天然および人工の有機・無機接着界面から発想する新たなバイオベース固化技術の創出
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21H03627
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 64020:Environmental load reduction and remediation-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中島 一紀 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50540358)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川崎 了 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00304022)
五十嵐 健輔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (90759945)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
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| Keywords | バイオセメント / 天然高分子 / イガイ接着タンパク質 / 刺激応答性 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，天然に存在するタンパク質に新たな機能を付与することで，バイオセメントやイガイ接着タンパク質を用いた次世代型固化技術を開発する。具体的には，(A)キチンなどのマトリックス多糖，砂・土を構成する鉱物，セメント物質となるCaCO3の三者を強力に結合できる機能性タンパク質をデザインし，バイオセメントに導入することにより，従来法をはるかに凌駕する強靭な固化を目指す。また，(B)接着や凝集のコントロールが非常に困難であるイガイ接着タンパク質に凝集抑制機能を与え，さらには酵素添加によって接着と鉱物合成機能が同時に誘起されるバイオスイッチ機能を付与した固化システムを開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は，研究目的である(A)有機-無機ハイブリッドを組み込んだ高強度バイオセメント，および(B)粒子凝集と鉱物化のコントロールが可能なインテリジェントバイオ固化，を達成するため，下記の項目(1)～(3)について検討を行った。
(1) 機能性タンパク質を用いた天然高分子とバイオセメントのハイブリッド化： 機能性天然高分子であるセルロースナノファイバー（CNF）のバイオセメントへの応用を検討した。CNFを添加することにより。バイオセメント反応で生成するカルサイトの結晶のサイズが極めて小さくなり，多数生成することが明らかとなった。そこで，CNFに結合し，炭酸カルシウムを集積する機能がある人工タンパク質を作製したところ，CNFは人工タンパク質を非常に高い効率で吸着し，バイオセメント反応で生成するCaCO3結晶のサイズが大きくなることが分かった。
(2) バイオセメントにおける有機酸添加が鉱物モルフォロジーに及ぼす影響： 有機酸として生体内の代謝過程で生成するホスフォエノールピルビン酸を添加した系では，完全にアモルファスのCaCO3が得られた。一方，クエン酸を添加した系では通常のカルサイトとは大きく異なり，非常に微小なカルサイト結晶が凝集したCaCO3が得られた。
(3) 可溶性イガイ接着タンパク質の作製： イガイ接着タンパク質は本来不溶性タンパク質として発現されるが，タンパク質のフォールディングをサポートするシャペロンタンパク質と超親水性タンパク質を融合して発現することで可溶性に発現することに成功した。また，イガイ接着タンパク質を用いた有機高分子と無機鉱物の複合化に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(A)有機-無機ハイブリッドを組み込んだ高強度バイオセメントについては，CNFの複合化を検討したが，当初の予想とは異なる結果が得られたため方針を転換した。一方で，結晶サイズをある程度コントロールできることも明らかとなり，別アプローチによる固化強度の増大の可能性が見られた。また，添加する有機物の種類がバイオセメントの生成に極めて大きな影響を与えるという重要な知見が得られた。(B)粒子凝集と鉱物化のコントロールが可能なインテリジェントバイオ固化については，イガイ接着タンパク質の可溶性発現に成功したことは大きかったが，その接着機能の解析についてはこれから詳細に検討する必要がる。
以上より，おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
固化強度の増大を目指したシリカ重合酵素を用いたバイオLbL法について検討を行う。また，有機酸による結晶形およびモルフォロジー変化がバイオセメント形成や固化供試体の物性に及ぼす影響を調査する。さらに，可溶性に発現したイガイ接着タンパク質の機能性評価（可溶性部位切断による接着性の評価）を行い，無機微粒子の凝集・固化への影響を調べる。
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
