ホーネットシルクの素材化における特異な構造形成の解明

要約

再生ホーネットシルクのコイルドコイル構造は、延伸加工によって、アモルファス領域の延伸により形成されるβ-シートと、コイルドコイルの延伸により形成されるクロスβ-シートの二種類のβ-シート構造が共存する特異な構造へと転移する。

• キーワード:シルク新素材、未知・未利用シルク、ホーネットシルク
• 担当:生物機能利用研究部門・新産業開拓研究領域・新素材開発ユニット
• 代表連絡先:電話029-838-6213
• 分類:研究成果情報

背景・ねらい

近年、様々な材料分野において、枯渇性資源を用いた素材化から非枯渇性資源(再生可能資源)を用いた素材化への転換が求められている。1つの候補として、未知・未利用シルクであるスズメバチの幼虫が吐糸するホーネットシルク(HS)タンパクが挙げられる。これまでに天然HS繊維を溶かして得られる再生HSが、様々な素材に加工できることを見出してきたが、その素材化工程で生じる構造形成のメカニズムはわかっていない。そこで本研究では、構造特性を活かした新しいシルク素材の開発を目指し、再生HSフィルムの延伸加工によって生じる特異な構造形成のメカニズムを明らかにする。

成果の内容・特徴

• 放射光高輝度X線を用いた精密構造解析により、コイルドコイル構造のねじれの周期を、これまで報告されていた値よりも高い精度で決定した(343.30.2Å)。
• 再生HSフィルムの基本構造は、4本のα-ヘリックス鎖が束になりねじれたコイルドコイル構造である(図1a)。延伸加工によってこの基本構造は消失し、新たに分子鎖の向きが異なる二種類のβ-シート構造が形成される(図1b)。
• 広角X線回折(WAXD)ならびに偏光赤外分光(FTIR)測定の結果、新たに形成された二種類のβ-シート構造は、分子鎖が延伸方向に揃った絹糸やクモ糸に見られる通常のβ-シートと、分子鎖が延伸方向に対し約90°傾いたアミロイド線維様のクロスβ-シートである(図1b)。
• 放射光X線を用いたWAXD解析による再生HSフィルムの延伸加工中の構造変化を図2に示す。延伸加工によって、再生HSフィルムのコイルドコイルを形成するねじれを組んだ4本のα-ヘリックス(i-d)は、ねじれ構造を崩すことなく、ねじれを組んだ4本のクロスβ-シート(コイルドクロスβ-シート、ii-d)へと転移する。その後、アモルファスの領域(ii-a)が配向したノーマルなβ-シート構造(iii-a)へと転移する。

成果の活用面・留意点

• HSの加工で生じる構造変化の知見は、より優れた物性や機能性を備える素材を造り出すために不可欠な基礎的な構造情報として活用できる。
• コイルドクロスβ-シートは、アルツハイマー病や狂牛病疾患の原因として考えられているアミロイド線維の構造と基本的には同じである。本研究で明らかにしたコイルドクロスβ-シート構造の形成機構が、アミロイド繊維の形成メカニズム解明のために活用されれば、これらの疾患の治療や予防に関する基礎的な知見となる。

具体的データ

その他

• 予算区分:交付金、競争的資金(地球規模課題)
• 研究期間:2015～2017年度
• 研究担当者:亀田恒徳、吉岡太陽
• 発表論文等:Yoshioka T. et al. (2017) Biomacromolecules 18:3892-3903