化学合成で「クモの糸」を作り出す

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スポットライトリサーチ

化学合成で「クモの糸」を作り出す

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第79回のスポットライトリサーチは、理化学研究所　環境資源科学研究センター酵素研究チーム（沼田研究室）・土屋康佑 上級研究員にお願い致しました。

土屋さんの所属する沼田研究室は、機能性高分子材料としての「ポリアミノ酸」の合成法開発と機能開拓研究に精力的に取り組んでおられます。今回紹介する研究はその流れの中で、「クモの糸」の構造を模した高分子材料を酵素合成によって作り上げた成果です。プレスリリース・原著論文として公開されていました。

“Chemical Synthesis of Multiblock Copolypeptides Inspired by Spider Dragline Silk Proteins”
Tsuchiya, K.; Numata, K. ACS Macro Lett. 2017, 6, 103. DOI: 10.1021/acsmacrolett.7b00006

研究室を主宰される沼田圭司チームリーダーは、土屋さんを以下の様に評しておられます。

土屋さんは、非常に温厚かつ平等で、ラボメンバーとも上手く仕事を進めています。最近、土屋さんの特殊な能力として強く感じる点は、異分野の研究内容を理解する速度が他のメンバーと比べて格段に速いという点です。うちの研究室では、高分子科学と植物科学の融合をテーマに研究を進めていますが、両方を理解しているメンバーはいません。しかしながら、土屋さんは両方に寄与することができる最初の人材になるかもしれません。今回の研究では、東工大上田先生の研究室で習得された重縮合の知見を利用して、当研究室の酵素重合を拡張してくれました。今後は、高分子合成技術を利用して、植物科学や構造タンパク質の分野にブレイクスルーを起こすライジングスターになるでしょう。

Q1. 今回のプレス対象となったのはどんな研究ですか？簡単にご説明ください。

クモの牽引糸は鋼鉄に匹敵する高い強度を持ちながら延伸性の良い生体由来の高タフネス材料です。しかし、天然由来のクモ糸を家畜化して集めるのは至難の業です。実際に当研究室でもジョロウグモを飼育していますが、すぐに共食いをしてしまいます。そこで、化学合成的な手法を使って、低コストで人工的にクモ糸様の高分子材料を合成することができれば面白いと考えました。

クモ牽引糸が高強度を示す理由はクモ糸タンパク質の持つユニークなアミノ酸配列にあります。ポリアラニン配列とグリシンを多く含む配列が交互に繰り返される部分が多くを占め、これがポリアラニン由来の硬いβシート構造を基とした高次構造を作り上げます。本研究では、この一次構造をマルチブロックポリペプチドとして捉え、二段階の合成手法によりクモ糸タンパク質に類似した構造を持つ高分子を合成した結果、クモ糸と似た二次構造を形成することを見出しました。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

本研究で用いている酵素重合法はアミノ酸エステルをモノマーとしてポリペプチドを合成する手法です。NCAの開環重合のように高重合体を得ることは難しいですが、タンパク質の部分構造であるペプチドモチーフ程度の分子を合成するのに好都合でした。水系で反応が進行する非常にクリーンな合成法で、今後の持続可能社会に向けた高分子産業において非常に魅力的な手法だと思っています。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか？またそれをどのように乗り越えましたか？

ポリペプチドは二次構造をはじめとした様々な高次構造を形成するため、側鎖や末端部位での化学反応へ大きく影響を及ぼすことがあります。今回の高分子合成でも、βシートを形成しやすいポリアラニンの溶解性の悪さもあり、フラグメント間の縮合反応がなかなかうまくいきませんでした。様々な縮合剤や重合条件など試行錯誤の結果、分子量はまだまだ天然のクモ糸に比するに至りませんがマルチブロックコポリマーを合成することができました。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？

実はポリペプチドなどのバイオ高分子を研究対象とするようになったのは理研に来てからで、以前は電子デバイスへの応用に向けた高分子合成に携わっていました。今は応用分野に特にこだわりはなく、ワクワクするような高分子材料を合成することで様々な分野で社会貢献できればと思います。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

私はこれまでいくつかの大学に所属し、その先々で全く異なる研究テーマに従事してきました。その中でいろいろと浮き沈みがありましたが、今思うのはこれまでに経験してきた事は決して無駄にはならず、必ず何かの局面で武器になりうるということです。現在所属している理研の研究室はクモ糸だけでなく様々な植物を扱う研究も行っており、非常に学際的な研究環境にいます。高分子化学を専門としている身としてよい刺激を受けつつ、自分の持ち味を研究に生かせていると感じています。皆さんも、研究生活の中でうまくいかない事も多いと思いますが、必ず次につながると信じて頑張ってください。

研究者の略歴

土屋　康佑（つちや　こうすけ）

理化学研究所　環境資源科学研究センター　酵素研究チーム・上級研究員

現在のテーマ：酵素反応を利用した人工構造タンパク材料の開発

略歴：２００７年３月に学位取得（東京工業大学大学院有機・高分子物質専攻　上田充研究室）。その後東京農工大学助教、近畿大学分子工学研究所助教などを経て現職。

この記事を書いた人
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cosine

博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。