大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年06月09日

2016年6月6日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

背景
　蚕が自然界で生活する上で、繭は外部からの攻撃や温度・湿度変化から自身を保護するために欠かせないものです。我々人間は古くからシルクを繊維として用いて、その美しい光沢を利用した織物を製造してきました。近年ではシルクの軽量かつ丈夫で、生体適合性と生分解性を持つという性質に注目が集まり、構造材料や医療材料として利用するための研究開発が進められています。シルクは、繊維、ハイドロゲル^[9]、フィルム、スポンジにも加工可能であるため、再生医療^[10]やドラッグデリバリーシステム^[11]への使用も検討されています。一方で、シルクのアミノ酸配列の具体的にどの領域が、熱的性質や機械的性質に影響を及ぼすのか、詳細は分かっていません。今後シルクを材料として利用するためにも、詳細の解明が望まれていました。

研究手法と成果
　国際共同研究グループは、家蚕から4種類、野蚕から10種類、計14種類の繭糸を用いて実験を行いました（図1）。試料の一部として、信州大学繊維学部（文部科学省ナショナルバイオリソースプロジェクト(NBRP,RR2002)“カイコ遺伝資源”）から蚕繭の分譲を受けています。 　熱重量分析および示差走査熱量分析を行ったところ、野蚕は家蚕よりも熱分解温度が30℃ほど向上しており、より高温に強いことが分かりました。
　引張試験では、野蚕の場合、家蚕よりも明確な降伏点が観察されました（図2）。SPring-8^[12]の理研ビームライン（BL45XU）でX線散乱実験を行ったところ、野蚕は家蚕と比べて結晶子のサイズが1ナノメートル（10億分の１メートル）程度大きいことが分かりました。これは、家蚕の場合、グリシンを交互に含む繰り返し配列によって結晶領域が構成されている一方で、野蚕の場合、アラニンの連続配列によって結晶領域が形成されていることの違いと考えられます。
　アミノ酸配列と熱的安定性の関係を調べた結果、アラニンの連続配列の含有率が大きいほど、熱的安定性が高くなる傾向があることが分かりました(図3)。アミノ酸配列について、嵩高い側鎖を持つアミノ酸を多く含む種類の蚕は機械的強度が弱いことが分かりました。またグリシンを交互に含む領域の含有率が高いほど機械的強度が向上することが分かりました。

今後の期待
　化石燃料の枯渇と地球環境保護の観点から、石油代替材料の推進が望まれています。軽量で丈夫でありながら生体適合性と生分解性を持つシルクは、次世代材料として注目されています。本研究では、シルクのアミノ酸配列が機械的物性、熱的安定性、結晶構造に及ぼす影響を評価しました。例えば、熱的安定性の評価はシルクの熱加工時の温度設定に反映されます。これらの知見は、シルクの強度、吸湿性、延伸性などを自在に制御した人工シルク材料の創製につながると期待できます。

【補足説明】
[１] 家蚕
家畜化された蚕。Bombyx moriが相当する。

[２] 野蚕
家蚕の対義語でシルクを生産する野生の蚕。

[３] 熱重量分析
加熱に伴う、試料の質量変化を経時観察する分析法。

[４] 示差走査熱量分析
高分子のガラス転移、結晶化、融解現象を熱流変化として検出する分析法。

[５] 引張試験
試験片に一定の伸びを与えたときの抵抗力の大きさを調べる試験。

[６] 降伏点
材料を引っ張る際や圧縮したりする際、ひずみ量が応力に比例しなくなる点。

[７] X線散乱法
高強度のX線を試料に照射し、試料中の規則的な結晶構造に伴う干渉縞を検出し、試料の結晶構造を解析する手法。

[８] 結晶子
単結晶とみなせる最大の集まり。

[９] ハイドロゲル
三次元網目構造を持つ高分子が水を含んで膨潤した物質の総称。

[10] 再生医療
怪我や病気で組織や臓器が欠損した際、自身の幹細胞を用いて機能を回復させる医療。

[11] ドラッグデリバリーシステム
生体内での薬物分布を制御して、薬効を最大限に高めると同時に、副作用を最小限に抑えることを目的とした技術。

[12] SPring-8
兵庫県播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理研の大型放射光施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。