大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年10月13日

2022年10月13日
理化学研究所
京都大学
慶應義塾大学先端生命科学研究所

背景
　クモ糸は高い強度とタフネスを示す天然繊維であり、既存の石油由来高分子材料に代わるバイオ素材として注目を集めています。クモの種類やクモ糸を構成するタンパク質の違いによって幅広い物性を示すことから、人工的に合成したクモ糸は次世代の高強度構造材料をはじめ、さまざまな用途への展開が期待されています。
　しかし、天然のクモ糸タンパク質の種類やアミノ酸配列がどのような物性を与えるのかは完全には解明されていません。複数の種類があるクモ糸の中で特に高いタフネスを示す牽引糸のタンパク質について、アミノ酸配列と物性の関係について調べた報告はあるものの限定的であり、材料物性を制御した人工クモ糸材料を合理的に設計するには、天然クモ糸の構造と物性の相関に関する包括的な知見が必要です。
　本研究では、世界中に分布しているさまざまな種類のクモを集め、多様なクモ糸タンパク質の構造と物性についてデータベースを構築することにより、得られたデータを総合的に解析することを目指しました。

研究手法と成果
　国際共同研究グループは、アジアやアメリカ、ヨーロッパなど世界の各地域に生息する1,000種以上のさまざまなクモを採集した後、それぞれのクモの細胞からRNAを抽出し、クモ糸に含まれるクモ糸タンパク質の種類やアミノ酸配列などの遺伝子情報を解析しました。また、それぞれのクモから採取した牽引糸について、力学物性（引張強度、伸び率、タフネス）や熱分解性、糸の直径など12種類の物性を測定しました。さらに、大型放射光施設「SPring-8」^[4]を用いたX線散乱^[5]によりクモ糸の結晶構造に関するデータも取得しました。採集したクモは系統的に分類され、RNAによる遺伝子情報（RNA塩基配列とアミノ酸配列）と物性データとをひも付けることでデータベースを作成しました（図1）。
　これまでにアミノ酸配列が明らかにされているクモ糸タンパク質は52種のクモに由来し、タンパク質の種類も限定的でしたが、今回のデータベースはそれをはるかに上回る種類のクモからクモ糸タンパク質のデータを取得できました。これは世界で初めて網羅的にクモ糸タンパク質の構造とクモ糸の物性を組み合わせたデータであり、「Spider Silkome Database」として公開します。

　次に、作成したデータベースを用いて、クモ糸タンパク質のアミノ酸配列と力学物性の相関について調べました。まず、クモ糸の物性について解析したところ、例えばクモ糸のタフネスはクモの種類によってさまざまな値をとることが分かりました（図2a）。また、クモ糸を構成するタンパク質の種類に着目すると、牽引糸を構成するMaSpタンパク質^[6]の種類によりタフネスの値に有意な差が得られ、MaSpタンパク質のサブタイプがクモ糸のタフネスに大きく寄与していることが示唆されました。
　さらに、MaSpタンパク質に含まれるいくつかのアミノ酸モチーフがタフネスなどの物性に強く相関することが明らかになりました。特にMaSpタンパク質に含まれる特定のアミノ酸モチーフが、タフネスの値と正の相関があることが分かりました（図2b）。

今後の期待
　本研究では、世界各地域の1,000種を超えるクモからクモ糸タンパク質のアミノ酸配列とクモ糸の力学物性のデータを集めることでデータベースを作成しました。このデータから、クモ糸の持つ高いタフネスに寄与するアミノ酸モチーフを同定することに成功しました。これらの知見に基づいて、今後アミノ酸配列から物性を予測した合理的な分子設計をすることで、自在に人工クモ糸材料を創製できるものと期待できます。
　今回の結果は、石油由来の構造材料を代替する新しいバイオ高分子材料の創製につながると予想され、国際連合が2016年に定めた17項目の「持続可能な開発目標（SDGs）^[7]」のうち「12.つくる責任つかう責任」に大きく貢献するものです。

