Home研究成果(プレスリリース)研究成果(プレスリリース)2018当サイトは、Javascriptを使用しています。Javascriptを無効にして閲覧した場合、コンテンツが正常に動作しないおそれやページが表示されない場合があります。当サイトをご利用の際には、Javascriptを有効にして閲覧下さい。バイオ高分子研究チームのヌル・アリア・オクタビアニ特別研究員、アリ・マライ研究員、沼田圭司チームリーダーらの研究チームは、クモの糸が形成される際、クモ糸の主成分であるシルクタンパク質が局所的に「ポリプロリンIIヘリックス構造[1]」を形成することで、シルクタンパク質の一部がクモ糸形成に必要なベータシート構造[2]に転移することを発見しました。本研究成果は、有害な有機溶剤を使わない環境低負荷型のクモ糸材料の開発や、クモ糸のような高いタフネスを示す素材の開発につながると期待できます。クモ糸の形成には、ベータシート構造の形成が関与しています。シルクタンパク質では、同構造の形成過程で、溶液から固体へ非常に速い相転移が生じることから、その分子機構を解明することは困難でした。今回、研究チームはシルクタンパク質が持つ非晶領域と結晶領域の繰り返し配列を遺伝子組み換え技術[3]で合成し、クモ糸が形成される直前の溶液状態を試験管内で再現しました。シルクタンパク質の分子構造を解析した結果、非晶領域がポリプロリンIIヘリックス構造を形成していました。このことから、クモ糸が形成される直前のシルクタンパク質が高濃度で蓄積される条件下において、同構造を形成することで、クモ糸の形成を妨げる凝集を防ぎ、結晶領域がベータシート構造へと転移することが明らかになりました。:沼田圭司)の支援を受けて実施されました。背景クモやカイコなど一部の生物種が生産する糸には、特異的な物性があります。なかでも、クモが獲物を素早く捕まえるときや、危機に遭遇して逃げるときに命綱として使う「牽引糸(けんいんし)」は、軽量でありながら鉄以上の強靭さがあり、高強度構造材料など幅広い分野への応用が期待されています。このような特異的な物性は、クモ糸の主成分であるシルクタンパク質が、二次構造の一つである「ベータシート構造」を周期的に形成すすることで現れます(図1)。シルクタンパク質の場合、同構造の形成過程で、溶液から固体へ非常に速い相転移が生じることから、その分子機構を解明することは困難でした。これが、天然クモ糸を人工的かつ効率的に作製する技術がいまだ開発されない要因の一つです。そのため、クモ糸の形成過程におけるシルクタンパク質の構造変化を解明することは、有害な有機溶剤を使わない環境低負荷型のクモ糸材料や、クモ糸のような高いタフネスを示す素材を開発する上で重要です。シルクタンパク質は、その両末端であるN末端とC末端[4]の構造がつながることで、クモ糸の形成が進行することが知られています(図1)。一方で、N末端とC末端の間に存在する結晶領域(結晶化した硬い領域=ベータシート構造)と非晶領域(結晶化していない軟らかい領域)の「繰り返し配列」は、シルクタンパク質の大部分を占めるにもかかわらず、その機能と構造の相関は明らかになっていませんでした。研究チームは、シルクタンパク質の結晶領域と非晶領域の繰り返し配列を、大腸菌を用いた遺伝子組み換え技術により合成し、クモ糸が形成される直前の溶液状態を試験管内で再現しました。[5]、円二色性[5]、振動円二色性[5]を用いて調べました。その結果、クモ糸が形成される直前の溶液状態のシルクタンパク質の繰り返し配列は、「ランダムコイル[2]」が65%程度、「ポリプロリンIIヘリックス構造」が24%程度であることが分かりました(図2)。シルクタンパクの非晶領域はアミノ酸のグリシン[6]を多く含んでいます。結晶領域はポリアラニン[6]で構成されています。