农业生物资源研究所特待研究员

243農業生物資源研究所特待研究員馬越淳「エネルギーミニマム型高分子形成システム技術の開発」研究期間：平成１０年１２月1日～平成１５年１１月３０日244１.研究実施の概要1.1基本構想２１世紀中期には世界の人口が１００億人を超えると予想されおり、地球に存在する有限資源やエネルギーは今後の急激な人口増加により枯渇化が予想される。また、今日、人類が合成繊維やプラスチックを作るためには、莫大な有限である石油とエネルギーが必要であり、無限資源とエネルギーの必要性が拡大している。さらに、エネルギー消費による二酸化炭素の増加が大気や水質汚染などを引き起こし、地球環境の悪化と温暖化が問題となっている。一方、生物は太陽エネルギー、水、酸素、二酸化炭素や金属イオンを有効に利用し、環境低負荷型生産システムで生体高分子を形成している。生物が行なう高分子形成は、多量の有限資源を必要としない。植物は酵素の作用でセルロースやデンプンを合成し、動物は植物を摂取、または、動物を摂取し、低エネルギーでタンパク質を合成する。昆虫のカイコもまた、太陽エネルギーや水で育った桑の葉を食べ、常温で繭繊維を形成している。人類にとって地球環境との共存と持続的発展を目指すためには、生物が作る超機能性高分子の構造形成メカニズムを解明し、地球環境を守る技術として、生物の構造形成を模倣した「エネルギーミニマム型高分子生産システム技術の創出と確立の必要性がある」というのがこの研究の発想の原点である。本プロジェクトは生物が行う低エネルギー型高分子形成のモデルシステムとして、カイコや植物の繊維形成に注目し、カイコを用いて絹タンパク質の繊維形成メカニズムの解明や、植物細胞のプロトプラストを用いてカロース繊維形成のメカニズムを解明した。さらに、これらのメカニズムの解明から環境低負荷型高分子構造形成のシステム技術の開発を試みた。1.2実施と成果生物が行っている低エネルギー型高分子構造形成の解明と高分子形成システム技術開発を遂行するために、太陽エネルギーを有効に利用している動物や植物の構造形成に注目した。本プロジェクトでは、紡糸生物が行なっている巧妙な紡糸の研究、特に、カイコが作るタンパク質の自己集合制御、精密分子配列制御した繊維形成のメカニズムの研究、昆虫の生成物と大気中の二酸化炭素に関する研究、植物細胞のプロトプラストによる二酸化炭素を利用したカロース繊維形成機構に関する研究、生体系類似の合成ポリペプチドの合成方法の確立と液晶の構造形成機構の研究を実施した。この研究プロジェクトは三つの分野で構成した。１）紡糸生物のタンパク質の構造形成245機構と自己凝集制御、2）木材成長のカロースの高分子構造形成機構と自己凝集制御、3）バイオリキッドクリスタルの高分子液晶の構造形成の解析である。紡糸生物（カイコ）の低エネルギー型高分子形成機構を解明するために、カイコの繊維形成や紡糸方法を研究した結果、カイコの生合成したタンパク質を巧みに制御し、合成繊維の紡糸方法より総合的で巧みな高分子形成によって、繊維形成を行っていることを明らかにした。つまり、カイコは乾式紡糸、複合紡糸、高速紡糸、液晶紡糸、イオン制御紡糸、捲縮紡糸、ボールベアリング紡糸、ゲル−ゾル転移紡糸、多孔質紡糸、傾斜紡糸、ノズル制御紡糸、絡み合い紡糸、ゾーン延伸、再延伸、常温紡糸など多くの紡糸方法を巧みに利用して、フィブロイン分子鎖を精密に配向制御し、低エネルギーで繊維形成していることを解明した。カイコの繊維形成機構の解明の中で、カイコやクモが大気中の二酸化炭素を絹糸の中に取り込んでいることを定量的に証明し、二酸化炭素が絹糸タンパク質の構成成分であるアミノ酸に炭素として取り込まれていることを世界で初めて実証した。今まで、大気中の二酸化炭素を利用できるのは植物と光合成細菌やサンゴなどの一部の微生物だけと考えていただけに、動物が利用できることを突き止めたことは生物学、昆虫学の新たな発見である。