农业生物资源研究所特待研究员.pdf

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1、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243１.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

2、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

3、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

4、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

5、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244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

6、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

7、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

8、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、