【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】無機工業材料

【研究領域課題番号】19655078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

炭酸カルシウム / 酸性高分子 / バイオミネラル / 結晶成長 / 有機-無機複合材料 / 蛍光色素 / フォトクロミック色素 / ナノ結晶 / ハイブリッド / メソクリスタル / ホスト材料 / ナノ空間 / 有機色素

【研究成果の概要】

ナノ空間創出を目的とした高分子・CaCO_3系メソクリスタルの合成条件の確立とその構造解析
バイオミネラルに類似したナノ結晶が特定の秩序を持って配列したCaCO_3ナノ構造体を、カルボキシ基、フェニルスルポ基を持つ種々の酸性高分子との協奏的な結晶成長によって合成し、その結晶形、ナノ構造、マクロ形態との関係を調査した。これにより、結晶問のナノ空間創出に適した高分子と成長手法の選択を可能とし、高い比表面積とメソ細孔をもつホスト材料として、ポリアクリル酸(PSS)/カルサイト複合体、ポリスチレンスルホン酸(PSS)/バテライト複合体、スチレンスルホン酸マレイン酸コポリマー(PSS-MA)/カルサイト複合体(=メソクリスタル)を見出した。これらのメソクリスタルには、親水性、疎水性のいずれの色素も導入可能で、酸性高分子からなるナノ空間は両親媒的なホスト機能をもつことがわかった。PSSによるナノ空間は酸性環境であり、ベンゼン環に対する親和性が高く、蛍光色素の発光効率の向上やフォトクロミック色素の異性化反応に適していると考えられる。
意義と重要性これまでの高分子材料や有機無機ハイブリッド材料の多くは、メソ領域(10-100nm)での構造を持たない。本研究では、ナノクリスタルにおける高分子相に着目し、新規ホスト材料としてのメソコンポジットを提案する。メソコンポジットでは、すべての高分子鎖が表面に存在しており、スムーズに種々の色素などの有機分子の導入が可能で、柔軟に分子を取り囲むため、蛍光やフォトクロミックなどの機能発現に優れている。今後は、生物における色素分子の安定的な取り込みを参考に、機能分子の安定性向上による新機能発現や、薬剤導入とその徐放機能の活用によるドラッグデリバリーなどへの展開に期待が持てる。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】2,700千円 (直接経費: 2,700千円)

【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】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】14540444 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体鉱物 / 炭酸カルシウム / 有機単分子膜 / 結晶成長 / テンプレート / 電子後方散乱回析 / 結晶形態 / 希土類金属 / 結晶相 / 希土類元素 / 電子後方散乱回折

【研究成果の概要】

生物がつくる無機物質は一般に生体鉱物と呼ばれ,その形成機構は天然における通常の無機的な機構とは異なるととが予想される。本研究はこの生体鉱物の形成(生体鉱化作用)を実験室でシミュレートし,その機構をより詳しく解明することを目指した。そのため無機結晶としては貝殻等に一般的な炭酸カルシウム,また生体膜をシミュレートするものとして官能基(カルボキシル基)が表面に規則正しく配列した重合化単分子膜(具体的にはp-PDA膜)を選んだ。p-PDA膜をその表面に形成した基板を炭酸カルシウムの過飽和溶液に浸漬し,そこに成長する炭酸カルシウムの結晶相や結晶方位を,高分解能SEMに装着された電子線後方散乱回折法を用いて詳しく調べた。その結果,方解石のa軸の方位が非常に正確にp-pDA膜の重合方向に揃っていることが明らかになった。一方そのc軸は重合方向に垂直になっているが,その方向はかなりのバラツキを持っていた。この他に表面にはところどころ炭酸カルシウムの多形である霰石やバテライトも見られたが,p-PDA膜との一定の方位関係は持っていなかった。
一方溶液から成長する炭酸カルシウムの結晶形態に,微量な無機イオンがどのように影響するかという研究も行った。微量無機イオンとして希土類元素を添加し,特にランタン(La)の添加により方解石の結晶形態が大きく変化することを明らかにした。そしてその結晶構造との関連を電子後方散乱回折により明らかにした。この他にも昨年度立ち上げた電子後方散乱回折のシステムを用いて,円石藻のコッコリスを形成するサブミクロンサイズの方解石の結晶方位を明らかにすることに成功した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】化学工学

【研究領域課題番号】03805091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

反応品析 / 炭酸カルシウム / アミノ酸 / 結品成長 / 核発生 / 塩化ナトリウム / CO_2 / CO_2固定プロセス / CO_2固定 / 反応晶析 / 結晶成長 / 形状制御 / 球状晶 / 装置特性 / 難溶性炭酸塩 / 結晶形状 / 結晶粒径

【研究成果の概要】

平成3年度の炭酸カルシウムの反応品析及びバイオクリスタリゼーションに関する文献調査、アミノ酸存在下における回分反応品析実験の結果をふまえて、まずダブルジェット反応品析装置を用いた未回分式実験を常温・常圧下で行ない、この反応品析過程における結晶形態及び粒径分布に及ぼす濃度(過飽和度)と品析時間の影響について検討した。これより、温度0.3mol/l以上の条件では、一部にアルサイトの生成が認められるが、大部分はバテライト型となり、また粒径分布の経時的堆積より、バテライトの成長過程は粒径の依存性があること、及び粒径が増大すると二次核発生による小粒径側のピークが認められた。そこで、常温、常圧下でカルサイトの均一微粒子を選択的に品析せせるべく、反応液を直接混合することにより多量の不安定機が存在している状態で、少なくとも6〜10分以内にNacl固体粒子を添加することにより、本実験範囲でカルサイトの均一微粒子が得られた。Naclの添加とカルサイトの生成結品個数の関係を相関すると、濃度に依らずNacl添加量のみの影響を受けること、添加により急速にカルサイトが生成され、その粒径分布は添加時間の影響をうけないことから、カルサイトの選択品析は、添加した固体粒子の負、あるいはその溶解過程が寄与するという新しい事実を見出した。また、粒径と個数の関係を物質収支に基づいたモデルより提出し、所等粒径の結品を得るための設計式を提出した。以上の研究成果に基づいて、排ガス中のCO_2を固定するそ一のプロセスを、海水中からの製塩工程及び排ガス又は吸収処理工程とを有機的に結合することになり提出した。本研究は、CO_2を難活性炭酸塩結晶の型で回収するとともに、得られた結晶が高品位のものとなる可能性を見出すとともに、結晶多形を生ずる系において、安定形を効果的に生成すると共の新しい工程品析操作を創出する新展開をきりひらいた、まさに萌芽的研究である。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)