリコンとするジアミノ 2糖のグリコシ ド誘導体である｡ジアミノ 2糖
位水酸基の配位がアキシャルで､2分子のNアセチルアロサミンが β1
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結合した化合物である｡
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など著名な有機化学者の合成意欲を刺激 し､相次いで全合成が報告され
この珍 しい構造はDa
グルコサミンの双
る結果 となった 9)｡すでに2の大量調製に成功 していた筆者 らのグループもまた､2とD位 ､3'
位
方を出発物に使った独自の方法で3の合成を達成 した 10)｡筆者 らの合成スキームの特徴は､2の3
グルコサミンの官能
水酸基の配位を同時に反転させて一気にジアミノ 2糖部位の合成を行ったこと､及びD基を保持 しつつ､まずシクロヘキサン誘導体を合成 し､ついで 5貞環へと環縮小してアロサミゾリンを合成
した ことである｡ 2糖性 グリコシル供与体の合成のために､まず 2をフェニルチオ トリメチルシランと
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ヨウ化亜鉛で処理して､チオグリコシ ド4を得､続いて脱0アセチル化､4
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位､3'
位水酸基をメタンスルフォニル化して6とした後､酢酸ナ トリウム
リチル化を行って5へ変換 した｡3
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o型になった7を得た｡さらに保護基を0アセ
存在下含水溶媒中でソルボリシスすると､配位が反転 してa
チル､Nフタロイル基に変換 してグリコシル供与体8が合成された｡Dグルコサミンを出発物 とするアロサ
ミゾリンの合成には幾つかの興味深い反応結果が含まれるが､その詳細は本稿の主旨と直接関係がないので
省略する｡最終的に､ジー
0ベンジル誘導体9がグリコシル受容体として合成された｡8と9との縮合はジク
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ロロメタン中で､Nヨー ドコハク酸イミ ドと少量の トリフルオロメタンスルフォン酸 によりチオグリコシ ド
を活性化して行った｡生成した 10からアセチル基とフタロイル基を除去 した後､改めてアミノ基のみをアセ
チル化し､最後に脱qベ ンジル化を行ってアロサミジン3の全合成が完成した｡他のグループの合成は三つ
のコンポーネントを繋 ぐために 2回のグリコシデーションが必要であったが､筆者らの場合は 1回であった｡
4.両親媒性キ トへブタオースの設計と合成
Dグルコサミンモノマーの重合度が 6程度以上のキ トオリゴ糖またはそのNアセチル化体が動植物に対 し
て多彩な生物活性を示すという報告がある｡たとえば､マウスに移植 した固形ガンに対する成長抑制効果 11)
やイネの細胞にファイ トアレキシン (
抗菌物質)の産生を誘導する効果 12)などである｡とくに後者の例で
はナノモル程度のオリゴ糖で活性発現が見 られるという｡そ こで筆者 らは､生理活性を有するこのようなオ
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リゴ糖に疎水性基を導入して両親媒性誘導体にした場合､水中における分子集合状態や生物活性の変化がど
の様になるであろうかという点に興味を持ち､合成を行うことにした｡生体膜 リン脂質 2重層の構成成分な
どを参考 として､ 2本の疎水性基を導入を計画 し､キ トへブタオースの還元末端にアミ ド結合とグリコシ ド
4
個からなる疎水性基を導入した化合物 11を設計した｡11の合成は､7糖の骨
結合を介 して､各々炭素数1
格を完成した後に 2本の疎水性基を順次導入するというプロセスで進めた｡まず還元末端単糖の前駆体 とし
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アジ ド糖 13を選定 して､これより非還元末端側へと 2糖単位で糖鎖 を伸長した｡糖鎖伸
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長のための共通シン トンとしては､アロサミジンの場合のように
して 12を合成 した｡12はグリコシル供与体 としてのペンテニルオ
キ トビオースオクタアセテー ト2か ら出発
位アセ トキシ基の双方を含む｡ヨー ドニウムカチオンを活性化剤とキシ基 と､容易に受容体へ変換できる4'
を行い､3糖 14を得､脱アセチル化 して受容体 15へ変換後再び 1して 12と13の間のグリコシデーション
糖 16を合成した｡さらにもうー度同様な方法を繰 り返す ことによ り
､
とのグリコシデーションを行って､5
2
が達成された｡18を硫化水素と処理 してアジ ド基を選択的にア
16から17をへて 7糖骨格 18の合成
導入 としてテ トラデカノイル化を行い19を得た｡次のステップに備
ミノ基へ還元し､ただちに最初の疎水性基
えて
必要があり､水素添加による脱ベンジル化に続きアセチル化を行って
20
､19の水酸基の保護基を変換する
環の閉環 とテ トラデカノールとのグリコシデーションを連続 してoneいたので､その結果に基づいて20を トリエチルシリル トリフレ
を調製 した｡20の1
,
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アンヒ ドロ
で行 うためのモデル実験に成功 して
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体21を､ただちにプロ トン酸の存在下テ トラデカノールと反応さ
ー トで処理 して得 られるオキサゾリン中間
で得る事ができた｡最後に22のアセチル基 とフタロイル基を順 せたところ､目的物22をかな りの好収率
｡1
1は色素可溶化試験によ り水中で
物をゲル渡過によ り精製 して標的 7糖誘導体 11の合成が完成 した
次除去
し､アミンを塩酸塩に変えた後生成
13)
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H の合成に於 いても､キチンか ら切 り出された 2糖が構築単位 として繰 り返 し使われ､おおいに活躍 し
た ことになる｡もし単糖 シン トンを繋いで 7糖を合成するとすれば､グリコシデーションが 6回も必要 とな
り､これは トータル収率を激減させるであろう｡
5.おわりに
ここで紹介 したようなオリゴ糖類の合成研究にとって､最大の支えとなっているものは､l
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ABマススペク トルな どの分析手段である｡ これ らの機器分析なしには､筆者 らの仕事を進めることは不可
能なので､ 日頃お世話 になっている分析セ ンターに御礼申し上げる次第である｡またアロサミジンの合成は
理化学研究所 高橋俊哉研究員 との､キ トへブタオース誘導体の合成は本学大学院生 比能 洋君との共同研究
であ り､両君の協力に対 して感謝する｡
引用文献
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