自己修復性超分子ヒドロゲルの開発に成功 -新しい分子設計がもたらす超精密ナノ構造-

2026-08-07 理化学研究所,科学技術振興機構

理化学研究所(理研)とドイツ・ミュンスター大学、名古屋大学などの国際共同研究グループは、π拡張芳香族分子「ピレン」を組み込んだ短いペプチドから、自己修復性を持つ超分子ヒドロゲルを開発した。新たに設計したジペプチドFQ(Pyr)は水中で自発的に集合し、均一ならせん状ナノファイバーを形成して透明なヒドロゲルとなる。外力で壊しても時間とともに再びゲル状態へ戻る自己修復性を示し、π相互作用、水素結合、水分子を介した相互作用が構造を安定化していることが分かった。クライオ電子顕微鏡による1.7Åの高分解能解析では、ナノファイバー内部に5本の規則的な水チャネルが形成され、ペプチド分子の配向によって一方向の分極も生じることを確認した。分子レベルで精密に制御された構造と柔軟性を併せ持つことから、水・イオン選択透過膜、電場応答材料、圧電性ソフトマテリアル、バイオマテリアルなどへの応用が期待される。

本研究で開発した自己修復性ヒドロゲルの超分子構造の図
本研究で開発した自己修復性ヒドロゲルの超分子構造(created by Dr. Issey Takahashi)

<関連情報>

原子レベルの精度でπ駆動される、規則的な水チャネルを有するペプチドヒドロゲルナノファイバー Atomic-precision π-driven peptide hydrogel nanofibers with ordered water channels

Ayaka Ueda,George Broutzakis,Alexander Neuhaus,David Ens,Dominik Mählmann,Lisa Schlichter,Hideya Kono,Akiko Yagi,Kazuma Amaike,Christos Gatsogiannis,Bart Jan Ravoo & Kenichiro Itami
Nature Communications  Published:01 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75984-9

Abstract

Aromatic interactions organize molecules into ordered supramolecular architectures, while peptides form functional soft materials through hydrogen bonding and water-mediated assembly. In peptide-based systems, strong aromatic stacking is typically achieved by terminal capping, whereas terminally uncapped peptides organize water through polar end groups but rarely form highly ordered materials. Here we show that a π-extended aromatic unit can be integrated into a terminally uncapped peptide to create a class of supramolecular hydrogels with structural order. A pyrene-modified dipeptide hierarchically assembles into monodisperse helical nanofibers and self-healing hydrogels. Cryo-electron microscopy resolves the nanofibers at near-atomic precision (1.7 Å), revealing tightly packed protofilaments, continuous ordered water channels, and a unidirectional dipole extending along the fiber. These results demonstrate how reinforced aromatic stacking, polar interactions, and cooperative water organization can be orchestrated to generate emergent electrostatics and mechanical resilience, bridging conjugated materials and biomolecular matter, enabling functional soft materials inaccessible to either domain alone.

0502有機化学製品
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