ルベンゾイミダゾール（一部の酵素ではアデニン）は，タンパ ク質中ではアポタンパク質由来のアミノ酸残基に置き換わっ ている場合が多い（一部の酵素では置換されていないものも 存在する）．また，上方配位子としてシアノ基が配位したも のをビタミン B12，アデノシル基やメチル基が配位したもの を補酵素型 B12（アデノシルコバラミン，メチルコバラミン） と呼ぶ．本稿ではビタミン B12という呼称を，一連の B12関 連物質の総称として用いることにする．
ビタミン
B
12の酵素反応
ビタミン B12の関与する酵素反応は 10 種類以上と多岐 に及ぶが，代表的な反応として，① アデノシルコバラミン 依存の炭素骨格の組換えを伴う異性化反応，② メチルコバ ラミン依存のメチル基転移反応，③ 還元的脱ハロゲン化反 応，の三つがあげられる（図 1） 1）．とくに還元的脱ハロゲ ン化反応は，脱塩素化呼吸を行う菌体内（Dehalococcoidesethenogenes や Dehalobacter restrictus）などで発見された
興味深い B12依存性酵素反応であり，近年のビタミン B12を 用いた環境浄化触媒開発の契機となっている2）．また，メチ ル基転移反応はさまざまなメチル化反応へと応用され，無機 ヒ素の無毒化触媒の開発にもつながっている3）．このように ビタミン B12の研究は，その生理活性の探索や反応機構の解 明を目的とした酵素機能のシミュレーションにとどまらず， その機能を利用した応用へと幅広く展開されている4）．
ビタミン
B
12酵素反応を再現するには
ビタミン B12の中心金属コバルトは，通常 +1 価∼ +3 価 の酸化状態をとることができ，この価数変化に伴って電子状 態が変化するために，可視部の電子スペクトルは大きく変化ビタミン
B
12とは
ビタミン B12はコバルトイオンを含む補酵素の一つであ る．また必須栄養素の一つで，レバーやしじみ，アオノリな どの食物に多く含まれ，われわれは 1 日あたり数 µg 程度の ビタミン B12を摂取している．独特の赤色が特徴で，いわゆ るサプリメント，また，悪性貧血や末梢神経障害の治療薬， 眼精疲労回復の薬としても使われている．みなさんも目薬な どであの赤色を目にしたことはあるのではないだろうか． ビタミン B12の構造は非常に複雑であり，全合成が成し 遂げられた天然化合物の金字塔としても有名である．D. Hodgkinが構造解析でノーベル化学賞を受賞しており，さら に R. B. Woodward による全合成の過程では，理論化学と有 機化学を結び付ける Woodward-Hoffmann 則が発見された （Woodward教授の業績については12頁の解説記事に詳しい）． その構造を図 1 に示す．コリン環と呼ばれる環状化合物の 中心にコバルトイオンがあり，下方配位子である 5,6-ジメチビタミン B
12
人工酵素
光の照射で環境汚染物質を分解！
嶌 越 恒 ・ 久 枝 良 雄
九州大学大学院工学研究院天
然の触媒として数かずの精密な生体反応に関与 する酵素．そのしくみを研究・応用してバイオ インスパイアード触媒へと進化させたビタミン B12人 工酵素は，光の照射により，さまざまな環境汚染物質 の分解・除去に貢献する夢の触媒として期待されている． しまこし・ひさし ● 九州大学大学院工学研究院応用化学部門助教， 1993 年同志社大学工学部工業化学科卒業，博士（工学）．＜研究テー マ＞錯体化学，有機光化学，＜趣味＞ジョギング，本屋巡り ひさえだ・よしお ● 九州大学大学院工学研究院応用化学部門教授， 1981 年九州大学大学院工学研究院修士課程修了，工学博士，＜研究テー マ＞生体機能関連化学，有機電気化学，＜趣味＞美術館巡り，買い物する．+1 価では灰緑色，+2 価では黄色∼橙色，+3 価では赤∼ 紫色を示す．ビタミン B12の酸化還元を伴う反応は，緑←→黄 ←→赤と反応により色が変わるので，「交通信号反応」とも呼 ばれている．ビタミン B12酵素反応を模倣するポイントは， この中心金属コバルトの価数変化をうまくコントロールする ところにある． しかし，天然ビタミン B12は水系溶媒以外には難溶解性で あるため，広範な物質変換反応に応用するには取扱いが不便 であった．そこで筆者らはこれを化学修飾し，構造的に安定 な修飾体（おもにエステル体）を合成することで，その応用を 広げることに成功した．この錯体は天然ビタミン B12の骨格 を保持しているため，中心金属コバルトの酸化還元電位，電 子状態などは天然ビタミン B12と類似している．そのため， このビタミン B12誘導体を化学還元剤（水素化ホウ素ナトリ ウム，亜鉛粉末やナトリウムアマルガムなど）で処理すると， 容易に中心コバルトは Co （I）状態に還元される．この Co （I） 状態は超求核性を示し，有機ハロゲン化合物と反応してコバ ルト炭素結合を形成する（図 3 a）．またこのコバルト炭素 結合は光や熱，酸化還元などの外部刺激により任意に開裂さ せることができる（図 3 b）．この性質を利用することで，有 機塩素化合物の分解反応や，ラジカル中間体を経由した有機 合成反応などのさまざまな反応に応用することが可能とな る．加えて触媒となるビタミン B12誘導体は，天然ビタミン B12を原料としているために自然の代謝系が存在するため， 環境への負荷が少ないクリーン触媒とみなすことができる．