アミノ酸配列に着目して解析したところ、非晶領域がポリプロリンIIヘリックス構造を形成することが分かりました。この構造が脱水と剪断(せんだん)応力により、結晶領域のベータシート構造へ転移を助けていることが示されました(図2)。これらのことから、クモ糸が形成される直前のシルクタンパク質が高濃度に蓄積された状態では、非晶領域がポリプロリンIIヘリックス構造を形成することでシルクタンパク質の非特異的な凝集を防ぎ、結晶領域がベータシート構造に転移することが明らかになりました。本研究では、結晶領域が比較的短いシルクタンパク質を利用しており、報告したベータシート構造の形成機構が全てのクモ糸に該当するかについては、さらなる研究が必要です。今後、日本に多く生息するジョロウグモ(図3)のシルクタンパク質を用いた研究を行うことで、本研究成果を強力な人工クモ糸の分子設計や合成プロセスに生かすことが可能になります。生体由来の物質だけで人工クモ糸を作製する際には、欠かせない分子機構として幅広く利用されると期待できます。鈴木隆領プログラム・マネージャーのコメント本プログラムでは、クモ糸等の天然に存在する構造タンパク質素材を分析し、それらの素材を人工的に生産することによって、既存素材では為し得ない性能を有した次世代素材・製品の開発に取り組んでいます。構造タンパク質素材の機械的な特性(強度や伸度など)と素材中の分子構造には密接な関わりがあることが知られていますが、天然クモ糸の分子構造は未知な部分が多く、その物性発現メカニズムは完全には解明されていません。寄与する研究成果だと考えています。jst.go.jp(※[at]は@に置き換えてください。)補足説明1.ポリプロリンIIヘリックス構造タンパク質が構築する二次構造の一つで、左巻きヘリックスが3アミノ酸残基でひと巻きする。2.ベータシート構造、ランダムコイルベータシート構造はタンパク質が構築する二次構造の一つで、互い違いに隣り合ったいくつかのポリペプチド鎖が、水素結合により形成する平面状の構造のこと。クモ糸が特性として持つ高強度の由来となる、結晶構造を形成する。ランダムコイルは、特定の二次構造を示さない状態を指す。本研究では大腸菌を用いて遺伝子組み換えを行った。目的のタンパク質に対応した遺伝子を大腸菌に導入した後に、その大腸菌を培養することで、目的のタンパク質を合成させる。4.N末端、C末端タンパク質はアミノ酸がつながったポリマーであり、隣接するアミノ酸は、それぞれのアミノ基とカルボキシル基がペプチド結合をしている。このポリマーの末端のフリーのアミノ基側をN末端、カルボキシル基側をC末端と呼ぶ。核磁気共鳴を利用して水溶液中の分子の構造や運動性を調べる手法。前述の円二色性とは異なり、赤外領域を利用した円二色性スペクトルであり、ポリプロリンIIヘリックス構造の評価に広く利用されている。6.グリシン、ポリアラニングリシンはアミノ酸の一つ。クモ糸を構成するシルクタンパク質の場合、非晶領域に多く存在する傾向にある。ポリアラニンは、アミノ酸の一つであるアラニンが複数つながった配列。シルクタンパク質の場合、結晶領域として振る舞うことが多い。シルクタンパク質の模式図シルクタンパク質は、N末端とC末端の間に結晶領域(結晶化した硬い領域=ベータシート構造、グレー)と非晶領域(結晶化していない軟らかい領域、ピンク)が交互に繰り返してできている。N末端とC末端の構造が分子間の相互作用に寄与し、糸の形成が進行することが知られている。シルクタンパク質におけるベータシート構造の形成機構グリシンが多く含まれる非晶領域がポリプロリンIIへリックス構造を形成する。同構造が脱水と剪断(せんだん)応力により、ポリアラニンから構成される結晶領域がベータシート構造に転移することを助ける。溶液から固体に転移する繊維化は、不可逆的である(繊維から溶液には戻れない)と考えられている。