カイコやクモが絹糸に取り込む二酸化炭素の量は、植物の光合成による固定量より規模は小さいが、昆虫の環境適応能力を利用した環境調和型社会への技術として重要な発見をした。カイコ体内より取り出した未変性のフィブロイン水溶液の光散乱、粘弾性から金属イオンの種類、濃度が紡糸の支配因子であることを証明した。絹フィブロイン溶液は中の分子は水溶液中では単一鎖として存在せず、すべて分子はクラスターとして存在し、そのクラスターが集合することにより、さらに、大きな集合構造を形成することを明らかにした。また、絹フィブロイン溶液は擬塑性流動を持つ弾性ゲルで、系全体にわたって大きな網目を持ち、力学的に弱い網目構造を形成している溶液であることを解明した。カイコは繭を形成する際、金属イオンの作用により、多量の絹タンパク質が絹糸腺にゲル状態として貯蔵し、ゲル状タンパク質は、そのままでは、細長い前部絹糸腺の管には通過できないため、金属イオンの濃度の変化で、ゲル状をゾル状水溶液にする。すなわち、桑の葉から摂取したカルシウムやカリウムイオンを利用して、ゲル状の液状絹をゾル状態に転移させる。ゾル状フィブロインは自己凝集し、流動配向によって液晶状態を形成させ、粘度を低下させることが明確となった。ゾル状フィブロイン溶液は、紡糸管中にあるキチン質ノズルでしっかりと把持され、把持された溶液はカイコ自身の力で繊維として、牽引されることを明らかとなった（合成繊維の場合には溶液を把持することは困難である）。すなわち、カイコの高分子構造形成から、カイコは長い疎水性の分子鎖に親水性の短い分子鎖を架橋させ、無機イオンでゲル、ゾル状態を分子制御し、自己凝集と液晶状態で、精密に分子配列制御し、高配向の繊維形成を明らかにし、低エネルギーでの高分子形成のシステム技術の基礎知見が得られた。246植物の細胞壁形成過程の解析において、樹木のプロトプラストを用い、高カルシウム濃度、高濃度の二酸化炭素を加えるという植物細胞にストレスを与えることにより、プロトプラストが細胞分裂を行わず、細胞外に高次構造を持つ巨大な繊維が生合成され、分泌することを初めて見出した。生物が作る組織構造は、らせん配列した棒状タンパク質が多く存在し、自己凝集しながら液晶形成する。そこで、棒状高分子の液晶形成に着目し、棒状高分子を持つ典型的な合成ポリペプチドのポリグルタミン酸エステル用いて、液晶相が連続的に異なる構造形成機構を明らかにした。すなわち、液晶相の連続変化は低エネルギー構造形成システム技術の開発に結びつくものと考えられる。また、ポリペプチドの合成において、アミノ酸NCA法によって、低エネルギー型の合成方法を確立した。以上のことから、カイコの繊維形成メカニズム、植物細胞のプロトプラストの巨大カロース繊維の発生メカニズム、バイオリキッドクリスタルなどの構造形成機構の解明より、低エネルギー型高分子構造形成システム技術開発のための高分子の構造因子は、親水基を有した水溶性で、剛直な部分を持つ棒状高分子、分子内で会合性が強く両親溶媒性高分子電解質であることが必要であることを解明した。このような構造を有する高分子は、容易に自己凝集、流動配向、液晶形成することが期待され、イオン濃度変化を利用することで、ナノオーダーの会合体形成が制御できる。さらに、精密重合方法により分子量、分子量分布、立体構造が制御することができれば、制御されたナノオーダー構造を有し、環境低負荷型高分子材料の実現が可能となる。(1)カイコグループの研究成果カイコの紡糸方法と繊維形成メカニズムの解明において、カイコは種々の紡糸方法を取り入れた総合的な紡糸方法で、繊維形成を行っていることを明らかにした。カイコ体内の絹糸腺より生合成された液状絹は、金属イオンによってタンパク質濃度を高め、フィブロイン分子鎖をネットワーク状態に形成させる。物理的ゲル状態になったフィブロインは金属イオンの作用により、物理的架橋点の絡み合いを解除し自己凝集する。