光を使ってみよう！
さて，ビタミン B12誘導体を用いて天然ビタミン B12の酵 素反応を模倣することには成功したが，「天然酵素由来のビ タミン B12誘導体を用いても，その機能を発現させるために 大量の化学還元剤を用いては，クリーン触媒としては不完 全ではないか？」，「B12だけでなく，安全な無機材料や高分 子などの人工素材と複合化することで，もっと優れた触媒シ ステムを構築できるのではないか？」と新たな考えが湧いて きた．光エネルギーは地球上で最も豊富で安全な自然エネル ギーであり，光を駆動力とするビタミン B12反応を開発でき れば，将来的には太陽光を利用した触媒システムの開発につ ながる．そのような発想から，筆者らは光反応を利用したビ タミン B12酵素反応を構築できないかと考えた． そこで，光増感剤としてよく用いられるルテニウム（II）ト リスビピリジン錯体に着目し，光駆動型電子移動反応を利用 した触媒サイクルの構築を行った（図 4）．ルテニウム（II）ト リスビピリジン錯体は可視光照射により励起され，電子源と なる犠牲還元剤（トリエタノールアミンなど）共存下では還元 的消光を受け，高い還元力をもつルテニウム錯体（1 電子還 元種）を与える（–1.35 V vs. Ag/AgCl）5）．この還元力を利用すればビタミン B12錯体〔E1/（Co2 II/CoI） ＝ –0.65 V vs. Ag/AgCl〕
を触媒活性な Co （I）種へと還元することができる（図 4）． 先述のビタミン B12のエステル誘導体を触媒として用い， エタノール中，ルテニウム増感剤および犠牲還元剤存在下 で，環境汚染物質であるジクロロジフェニルトリクロロエタ ン（DDT）に波長 420 nm 以上の可視光を照射すると，3 時間 でほとんどの DDT が消失し，主生成物としてモノ脱塩素体 であるジクロロジフェニルジクロロエタン（DDD）が得られ た．また暗所やビタミン B12触媒不在の場合，この反応はほ とんど進行しなかったため，光駆動型電子移動反応により生 L＝CH3 メチルコバラミン（補酵素型B12） L＝CN シアノコバラミン（ビタミンB12） アデノシルコバラミン （補酵素型B12） L＝ CH 2 NH2 N N N N O OH OH O N N N Co X N H H CH3 H3C CH3 CH3 CH3 H H H3C H3C H H C CONH2 CONH2 CONH2 CH3 CH3 H2NOC H2NOC H2NOC L O NH O H P O O O H CH2OH H H H HO X＝ N N CH3 CH3 N N N N NH2 または HOOC CoA H H O HOOC H O CoA メチルマロニル-CoA スクシニル-CoA ①異性化反応 ②メチル化反応 C C Cl Cl Cl Cl テトラクロロエチレン C C Cl Cl Cl H トリクロロエチレン ③脱塩素化反応（脱塩素化呼吸） CO2ー NH3+ ホモシステイン H S CO2ー NH3+ メチオニン H3C S 5,6-ジメチルベンゾイミダゾール アデニン 図 1 ビタミン B12誘導体の構造と関与する反応
成する Co （I）種が活性種となり，反応が進行していると推察 された6）．しかし本系では，ルテニウム増感剤からビタミン B12触媒への電子移動を効率よく進行させるために高濃度の ルテニウム増感剤を必要とする．また，反応後には 2 種類 の金属錯体（触媒と増感剤）を回収しなければならず，完全に クリーンな反応システムとはいえないものであった． そこで筆者らは，両者を同一ポリマー内に導入したビタミ ン B12-ルテニウム増感剤ハイブリッドポリマーを開発した （図 5 a， b）．合成したポリマーは分子量が約 40,000 であり， 直径 6 ∼ 8 nm の球状構造であることが電子顕微鏡観察およ び動的光散乱測定により明らかになった（図 5 c）．UV-Vis ス ペクトルからビタミン B12触媒とルテニウム増感剤の固定化 量を見積もり，これらの値と先に求めたポリマーの分子量か ら，ポリマー内にはそれぞれ 2 ∼ 3 分子のビタミン B12触媒 とルテニウム増感剤が含まれていることがわかった．