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  • date:2022.6.7
  • author:谷脇栗太

新しい学問、重水素学に迫る

重水素化物質の化学反応を解析することが可能に! 重水素学〈わかる〉班・宇田川太郎先生の研究成果

宇田川先生top

今回お話を伺った研究者

宇田川 太郎

岐阜大学 工学部 助教

1980年千葉県生まれ。2005年立教大学理学研究科化学専攻 博士前期課程修了。2008年横浜市立大学国際総合科学研究科ナノ科学専攻 博士後期課程修了。博士(理学)。 2008年より現職。専門は量子化学・計算化学で、研究テーマは重水素同位体効果のための新規量子化学計算手法の開発と応用計算。

水素の同位体・重水素の理解と活用をめざす新しい学問領域「重水素学」プロジェクト。〈つくる〉〈わかる〉〈はかる〉〈つかう〉の4班のうち、重水素への理解を深めることをめざす〈わかる〉班の宇田川太郎先生の研究で成果があったという。

 

宇田川先生は、水素と重水素のような同位体の解析方法を開発してきたエキスパート。今回の研究成果は、重水素の研究を進める上で欠かせないものになりそうだ。さっそくお話を伺った。

水素と重水素を区別できる新たな解析手法を開発

重水素学に関して、宇田川先生の研究で大きな進展があったと伺いました。それはどんな内容なのでしょうか?

 

「はい。重水素学の大きなテーマは、さまざまな物質の分子に含まれる水素原子(H)を重水素(D)に置き換える(=重水素化する)ことで、物質の性質がどう変わるのか、そしてそこにどんな仕組みが働いているのかを解き明かすことにあります。これには理論と実験、双方からの研究が欠かせません。

 

今回の大きな成果のひとつは、これまで実験結果として知られていた重水素化の効果を計算によって解析し、その仕組みをつきとめたことです。この新しい解析手法が、重水素学のさまざまな場面で使えるツールになると考えています」

 

その解析手法は、これまでの手法と比べて一体どのように新しいのでしょうか。

 

「まずは私の専門分野からお話ししましょう。

 

私の専門は、以前この特集にも登場された石元孝佳先生と同じ量子化学・計算化学というもので、簡単に言えばコンピューターを使った計算によって分子の物性や振る舞いを解明する学問です。私は学部生の頃から水素と重水素の計算をメインテーマとして研究に取り組んできました。専用の計算ソフトを使って解析していくのですが、博士課程以降は既存のソフトを使うだけでなく、新しいプログラムの開発にも携わっています。

 

この計算方法についてもう少し詳しく説明しますと、量子化学ではシュレディンガー方程式という数式を解くことで分子の状態を解析します。しかしそのままだと計算量が膨大になってしまうので、細かな条件を簡略化する『近似法』を使って計算を簡単にしてやる必要があるのです。そのうちの一つが『ボルン-オッペンハイマー近似』というものです」

 

計算量が減るのは便利そうですが、計算結果に影響はないのでしょうか……?

 

「電子の振る舞いだけに着目する一般的な量子化学であれば問題はありませんでした。

 

原子は原子核と電子からできていますが、物質のさまざまな性質を決めるのは、電子の量子的な振る舞い(粒子でありながら、波のようにも振る舞う性質)だと考えられてきました。厳密には原子核も量子性をもつのですが、電子よりもはるかに重いためその効果は小さくなります。だからボルン-オッペンハイマー近似では原子核の量子性を無視して、原子核は静止しているものとして計算するのです。この方法はさまざまな専用ソフトで広く採用されていますが、一方で水素と重水素のような同位体を区別して扱うのには向いていないという弱点がありました。同位体の特徴はむしろ、原子核のほうに現れるからです」

<電子と原子の量子性とボルン-オッペンハイマー近似> 古典的な解釈の原子…粒子状の原子核の周りを粒子状の電子が回っている。 量子論的な解釈の原子…電子が存在する確率が雲のように広がって分布している(量子性)。原子核にもわずかに量子性がある。 ボルン-オッペンハイマー近似…原子核の量子性は無視することで、計算を簡略化する。

電子と原子の量子性とボルン-オッペンハイマー近似
古典的な解釈の原子…粒子状の原子核の周りを粒子状の電子が回っている。
量子論的な解釈の原子…電子が存在する確率が雲のように広がって分布している(量子性)。原子核にもわずかに量子性がある。
ボルン-オッペンハイマー近似…原子核の量子性は無視することで、計算を簡略化する。

 

これまでの計算方法には一長一短があって、重水素を研究するためには別の計算方法が必要というわけですね。

 

