薬も「左手と右手」に分かれているのでしょうか？キラリティーの魔法の謎

国際的に有名な学術誌「Journal of Nanoscience」は最近、「キラル・スキルミオンとキラル・フラワーの相互作用」と題するオンライン論文を発表し、活性物質のキラル特性が活性物質とキラル構造の相互作用のダイナミクスにおいて重要な役割を果たしていることを指摘した。世界的に有名な科学誌「ネイチャー」も、最も挑戦的な科学的問題125件を発表しており、その中には「なぜ生命にはキラリティーが必要なのか」という問題も含まれており、キラリティーの重要性を示しています。

キラリティーとは何ですか?

人間には手と脳という二つの宝物がある。手は体の一部です。私たちはそれを十分に理解しているでしょうか?私たちは、このような単純な疑問について考えたことがありますか？「左手と右手は重ねることができるか？」答えはノーです。私たちの左手と右手は実物と鏡像の関係にあります。外観は同じですが、重ねることはできません。興味深いことに、手のこの特性は自然界の他の物質にも広く見られます。そのため、物質とその鏡像が重なり合うことができない特性を比喩的にキラリティー、あるいはキラリティと呼びます。

微視的な分子から巨視的な宇宙まで、キラリティーは物質のあらゆるレベルに存在します。簡単に言えば、キラル特性を持つ分子をキラル分子と呼びます。キラル分子は最も基本的な性質である光学活性を持ちますが、キラリティーを持たない分子は光学活性を持たないアキラル分子と呼ばれます。

分子が、ある点の周囲に原子または基が非対称に配置されることでキラルになる場合、この点をキラル中心と呼びます。例えば、メタン分子中の 3 つの水素原子をそれぞれアルキル、ヒドロキシル、カルボキシル基に置き換えると、光学活性を示す乳酸分子が得られます。ここで、4 つの異なる基が結合した炭素原子を不斉炭素原子またはキラル炭素原子と呼ぶことができます。

双子の兄弟：エナンチオマー

各キラル分子には 2 つの異なる空間配置があり、異なる空間配置を持つこれら 2 つの分子は互いのエナンチオマーです。エナンチオマーは同一の原子と官能基を持ち、空間的な配置のみが異なります。したがって、融点、沸点、溶解度など、アキラル環境における物理的および化学的特性も基本的に同じです。ここでは、非常に類似したエナンチオマーを双子の兄弟と比較します。エナンチオマーは互いに鏡像ですが、重ね合わせることはできません。

キラル薬物は異なる効果を持つ

エナンチオマーはキラル環境では異なる特性を示すことに注意することが重要です。生物においては、様々な酵素や基質がキラルであるため、エナンチオマーによって生理作用や薬理作用に大きな違いが見られます。 1960年代、ヨーロッパ全土で手足に異常のある奇形児が大量に誕生した。調査の結果、原因は母親が妊娠中にキラル薬物であるサリドマイドを服用したことにあることが判明した。

一対のエナンチオマーを等量混合すると、旋光度がゼロの組成物が得られ、これをラセミ体と呼びます。サリドマイドはキラル薬物サリドマイドのラセミ体です。 R-サリドマイドには妊娠反応の緩和、嘔吐の停止、鎮静などの効果があり、S-サリドマイドには強い催奇形性があります。そのため、R-サリドマイドとS-サリドマイドを混合して生成されたサリドマイドという薬剤は、胎児の奇形を引き起こす可能性があります。

化学の分野では、キラル分子は、特に医学の分野で多くの重要な用途を持っています。薬物分子は多くの場合キラルです。キラル薬物のエナンチオマーは、体内でのバイオアベイラビリティや代謝率が異なる場合があります。また、キラル異性体の違いにより、薬物の治療効果や毒性も大きく異なる可能性があります。現在、市場に出回っている医薬品の50％以上がキラル医薬品です。

キラリティー関連研究の最近の進歩

現在、キラリティー研究の国際的な最前線は、主に以下の側面に分かれています。第一に、キラル物質の合成と分離技術です。キラル薬物は効能や毒性が異なるため、薬物の合成および分離技術には非常に高い要求が課せられます。現在、研究者はこの問題を解決するために主にキラル分離技術と不斉合成技術に頼っています。 2001年と2021年のノーベル化学賞は、どちらもキラル不斉合成の分野で授与されました。

第二に、キラリティーは、地球上、さらには宇宙上の生命の起源を再発見するきっかけを与えてくれます。なぜ生命にはキラリティーが必要なのでしょうか?生体内でのキラル化合物の作用メカニズムは、常に研究者が追求するホットなテーマです。

キラリティーは重要な自然特性として、化学、生命科学、材料科学など多くの分野に浸透しており、その研究も深く発展し続けています。キラリティーに関する基本的な知識を習得すると、生活の中でのキラル薬物を正しく理解して捉え、自然界のキラル現象を深く理解するのに役立ちます。

（第一著者は西北師範大学の教授および博士課程の指導者であり、第二著者は西北師範大学の修士課程の学生である）