【研究領域課題番号】19H03045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / 炭酸カルシウム / 真珠 / アラゴナイト / アコヤガイ / キチン / 有機基質 / 結晶成長

【研究成果の概要】

本研究は、アコヤガイの貝殻の真珠層形成において、1「有機薄膜の分泌調節」、2「有機薄膜の自己組織化」、3「炭酸カルシウム結晶成長制御」の3つのパートに分け、それぞれについて研究を進めることで、真珠層形成の分子メカニズムについて明らかにすることを目的としている。1「有機薄膜の分泌調節」について、これまでに検討した固定化方法、樹脂を用いて超薄切片を作製し、電子顕微鏡内で金ナノ粒子によるキチン合成酵素の局在解析を行った。特定の周期に金ナノ粒子が配置しているように観察されたため、キチン合成酵素の局在そのものが炭酸結晶の厚みを制御している可能性が示唆された。2「有機薄膜の自己組織化」について、分泌されたキチンと強固に結合し、有機薄膜形成に強く関係すると思われるメチオニンに富むタンパク質について、どのような相互作用で凝集しているのか合成ペプチドなどを用いて解析を進めている。3「炭酸カルシウム結晶成長制御」について、真珠層の炭酸カルシウム結晶形成に関与するタンパク質であるPifの繰り返し配列であるDDRKモチーフが、どのように炭酸カルシウムと相互作用するのかNMRを用いた構造解析を行った。特にN末端のDが2番目と5番目、6番目のDと挙動が異なる様子が見られたため、2021年度は特にN末端のDについて着目し、N末端をGにした場合とDにした場合とで比較を行った。その結果、N末端をGにした方が4つのDが同一平面状に配置し、炭酸カルシウム結晶の特定の面に吸着する可能性が高まることが示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究領域課題番号】19H02009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / 可視化 / 炭酸カルシウム / 非晶質相

【研究成果の概要】

本研究では、生体内を模したゲル状物質内で炭酸カルシウムの合成実験を行い、蛍光プローブを用いてゲル内における炭酸カルシウム形成環境のpHおよびイオン濃度を可視化することにより、生体鉱物形成プロセスを物理化学的に理解することを目指した。その結果、ゲル状物質内でイオンが拡散して炭酸カルシウムが形成する過程におけるpH変化を捉えることに成功し、場所によるpH変化の傾向の違いが、形成する結晶の形態の違いに影響を及ぼしていることを示唆した。さらにこの手法を共焦点システムに適用して形成した結晶周囲の局所的なpH変化を捉えることに成功し、多形や形態の違いを局所的な環境変化と関連付けて議論することを可能とした。

【研究の社会的意義】

本研究において、ゲル状物質内で結晶が形成する局所的な環境変化を蛍光プローブを用いて可視化する手法を確立できた。このことにより、(1) 結晶多形や形態の違いが生じる要因を、個々の結晶の形成条件と関連づけて議論することが可能になった。(2) 蛍光プローブを用いた可視化手法が、水溶液中だけでなく、ゲル状物質内での反応などに幅広く利用できることが示された。以上により、生体鉱物やその他の結晶形成メカニズムの理解を促進させるのみならず、材料の評価や新素材の開発に利用することで、新たな知見をもたらすことができると期待できる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】生物有機化学

【研究領域課題番号】16K20995 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アコヤガイ / 炭酸カルシウム / 結晶欠陥 / ナノファイバー / バイオミネラリゼーション / 有機基質 / 結晶成長 / 方解石 / 真珠 / キチン / 生理活性 / 応用動物 / 水産学

【研究成果の概要】

貝殻のカルサイト結晶には有機物ナノファイバーが含まれるが、これがキチンとキチン分解酵素の複合体であることを明らかにした。キチン分解酵素を作用させたキチンナノファイバーやキチン分解酵素の阻害剤を用いた研究により、カルサイト結晶の成長の過程でナノファイバーがしたキチンが結晶欠陥を誘導することを明らかにした。本研究において申請者は貝殻に含まれるキチン分解酵素がキチンの繊維をナノ化することで、カルサイト結晶の欠陥を増幅し、強度を高めるという役割があることを初めて明らかにした。