そし てルテニウム増感剤とビタミン B12触媒の分子サイズを鑑み て，両者は電子移動を起こすには十分な距離に位置している と見積もることができた．実際に可視光照射すると，ビタミ ン B12は Co （I）種へと還元され，ルテニウム増感剤からの光 誘起電子移動が進行した．臭化フェネチルをモデル基質とし て反応性を評価したところ，触媒回転数は約 1000 回に到達 し，高い触媒活性を示した（図 5 a）． このようにポリマー内での電子移動を利用することで，先 述の触媒-増感剤混合システムと比較して，1/10 程度まで触 媒量を減らすことができた．また，反応後は簡単な再沈殿操 作でポリマーを回収可能であり，よりクリーンな光増感型 e 可視光 （λ 420 nm） 照射 [Ru(II)(bpy)3] 2+ 光増感剤 [Ru(II)(bpy)3]2 +
*
[Ru(bpy)3]+ 犠牲還元剤 −1.35Vvs.Ag/AgClE1/2(CoII/CoI)＝0.65 V vs. Ag/AgCl
+ Cl− DDT ビタミンB12誘導体 （エステル修飾体） RuII N N N N N N Co III N N N N CO2CH3 H CH3 CO2CH3 CH3 CO2CH3 H H CH3 CH3 H3CO2C H3C H H H3CO2C H3C CO2CH3 CO2CH3 CH3H Co H3C DDD 脱塩素化物 Cl HCl Cl Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Cl Cl Cl N N bpy＝ CoI 図 4 光誘起電子移動型ビタミン B12触媒反応 緑色 黄色 赤色 CoI CoII CoIII 図 2 酸化還元に伴うビタミン B12誘導体の色の変化 図 3 コバルト−炭素結合 a） 形成反応，b） 開裂反応． CoI 超求核性 CoIII R Clー アルキル錯体 有機塩素化合物 a） + RCI 脱塩素化反応 有機ラジカル種 CoIII アルキル錯体 CoII b） + R R コバルトｰ 炭素結合の開裂 光・熱・酸化還元
B12触媒システムを構築できたといえる7）．
酸化物半導体と組み合わせたら？
光を照射して電子を取りだすことができるのは，錯体（ま たは有機化合物）などの増感剤のみとは限らない．酸化チタ ンなどの半導体は，バンドギャップより大きいエネルギーの 光を照射すると，価電子帯にある電子が光のエネルギーを受 け取って伝導帯に移り，正孔と励起電子対が生成する．正孔 を消費するアルコール中で光照射すれば，この励起電子を還 元試薬として使うことができる．この酸化チタンの光照射に より生成する伝導帯の励起電子には，アナターゼ型酸化チタ ンで約 –0.5 V vs. NHE （pH 7.0, H2O）の還元力があり8），ビ CoI Cl Cl Cl Cl テトラクロロエチレン Cl ClCl Cl Cl DDT CoII 紫外線 励起電子 酸化チタン 正孔 コビリン酸 e 脱塩素化物 + Cl 紫外線 反応前 反応中 b） a） c） N N N N HOOC HOOC HOOC CH3 COOH H CH3 CH3 H3C H3C H3C COOHCH3 COOH CoII H H H H H CH3 COOH 図 6 酸化チタン-ビタミン B12ハイブリッド触媒 a） コビリン酸の構造，b） 紫外線照射による Co （I）種の生成反応，c） 脱塩素化反応の模式図． b） c） 20 nm a） e 2CIO4ー N N N N N N Ru N N N N H3CO2C CO2CH3 H3CO2C H3CO2C CO2CH3 CO2CH3 Co HN O O HN n m o 可視光照射 臭化フェネチル Br + 図 5 ビタミン B12-ルテニウム増感剤ハイブリッドポリマー a）ハイブリッドポリマーの構造と反応模式図，b）作製したハイブリッドポリマー，c） ハイブリッドポリマーの TEM 像．タミン B12誘導体を Co （I）種へと還元するのに都合がよい． そこで筆者らはビタミン B12誘導体を酸化チタン表面に固 定化したハイブリッド触媒を合成し，その反応特性を検討し た．ビタミン B12誘導体としては，七つの側鎖がすべてカル ボン酸となったコビリン酸を用いた（図 6 a）．コビリン酸を エタノールに溶解し，酸化チタン粉末を加えて 1 日攪拌す ると，ピンク色の粉末が得られた．この酸化チタン-ビタミ ン B12ハイブリッド触媒をエタノールに懸濁し，脱酸素条件 で紫外線照射すると，Co （I）種の生成を示す灰緑色へと変化 した（図 6 b）．このように酸化チタンの光還元作用によりビ タミン B12の Co （I）種が生成できたので，基質として DDT やテトラクロロエチレンを加え，紫外線照射しながら反応さ せると，図 6 （c）に示すような脱塩素化反応が効率よく進行 した9）．本触媒は，有機ハロゲン化物の分解のみならず，有 機ハロゲン化物からのラジカル生成反応にも利用できる．そ のため，ラジカル中間体を経由し，かつ環境調和型のクリー ン触媒として機能を発揮した10）．