「そこで、私の恩師でもある立川仁典先生(横浜市立大学大学院 生命ナノシステム科学研究科 教授)が、ボルン-オッペンハイマー近似を越えて高精度で同位体を扱える新しい計算プログラムを開発されました。この計算方法は化学で扱う水素や重水素だけでなく、より重い元素の同位体や、反対にさらに小さな素粒子であるミューオンなども扱うことができ、医学・生理学、物理学といった幅広い分野の問題に応用されています。

 

前置きが長くなってしまいましたが、私はこのプログラムを応用してさらにブラッシュアップを重ね、分子単体の状態にとどまらず、化学反応の際に同位体の違いがどのような影響を及ぼすかを解析できる計算方法を開発してきました。それが今回の重水素学での成果にもつながっています」

重水素化が化学反応におよぼす効果が計算で明らかに

それでは改めて、重水素学での研究成果について詳しく教えてください。

 

「重水素学でも、これまで取り組んできたテーマの延長で研究をさせていただいています。その中で2つの論文を発表しました。

 

ひとつは、化学反応に対する重水素効果を解析した研究です。分子のなかには、同じ化学式で表されるのに少しだけ構造が異なる異性体というものがあります。『ケト-エノール互変異性体』は、水素がくっつく位置が異なるケト体とエノール体という2つの異性体のペアです。それぞれの分子は、化学反応(プロトン(軽水素陽イオン)移動反応)によってケト体とエノール体の状態を行き来して、全体で見るとケト体とエノール体の分子が一定の割合で混ざり合っている状態が保たれています。

 

さて、これまで行われてきた実験では、これらの分子の水素を重水素に置き換える(=重水素化する)と、ケト体の比率が増加することが知られていました。私はここに着目して、水素の場合と重水素の場合とでそれぞれ計算を行い、この比率の違いがどのように生じるのかを導き出すことにしました。

 

詳しい説明は省きますが、この実験結果を計算で説明するためには、重水素化した場合にケト-エノールのエネルギー差がより小さくなっていなければなりません。従来の計算方法ではこのエネルギー差をはっきり示すことができなかったのですが、我々の新しい計算手法を使うことで、重水素化したほうが明らかにエネルギー差が小さくなっていることが証明できました。さらに解析することで、ケト-エノールの比率の違いは水素と重水素の水素結合の強さの違いによって生じていることもわかったんです」

互いに行き来するケト体とエノール体。Xの部分に水素が入るか、重水素が入るかでその比率が変わる。宇田川先生は水素結合の強さがその差を生み出していることを計算によって明らかにした。 論文の詳細はこちらhttps://www.journal.csj.jp/doi/10.1246/bcsj.20210083

互いに行き来するケト体とエノール体。Xの部分に水素が入るか、重水素が入るかでその比率が変わる。宇田川先生は水素結合の強さがその差を生み出していることを計算によって明らかにした。
論文の詳細はこちらhttps://www.journal.csj.jp/doi/10.1246/bcsj.20210083

 

この結果は、重水素学の中でどう発展していきそうでしょうか。

 

「重水素化した分子を解析することで、実験結果を計算で再現できるということがわかったこと自体が非常に大きな成果ですね。結合エネルギーの差は、重水素化医薬品においても代謝を遅らせ、薬の効果を持続させるポイントになりますから、その意味でもこの解析手法が確立できたことには意味があります。他の先生方の実験を理論面から強力にサポートできるようになるでしょう。

 

ただし、まだ細かな課題も残っているので、〈わかる〉班の石元先生や兼松先生とディスカッションしてさらにブラッシュアップしていきたいです」

原子核の量子性に着目すると、分子のダイナミックな振る舞いが見えてきた

もうひとつの研究はどんな内容になるのでしょうか?

 

「もうひとつは、原子核の量子効果が分子の状態にどの程度影響するのかを解析した研究です。こちらはボルン-オッペンハイマー近似に基づきつつ、量子性と温度の効果を取り入れることができる経路積分分子動力学法という手法で分子単体の解析を行いました。

 

解析したのはH₂O₂(過酸化水素)です。この分子は回転運動を行っているのですが、分子に熱を加えた場合の回転の様子を、原子核の量子効果を無視した従来の計算手法と、量子効果を加味した新しい手法、さらに分子を重水素化した上で新しい手法を使った場合の3パターンで解析してみました。

 

量子効果を考慮することでわかったのは、従来の計算結果よりも分子は活発に回転しているということです。しかし同時に、熱を加えていくと原子核の量子的な振る舞いが回転運動を抑制することもわかってきました。水素と重水素を比較するとどうでしょうか。大きな差は見られないものの、重水素のほうが原子核が重いぶん、こうした量子効果がやや小さいという結果になりました」

H₂O₂の分子に原子核の量子効果と熱の効果を加えて、その回転の様子を計算によって解析した。 論文の詳細はこちらhttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2210271X2100400X?via%3Dihub

H₂O₂の分子に原子核の量子効果と熱の効果を加えて、その回転の様子を計算によって解析した。
論文の詳細はこちらhttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2210271X2100400X?via%3Dihub

 

これまで無視されていた原子核の量子性を考慮することで、想像以上にダイナミックな分子の振る舞いが見えてきたのですね。重水素学のなかではどのように位置づけられるのでしょうか?