【研究の社会的意義】

本研究の成果により、アコヤガイの貝殻における有機物ナノファイバーの形成機構と機能が明らかとなった。有機物ナノファイバーを有効利用することができれば、真珠養殖後に大量に廃棄される貝殻の付加価値を高めた再利用法に開発に役立つ可能性が考えられる。また、キチン分解酵素を用いて繊維をナノ化し、結晶欠陥を制御することで新たな材料合成の開発に繋がる可能性が考えられる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15H02179 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハイブリッド材料 / 自己組織化 / バイオミネラリゼーション / 結晶成長 / コロイド粒子 / 液晶 / アモルファス / ヒドロキシアパタイト / 無機有機融合材料 / 複合材料」 / 機能性高分子 / 融合マテリアル / 分子制御 / 有機無機複合材料 / 液晶高分子 / 炭酸カルシウム

【研究成果の概要】

水溶性高分子によって安定化した無機結晶のアモルファス前駆体の結晶化を、高分子基板で制御することにより、形状や配向を制御したヒドロキシアパタイトや酸化亜鉛の薄膜結晶を作製する手法を開発した。また、アモルファス無機粒子を異方的なコロイド結晶へと制御して変化させることにより、世界初となる炭酸カルシウムやヒドロキシアパタイトの液晶化にも成功した。さらに高分子ゲルと無機結晶を精密に複合化することにより、透明なアモルファス構造やらせん構造を有する無機／有機融合材料を得た。

【研究の社会的意義】

高分子の相互作用を利用することにより、生体親和性や生分解性の高い炭酸カルシウムやリン酸カルシウム、あるいは光機能性の酸化亜鉛などの結晶化を温和な条件下において制御する様々な手法を構築した。炭酸カルシウムやリン酸カルシウムの液晶化は世界初という学術的な価値だけでなく、低環境負荷であるこれらの素材から常温・常圧のプロセスにより機能性材料を作製するという環境・資源問題に資する社会的意義のある成果を達成している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【研究分野】生物有機化学

【研究領域課題番号】25850078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラル / 炭酸カルシウム / アコヤガイ / モノアラガイ / 酸性ペプチド / キチナーゼ / バイオミネラリゼーション / アラゴナイト / 靱帯 / LICP / TIMP / ペプチド / 結晶欠陥 / 真珠層 / 稜柱層 / カルサイト / 靭帯 / 石灰化

【研究成果の概要】

軟体動物の貝殻はバイオミネラルの一種であり、炭酸カルシウムと少量の有機基質から構成され、様々な微細構造を形成する。私達はアコヤガイの蝶番部に存在する靭帯から新規の酸性ペプチドLICPを明らかにした。私達はLICPがアラゴナイト結晶のc軸方向の成長を止め、繊維状のアラゴナイト結晶の形成に関与することを明らかにした。また、モノアラガイの貝殻抽出液にキチナーゼ活性を見出し、キチナーゼが貝殻の再構成に関与する可能性を見出した。本研究において、私達は軟体動物の貝殻微細構造の形成に重要ないくつかの有機基質の機能を明らかにすることができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】水産化学

【研究領域課題番号】18380124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / マガキ / 炭酸カルシウム / 石灰化 / クモ糸様タンパク質 / 凝集沈殿剤 / 貝殻 / クモ糸様タンパク / ペプチド / クモ系 / バイオミネラリゼーシ / カルシウム / 外套膜

【研究成果の概要】

貝殻は炭酸カルシウムを主成分とする鉱物であるが、炭酸カルシウムの単純結晶である方解石やあられ石とはことなり、5%程度の有機物を含んでいる.貝殻形成の分子機構については長く不明のままであったが、本研究においては、申請者はマガキを用いて、貝殻中に新たに申請者らによって見出されたクモ糸様タンパク質の貝殻形成における機能ならびにこのタンパク質の産業応用について研究を行い、ナノテクノロジーや水質浄化剤への貝殻の応用の可能性を提示した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,600千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 1,800千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】17655048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / 人工タンパク質 / 環境材料 / 高分子 / 結晶成長