ビタミン
B
12が光増感性を示した！
光合成タンパク質の活性中心にあるクロロフィルもビタ ミン B12酵素の活性中心にあるコバラミンも，環状テトラピ ロール構造をもつ非常によく似た構造だが，中心の金属イオ ンの種類が異なるため生体内での役割も異なる． もし，光合成タンパク質のようにビタミン B12酵素に光捕 集作用があれば，光増感剤なしでも先述の光触媒反応が進行 するのではないだろうか？ このようなことを漠然と考えて いたとき，大学院生の西 将史君（現キヤノン株式会社）が面白 い現象を発見してくれた．コントロール実験として増感剤を 加えずに光照射実験を行ったところ，光を照射しただけでビ タミン B12の電子スペクトルが，ゆっくりと変化する現象に 遭遇したのである．そこで波長を変え，より高エネルギーの 紫外線を照射すると，増感剤なしでもビタミン B12触媒が還 元され，触媒活性な Co （I）種が効率よく生成した．この性質 を利用することで，ビタミン B12錯体に紫外線照射するだけ で，増感剤なしでも DDT の光脱塩素化反応を進行させるこ とができた（図 7）． また，この光反応は溶媒に大きく依存し，ある種のイオン 液体中では有機溶媒中と比較してビタミン B12の還元速度が 約 7 倍加速されることを，中国からの大学院留学生の李麗 さん（現日之出水道機器株式会社）が見つけてくれた．イオン 液体は常温で液体の有機塩であり，蒸気圧がほとんどゼロで 難燃性であるため，クリーン溶媒としての利用が検討されて いる11）．加えて，電荷をもった金属錯体の溶解担持能に優れ ており，錯体触媒のリサイクルが可能となる．実際にビタミ ン B12触媒もイオン液体中に溶解担持されるため，高い触媒 効率を維持したままリサイクル使用することができた12）．ビタミン
B
12のさらなる応用に向けて
生体内でビタミン B12が行っている反応は多様で奥深く， 通常の有機化学や触媒化学では再現不可能な反応もまだまだ 多い．一方，その触媒機能を追求するなかで，多くの面白い 反応や現象に出会えたことは，研究者として幸せであった． CoIII N N N N H3CO2C CO2CH3 H3CO2C H3C H3C H3C H3CO2C CO2CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CO2CH3 CoII H H H H H H CO2CH3 DDD Cl HCl Cl Cl DDT Cl ClCl Cl Cl Cl Cl Cl Cl * CIO4ー 犠牲還元剤 紫外線 + Cl e CoII CoI 図 7 光増感型ビタミン B12触媒反応こうしたビタミン B12の研究を通して，筆者らは環境汚染 物質のクリーン分解など，グリーンケミストリーの発展の一 助を担えたと自負している．現在，地球環境の悪化は著しく， 人類の将来のためにも環境問題の解決は急務であるといえよ う．さらに最近では，ビタミン B12が水素発生やバイオマス からのエネルギー生産を行うという面白い現象も筆者らの研 究室で見いだしつつある．ビタミン B12が将来のエネルギー 問題を解決してくれる可能性についても探っていきたい． 謝辞：本研究は，九州大学日産化学工業株式会社組織対応型包括連 携事業および科学研究費補助金の助成における成果であり，関係各 位にこの場を借りて感謝したい．また本研究に情熱をもって取り組 んでくれた多くの大学院学生に深謝する． 参 考 文 献
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（2005）； 嶌 越 恒， 増 子 隆 博， 久 枝 良 雄， 光 化 学， 38, 174（2007）．7） H. Shimakoshi, M. Nishi, A. Tanaka, K. Chikama, Y. Hisaeda, Chem.
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（2009）；H. Shimakoshi, M. Abiru, S.-I. Izumi, Chem. Commun., 2009,
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