その後、流動配向によって、フィブロイン分子鎖が配向しネマチック液晶状態をとり、カイコの力で延伸され、高配向の繊維が形成されるという一連の高分子構造形成のシステムを明確にした。絹糸腺中のフィブロインのゲルーゾル転移機構を明らかにするために、絹糸腺中に含まれる無機イオン濃度の測定、希薄絹フィブロイン水溶液の粘弾性測定、絹フィブロインの塩溶液の拡散速度解析より、カルシウムとカリウムイオン濃度変化によって異なることを明らかにした。このことにより、カイコはカルシウムイオンによってゲルを安定的に保存し、カリウムイオンによってゲルーゾル転移を起こしていることを明らかにした。247カイコの中部絹糸腺から得られる未変性絹フィブロイン水溶液、ならびに繭から熱的・化学的処理により調製した再生絹フィブロイン水溶液の構造とダイナミックスを、光散乱・粘弾性手法を用いて系統的に調べ、溶液構造と分子運動の関係を明らかにするとともに、絹糸腺中の各部・区に存在する金属イオンの種類・濃度変化がカイコの紡糸機構の支配的な因子であることを解明した。すなわち、絹フィブロイン溶液は中の分子は水溶液中では単一鎖として存在せず、すべてクラスターとして存在し、そのクラスターが集合することにより、さらに、大きな集合構造を形成することを明らかにした。また、絹フィブロイン溶液は擬塑性流動を持つ弾性ゲルで、系全体にわたって大きな網目を持ち、力学的に弱い網目構造を形成している溶液であることを解明した。カイコやクモが絹糸を形成する際、大気中の二酸化炭素を絹タンパク質の構成成分であるアミノ酸のカルボニル基として取り込むことを明確にした。エリ蚕フィブロインタンパク質の構造形成過程を解明から織物状の構造が観察された。この構造はラミンタンパク質が生物の細胞を形成する際にその形態を支える細胞骨格と呼ばれる構造と類似する。このような構造物を人工的に作り出すことで医療材料などに利用でき、あらたな生体材料が開発されることも期待される。絹糸中の金属イオンの解析において、繭繊維や絹糸を260～300℃で加熱処理すると、繊維中に孔が形成されることを観察した。絹繊維や繭繊維を高温度で熱処理することにより、絹タンパク質の中空糸が得られることを明らかにした。高結晶性セルロースを酸で処理した微結晶性懸濁液と、フィブロインを中性塩溶液に溶解し透析した水溶液を、それぞれ混合し常温で乾燥すると、得られた混合フィルムの強度とヤング率は単一フィルムのものより増加した。フィブロイン分子鎖が、低エネルギーで高結晶性セルロース分子に結晶面配向することを明らかにした。カイコの構造形成の特徴は繊維の構造形成を終了する前に、必ず、水分子を簡単に排除するとともに、すぐに、強固な水素結合を作り、ガラス転移温度を高温度に上げ、寸法安定な繊維を作っていることが分かった。絹糸の中の金属イオンを解明する時に、繭繊維や絹糸を260～300℃で加熱処理すると、繊維の中に孔が作られることを走査型電子顕微鏡で観察された。絹繊維や繭繊維を高温度で熱処理することにより、中空糸が作られることを見つけ出した。高結晶性のセルロースを酸で処理し、微結晶性懸濁液と塩溶液にフィブロインを溶解し、透析した混合水溶液を、常温で乾燥すると、フィブロイン分子鎖が高結晶性のセルロース分子に面配向したために、フィルムの強度とヤング率が増加した。このことによりフィブロイン分子鎖が低エネルギーでセルロース結晶面配向することを明らかにした。248(2)木材グループ植物体の高分子形成機構を解明するために、シラカバから得られたプロトプラストに過剰のカルシウムを加え、pHを変化させ、過剰の二酸化炭素の環境下で約3ヶ月間培養すると、プロトプラストよりカロース繊維が細胞外へ生産することを見出した。これはプロトプラストの再生過程で、細胞分裂が行われず、プロトプラストの細胞壁よりカロースの高次構造が生合成され、巨大な繊維が形成していることを示してい