【研究成果の概要】

物が鉱物を作ることをバイオミネラリゼーションという。代表的なバイオミネラルとして歯や骨、貝殻真珠層や甲殻類の外骨格などがある。我々は本研究において甲殻類(アメリカザリガニ)の外骨格より単離した石灰化に関与するタンパクCAP-1を用いて人工的に炭酸カルシウム/キチン複合体の作製およびその配向制御に成功した。CAP-1の存在下、キチンマトリクス上に炭酸カルシウム結晶を成長させると、一軸に配向した薄膜結晶が成長することを見出した。また、組み換えタンパクや合成オリゴペプチドを用いて対照実験を行い、70残基目のリン酸部位が表面モルホロジーに重要な影響を与えていること、CAP-1中央部にあるキチンと特異的に結合する部位(リバース・リジフォードコンセンサス配列)が、一軸に配向した薄膜結晶の形成に必要であることを見出した。本年度は、巨視的な配向を目指し、液晶性高分子の配向性に着目した。液晶性キチン誘導体のフィルムにせん断を引加して得た配向キチンマトリクスを結晶成長の基板に用いたところ、ポリアクリル酸存在下、内部に長さ80μm、直径10μm程度のロッド状の炭酸カルシウム(カルサイト)がキチンマトリクスの配向に沿って形成した。内部に成長したロッド結晶は、微結晶の集合体であり、さらに結晶c軸をマトリクスの配向にそろえて成長していた。キチンマトリクスの巨視的な配向が炭酸カルシウム結晶成長のテンプレートとして働いた事を示している。すなわち有機・無機双方が配向した新しい複合材料の開発に成功した。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15655038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / ゲル / パターン形成 / 結晶成長 / 多糖誘導体

【研究成果の概要】

生物がつくり出す貝殻や真珠、骨や歯のような無機/高分子複合体は、我々が容易に模倣できない精緻な構造を有し、すぐれた性質・機能を示す。このようなバイオミネラルの形成プロセス、すなわちバイオミネラリゼーションに倣い、無機/高分子複合体を人工的に、かつ自己組織的に作製できれば、高機能・高性能かつ環境低負荷性の複合材料が得られるはずである。我々は、炭酸カルシウムと有機高分子からなる複合材料をバイオミネラリゼーションに倣った自己組織化プロセスにより構築してきた。本研究では、炭酸カルシウムの結晶化にソフトなゲルを形成する合成高分子を用いて炭酸カルシウムの形態制御を行い、自己組織的にパターン構造を作製することに世界で初めて成功した。
ポリアクリル酸などの水溶性高分子添加物の存在下、プルランのコレステロール誘導体をマトリクスに用いて炭酸カルシウムのパターン構造を形成させた前年度の知見から、マトリクスと水との複合構造がパターン構造形成に深くかかわっていると考えた。そこで、本年度は有機高分子マトリクスとして分子量やケン化度で水との相互作用が変化するポリビニルアルコールを用い、パターン化薄膜の形成を試みた。その結果、周期がマイクロメートルオーダーの同心円状の炭酸カルシウム凹凸パターン薄膜の形成に成功した。このパターン薄膜は光の回折現象により、干渉色を呈することも分かった。また、ポリビニルアルコールマトリクスの加熱処理条件やケン化度によって、薄膜のパターン周期が変化したことから、下地であるマトリクスの構造が結晶成長に影響を及ぼすことが分かった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】10875188 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / 有機無機複合体 / 炭酸カルシウム / アラゴナイト / カルサイト / 薄膜 / 相互作用 / 自己組織化 / 有機 / 無機複合体 / 機能性高分子 / 高分子

【研究成果の概要】

自然界における真珠や貝殻などのバイオミネラルにおいては,無機結晶と生体高分子が精緻な積層構造を形成し,これが強靭さや独特の光沢を発現している。このようなナノレベルでの精密構造を人工的に構築できれば,環境低負荷の新しい高性能/高機能材料が得られると考えられる。本研究においては,天然高分子のキチンやキトサンの薄膜あるいは繊維上に,炭酸カルシウム飽和水溶液から,均一な炭酸カルシウム薄膜を形成させ,有機高分子/無機複合薄膜を作製することに成功した。形成する無機薄膜の均一な厚みは,条件により0.6μmから1.0μmまでに制御することができた。すなわち,炭酸カルシウム水溶液中に,ポリアクリル酸・ポリアスパラギン酸などのカルボキシル基含有高分子がある一定濃度存在する場合,カルボキシル基と相互作用可能な官能基を有する高分子固体マトリクス上に炭酸カルシウムの薄膜が形成することを見出した。さらに,高分子と炭酸カルシウム薄膜の形成を交互に行うことにより,積層した有機/無機薄膜を作製できた。炭酸カルシウムには,カルサイト・アラゴナイト・バテライトの三種の結晶形(多形)があるが,天然真珠を構成しているのはアラゴナイトである。このアラゴナイトは人工的に形成させるのは最も困難である。先に述べた薄膜形成系においても,得られたのはカルサイトとバテライトの薄膜のみであった。しかし,さらにマグネシウムイオンを添加することで,アラゴナイトの薄膜を形成することにも成功した。生体から抽出したタンパク質ではなく,このような単純な高分子や無機イオンの相互作用で,多形が制御された炭酸カルシウムの薄膜が形成した例はなく,新しいマテリアルの構築手法として意義が大きいと考えている。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)