2019 Fiscal Year Research-status Report
サケ白子DNAを用いた生分解性バイオプラスチックの創製
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19K12408
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
山田 真路 岡山理科大学, 理学部, 教授 (80443901)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | DNA / バイオプラスチック / 生分解性プラスチック / 生体高分子 / 環境材料 / 分子架橋 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、海洋中のマイクロプラスチックが世界的な問題になっている。マイクロプラスチックの発生源は様々あるがプラスチック素材が海洋中において物理的な作用や光化学プロセスを経て生成すると考えられている。このようなプラスチックの大部分は石油由来であり、自然界では分解されない。そのため、海洋に長時間浮遊し、海洋生物に摂取された後、食物連鎖を介して人間に蓄積されると考えられている。これらの問題を解決する方策の1つとして生分解性を有する生体高分子の利用がある。そこで、生体高分子の1つであるDNAに注目し、DNAを用いた生分解性バイオプラスチックの創製を試みた。特に、DNAは生分解性を有しているだけでなく、産業廃棄物として処分されているサケ白子から容易に得ることができる。更にDNAは様々な分子と特異的・選択的に相互作用する特性を有している。そのため、もしDNAが生分解性バイオプラスチックとして利用できるならば、そのバイオプラスチックに新たな機能を付加することも可能である。
当研究課題「サケ白子DNAを用いた生分解性バイオプラスチックの創製」の初年度は当初の計画通り、サケ白子DNAを用い水不溶性のDNA架橋体の創製を行い、その構造評価および物理的特性（熱物性や力学的物性）を行うこととした。DNAとしてはサケ白子由来二重らせんDNA（分子量500万以上）と1本鎖DNA（分子量100万程度）の2種類を用いた。DNAを架橋する試薬として当初の予定通りアルデヒド系の架橋剤としてホルムアルデヒド（HCHO）、グルタルアルデヒド、グリオキサール等に注目した。様々な条件で得られたDNA架橋体の水安定性を目視により評価した後、構造評価と熱物性評価、力学的評価を行った。また、力学的評価は市販の高分子素材と比較した。
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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
当初、DNA架橋体の調製は溶液から行ったが、プラスチックとして評価できる物を得ることは出来なかった。そこで、油圧式プレス機を用いてDNAペレットを作製し、そのDNAペレットをアルデヒド系溶液の中に一定時間浸漬、風乾、熱架橋することで調製した。その結果、HCHOを用いた場合がプラスチックとして評価できる架橋体を形成することが示された。そこで、得られたDNA架橋体の構造評価と熱物性評価、力学的評価（引っ張り強度測定）を試みた。一方、分子量500万以上の二重らせんDNAと分子量100万程度の1本鎖DNAとを比較したところ、2本鎖DNAの方が良い結果が得られた。そこで、本研究課題は分子量500万以上の二重らせんDNAを用いることとした。
得られたDNA架橋体の構造評価をIRにより試みたところ、HCHO濃度が高くなるにつれてC-N伸縮振動のシグナルが増加した。このことからHCHOを介してDNAの核酸塩基中のアミノ基同士がメチレン架橋していることが示唆された。更にTG-DTAによりDNA架橋体の熱物性を評価したところ、200℃以上でDNAの熱分解に由来する大きな重量減少がみられた。このことからDNA架橋体は200℃以下において安定な素材として利用できることが示された。
DNA架橋体の力学的評価を試みたところ、HCHO濃度とともに力学的強度も増加した。力学的強度は25%HCHOを用いて調製したDNA架橋体が最も高く、約17 MPaの値を示した。この値は市販のポリエチレン（PE）とほぼ同等の値（約18 MPa）であった。一方、DNA架橋体の伸び率を評価したところ約10％であり、PEの1/15以下であった。このことからDNA架橋体は固くて脆い素材であることが示唆された。伸び率の10％は目的値（約50％）より低いため、今後検討する必要があると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況にも記したが、2019年度の計画は当初の予定通り進行した。DNA架橋体の構造評価および熱物性評価は2020年度以降の計画であったが、DNAの架橋形成を確認するためにいくつかのサンプルにおいて行った。そこで、2020年度においてはDNA架橋体の構造評価をHCHOの濃度および浸漬時間の違いにより系統的に評価したいと考えている。2019年度の結果でHCHOを介してDNAの核酸塩基中のアミノ基同士がメチレン架橋することで不溶化していることが示唆された。しかしながら、その架橋度および架橋形成メカニズムに関しては不明である。この架橋度および形成メカニズムが解明されれば、DNA架橋体の熱物性の向上および力学的物性の向上にも役立つと考えられている。そこで、DNA架橋体のIR測定とTG-DTA測定を関連付けて評価したいと考えている。
以上に加え、2020年度以降は2019年度に作製したDNA架橋体の生分解性評価も行いたいと考えている。生分解性評価は当初の予定通り、DNA分解酵素（ヌクレアーゼ）の入った溶液の中にDNA架橋体を浸漬し、DNA架橋体の重量変化または吸光度測定による分解したDNA成分の定量により行う予定である。また、DNA架橋体の生分解性を評価する過程で、生分解時間の制御も行いたい。そのため、実験に用いる架橋剤の探索や架橋方法、架橋温度等の項目にフィードバックしながら再びDNA架橋体の調製を行いたいと考えている。更にRNAを用いて生分解性バイオプラスチックの創製も行いたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
【理由】 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の関係で参加予定の学会が中止になったため、次年度に繰り越しました。
【使用計画】 繰越金は翌年度経費と合算し、当初購入予定であった「1回反射ATRベースキット」を購入する予定です。
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Research Products
(5 results)