 

「この手法は計算が膨大になるので化学反応の解析には不向きですが、分子の細部の構造を捉えつつ、温度の条件も加えて解析できることが利点です。重水素化物質を解析するひとつの選択肢になると考えています」

研究についてディスカッション中の研究室の学生たち

研究についてディスカッション中の研究室の学生たち

重水素との出会いは石元先生から

宇田川先生が現在の研究を始められたきっかけを教えていただけますか?

 

「もともと数学と化学が好きでコンピューターにも興味があったので、大学で量子化学に出会って、自分にぴったりだと思いました。出身は立教大学なのですが、私が学部4年で研究室配属されたときに、先輩に当時博士2年だった石元先生がいらっしゃったんです」

 

そんなつながりがあったんですね。石元先生はどんな先輩でしたか?

 

「何でもできて面倒見の良い先輩ですね。私はというと、習ったばかりの量子力学の問題がちんぷんかんぷんで、1日に10回ぐらい石元先生に質問しに行っていました。そのおかげかどうかはわかりませんが、研究テーマを割り振られるときに石元先生の下につくことになり、そこで重水素というテーマに出会ったんです。石元先生や、産業技術総合研究所(当時)の長嶋雲兵先生、博士課程の指導教官の立川先生にお世話になりながら研究者としての道を歩み始めました。

 

横浜市立大学で学位を取ったのち岐阜大学に着任して、5年ほど別の研究をしていたのですが、所属講座の教授が退官されたのをきっかけに重水素の研究に戻ってきました。当時は重水素の化学反応の解析はほとんど手つかずで、誰もやっていないことができるチャンスでした。そうして研究を続けていたところ、今回、石元先生から重水素学にお誘いいただいたというわけです」

2005環太平洋国際化学会議(Pacifichem 2005)に参加した時の写真(当時D1)。左が宇田川先生。右は後輩で現在名古屋大学准教授の小関準先生。

2005環太平洋国際化学会議(Pacifichem 2005)に参加した時の写真。左が宇田川先生(当時博士1年)。右は後輩で現在名古屋大学准教授の小関準先生。

 

石元先生に誘われたとき、重水素学の印象はいかがでしたか?

 

「まさに自分のやってきたテーマを直接活かせるので、ドンピシャだなと思いました。岐阜大学のお隣の岐阜薬科大学にいらっしゃった〈つくる〉班の澤間先生とは面識はあったので、きっと面白いコラボレーションができると思い、『ぜひお願いします』と。

 

量子化学の中でも、重水素の計算をきちんとできる人は石元先生や私を含め数えるほどしかいないので、自分にしかできない形でお役に立てるというのは嬉しいことですし、やりがいがありますね」

変革の波に乗ってさらに大きなテーマにチャレンジしたい

宇田川先生が今後研究されたいテーマなどはありますか?

 

「今、私たちは科学技術の変革期にさしかかっています。変化の波に乗ることで、もっと大きなテーマにチャレンジできるのではないかと思います。たとえばコンピューターの分野では機械学習がさまざまな場面で応用されはじめていますよね。量子化学は計算コストとの戦いという側面がありますが、機械学習をうまく取り入れることで計算を高速化したり、ターゲットを絞り込んで効率的に解析したりすることが期待できます。

 

私が主に研究しているのは水素なので、水素結合やプロトン移動といった現象も扱うのですが、面白いのはこれらの現象は生体分子中でもよく見られ、生命活動にも深く関係しているということです。今はまだごく小さな分子しか解析できませんが、機械学習などで計算コストのブレイクスルーが起これば、タンパク質などの大きな生体分子における重水素同位体効果も我々の手法を用いて解析できるようになるかもしれません」

 

生命の神秘をコンピューターで解明できるようになるかも……ロマンがありますね。

 

「これまでの量子化学では、ターゲットとなる系からごく小さな一部を取り出したモデルに対して計算を行うことがほとんどでした。これからはより高精度な計算手法を用いることができるようになるだけでなく、計算する対象がターゲット系そのもの、実在系により近づいてくるでしょうね。そういう意味では量子化学自体の今後の展開が非常に楽しみです。

 

もちろんこれまで積み重ねてきた同位体の計算でも、できることをもっと増やしたいと思っています。重水素学はまさに良い機会ですね。実験系の先生とのコラボレーションを通して、プロジェクト全体でひとつの大きな仕事ができるように引き続き取り組んでいきたいです」

 


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