大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年01月31日

2024年1月31日
理化学研究所
京都大学

背景
　クモの糸は、人工繊維とは異なる驚くべき力学特性を示すため、高分子科学や材料科学分野では長きにわたり研究対象となっています。加えて、クモの糸は生体適合性と生分解性を備えているため、再生医療や環境循環型材料開発において多大な可能性を秘めた生体高分子と考えられています。そのため、クモ糸を人工的に生産するさまざまな試みが、幅広い戦略を用いて行われてきました。
　しかし、天然クモ糸の力学特性を再現することは困難であり、現在まで実現していません。その理由として、クモ糸の力学特性がスピドロインと呼ばれるタンパク質から成る複雑な階層構造に大きく依存している点が挙げられます。自然界、つまりクモの体内では、化学的・物理的要因の複雑かつ段階的な変化により、スピドロインの自己組織化^[4]が引き起こされています。このような背景の下、共同研究グループはマイクロ流体工学を利用することで、クモの紡糸機構という複雑なプロセスを模倣することを目指しました。

研究手法と成果
　共同研究グループは、クモの紡糸腺の複雑な機能を模倣することを目的とし、図1に示すようなマイクロ流体デバイスを設計しました。このマイクロ流体デバイスは三つの流入口にそれぞれ1.可溶性タンパク質前駆体（この場合、組換え生産されたMaSp2スピドロイン）溶液、2.イオン交換勾配を作り出す液-液相分離（LLPS）^[7]トリガー、3.pH勾配を作り出す繊維化トリガーが導入され、流出口に向かって粘弾性せん断応力を加えて繊維の形成を促進します。
　流出口に陰圧を加えることにより流路内に入った可溶性スピドロイン溶液は、セクションAにて、ナトリウムイオンと塩化物イオンが豊富な溶液から、カリウムイオン、リン酸イオン、および関連イオンが豊富な溶液へと置換されます。これにより、可溶性スピドロインが不溶性繊維に変化するために欠かせない中間段階であるLLPS現象が促進されます。さらにセクションBでは、pHを弱塩基性から弱酸性に変化させ、これが網目状の微小な繊維（ナノフィブリル）構造体が自己集合する引き金となります。さらに、セクションCにて、スピドロインの分子構造の変化を誘起するとされるせん断応力を加え、スピドロインから成るナノフィブリルを配向（繊維方向と同じ方向に沿って並ぶこと）させることで繊維化を達成します。

　さまざまな実験条件の最適化を経て、マイクロ流体デバイス中で人工クモ糸が形成されました。図2では多様な顕微鏡を用いて観察されたマイクロ流路内での段階的な繊維形成を示しています。スピドロインの希薄な溶液から始まり、LLPSによるスピドロインの液滴への凝縮（セクションA）、pH5までの酸性に暴露（セクションB）することで形成された細い繊維（直径5～10マイクロメートル（μm、1μmは100万分の1メートル））が出口に向かって伸びている（セクションC）ことが観察されました。

　最適化された条件下では、マイクロ流体デバイス内での繊維形成は高い再現性を示しました。驚くべきことに、完全な水中条件で生産されたにもかかわらず、マイクロ流体デバイスで組み立てられた人工クモ糸は水に不溶であり、蒸留水中でも有意な構造変化は認められませんでした（図3）。また、組み立てられた繊維には繊維軸方向に配向した束状のナノフィブリルから成る構造が確認されており、階層構造の形成を示唆しています（図2および図3）。このような階層構造は、クモ糸の優れた力学特性を再現するために必須であることが知られています。

　加えて、天然のクモ糸が示す高い引っ張り強度と靭性は、スピドロインの特徴的な構造変化であるβシート結晶の形成と配向に起因すると考えられています。そこで、ラマン分光法^[8]や広角X線散乱（WAXS）^[9]などの技術を使用して、形成された繊維の構造解析を実施することで、マイクロ流体システムのβシート構造を誘起する能力を評価しました（図4a）。注目すべきことに、マイクロ流体システムでは、繊維の組み立てが無秩序なタンパク質構造からβシートに富んだ構造への移行を伴っていることが示されました。重要なのは、βシートの組成がデバイスにかかる圧力と直接比例していたことです（図4b）。さらに、共同研究グループはスピドロインのレオロジー^[10]解析を行うとともに、繊維化プロセスにおけるマイクロ流体デバイス内の物理的・化学的パラメータの変化を計算し（図4c）、βシートの形成とせん断応力の比例関係を示すことに成功しました。

今後の期待
　本研究成果は、環境に優しい条件下で、自己集合化の過程を経て複雑な階層構造を持つ人工クモ糸を大量生産するための出発点となります。人工クモ糸の生産に限らず、高分子材料を環境低負荷なプロセスで成形加工することは、多くの産業分野で求められており、新たなグリーンテクノロジーとして、多様な高分子素材を製造するアプローチの開発に大きな影響を与えることが期待されます。
　本研究成果は、国際連合が定めた17項目の「持続可能な開発目標（SDGs）^[11]」のうち、「3.すべての人に健康と福祉を」「7.エネルギーをみんなにそしてクリーンに」「9.産業と技術革新の基盤をつくろう」「11.住み続けられるまちづくりを」「13.つくる責任 つかう責任」に貢献するものです。

【用語解説】

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、慶應義塾大学　先端生命科学研究所　特任教授）
　上級研究員　マライ・アリ・アンドレス（Ali Andres Malay）
　特別研究員（研究当時）　チェン・ジャンミン（Chen Jianming）
　（香港理工大学　Research Institute for Intelligent Wearable Systems, Research Centre of Textiles for Future Fashion,School of Fashion and Textile 助教)
　開拓研究本部　新宅マイクロ流体工学理研白眉研究チーム
　理研白眉研究チームリーダー　新宅博文　（シンタク・ヒロフミ）
　テクニカルスタッフⅡ　土田　新　（ツチダ・アラタ）

京都大学　大学院工学研究科
　教授　浦山健治　（ウラヤマ・ケンジ）
　助教　辻　優依　（ツジ・ユイ）
　修士課程　葛本真子　（クズモト・マコ）

東京大学　大学院工学系研究科
　准教授　土屋康佑　（ツチヤ・コウスケ）
　（理研　バイオ高分子研究チーム　客員研究員）

高輝度光科学研究センター
　主幹研究員　増永啓康　（マスナガ・ヒロヤス）

研究支援
　本研究は、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事業「バイオ・高分子ビッグデータ駆動による完全循環型バイオアダプティブ材料の創出（研究総括：沼田圭司）、科学技術振興機構（JST）「共創の場形成支援プログラム（プロジェクトリーダー、沼田圭司）」による助成を受けて行われました。SPring-8 BL05XUを利用して実施されました。