補足説明

国際共同研究グループ
理化学研究所　環境資源科学研究センター　バイオ高分子研究チーム
　チームリーダー　沼田　圭司　（ヌマタ・ケイジ）（京都大学　大学院工学研究科　教授）
　上級研究員　マライ・アリ・アンドレス　（Malay Ali Andres）
　特別研究員（研究当時）　ジョアン・チュア　（Jo-Ann Chuah）
　特別研究員　クレイグ・ヘイミッシュ・キャメロン　（Craig Hamish Cameron）
　特別研究員（研究当時）　矢澤　健二郎　（ヤザワ・ケンジロウ）
　基礎科学特別研究員　オクタビアニ・ヌル・アリア　（Oktaviani Nur Alia）
　テクニカルスタッフ（研究当時）　伊福　菜穂　（イフク・ナオ）
京都大学　大学院工学研究科
　特定准教授　土屋　康佑　（ツチヤ・コウスケ）（理研　環境資源科学研究センター　バイオ高分子研究チーム　客員研究員）
　特定助教　チューン・ピン・フーン（Choon Pin Foong）
　特定職員　立石　綾香　（タテイシ・アヤカ）
慶應義塾大学　先端生命科学研究所
　教授　荒川　和晴　（アラカワ・カズハル）
　特任准教授　河野　暢明　（コウノ・ノブアキ）
　教授　冨田　勝　（トミタ・マサル）
　特任助教（研究当時）　藤原　正幸　（フジワラ・マサユキ）
高輝度光科学研究センター
　研究員　増永　啓康　（マスナガ・ヒロヤス）
Spiber株式会社
　研究員　佐藤　良太　（サトウ・リョウタ）
　研究員　大利　麟太郎　（オオトシ・リンタロウ）
　研究員　ダニエル・ペドラゾリ　（Daniel Pedrazzoli）
　研究員　篠原　麻夏　（シノハラ・アサカ）
　研究員　伊藤　雄介　（イトウ・ユウスケ）
　研究員　中村　浩之　（ナカムラ・ヒロユキ）
東京大学　大学院農学研究科
　技術職員　谷川　明男　（タニカワ・アキオ）
鹿児島大学大学院　連合農学研究科
　博士課程　鈴木　佑弥　（スズキ・ユウヤ）
ニューサウスウェールズ大学
　シニアリサーチフェロー　シーン・ブラミレス　（Sean J. Blamires）
トレント大学
　教授　二コラ・M・プーニョ　（Nicola M. Pugno）
　ポスドク研究員　ガブリエル・グレコ　（Gabriele Greco）
北京航空航天大学
　准教授　ジュアン・グアン　（Juan Guan）
シェフィールド大学
　上級講師　クリス・ホランド　（Chris Holland）
タフツ大学
　教授　デビッド・L・カプラン　（David L. Kaplan）
　ラボマネージャー　ルクサンダ・C・プレダ　（Rucsanda C. Preda）
マレーシア大学
　教授　クマー・スーデッシュ　（Kumar Sudesh）
インド工科大学
　准教授　ビマン・B・マンダル　（Biman B. Mandal）
ディーキン大学
　准教授　ランガム・ラジュコワ　（Rangam Rajkhowa）
蘇州大学
　教授　シャオキン・ワン　（Xiaoqin Wang）
　准教授　チャオズ・ツェン　（Zhaozhu Zheng）

研究支援
　本研究は、科学技術振興機構（JST）革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）「超高機能構造タンパク質による素材産業革命（プログラム・マネージャー：鈴木隆領、研究課題責任者：沼田圭司）」、同戦略的創造研究推進事業ERATO「沼田オルガネラ反応クラスタープロジェクト（研究総括：沼田圭司）」、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業学術変革領域研究（B）「高分子材料と高分子鎖の精密分解科学（領域代表者：沼田圭司）」、文部科学省データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクトFSおよび本格実施（研究代表者：沼田圭司）による助成を受けて行われました。