2021 Fiscal Year Research-status Report
Control of natural protein-assembly toward thermally conductive materials
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21K05182
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
澤田 敏樹 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (20581078)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 生体高分子 / タンパク質 / 自己集合 / 熱伝導 / 熱拡散率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギーを消費して機能する機器やデバイスにとって、許容限度温度以上への上昇を抑える放熱は、重要な技術課題となっている。本研究では、天然由来のタンパク質を素材とした集合体の熱伝導性を評価し、高熱伝導化を図るとともにその機構を分子レベルで理解するすることを目指した。
タンパク質素材としてまず安全で大量生産も可能なシルクタンパク質に着目し、その集合構造と熱伝導性の相関を評価した。有機溶媒ならびに超音波処理によりカイコの繭糸の奥深くに位置するシルクタンパク質からなるナノ繊維を抽出した。この際、超音波処理の時間や強度により繊維長の異なるナノ繊維を調製した上で、それぞれ流動配向法により配向様式の異なる集合体（フィルム）を調製した。得られたフィルムそれぞれを温度波熱分析法により厚さ方向の熱拡散率を評価した結果、配向性の高いフィルムの場合には無配向フィルムと比較して3倍程度高い値を示した。この際、用いるナノ繊維長がより短くなった場合には熱拡散率が低下する傾向が見られ、ナノ繊維自身の集合構造に加え、ナノ繊維を構成するシルクタンパク質の集合構造のいずれもが熱拡散率に寄与していることがわかった。一方で、シルクフィブロインを抽出して水溶液から流動配向法によりフィルムを調製して同様に実験した結果、その熱拡散率の値は、ナノ繊維から集合化させた場合と比較して、より低くなることが示唆された。
また、他のタンパク質素材としてリゾチームから結晶を調製し、構造の制御されたタンパク質結晶の熱拡散率測定も進めている。タンパク質結晶のサイズは数百マイクロメートル程度とサイズが小さく、市販の測定装置では測定が困難であったため、装置を自作して測定を進めた結果、熱拡散率のオーダーは10-8 m2 s-1であることが示唆された
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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
シルクタンパク質ならびにリゾチームといった安全で使いやすいタンパク質を素材として着目し、それらの集合構造の制御が熱輸送に重要であることを明らかにすることができた。この際、階層的な集合構造が重要であることを見出し、初年度の目標を達成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
タンパク質のさらなる構造制御とそれに基づく熱伝導性の制御に加え、その理解を目指す。シルクタンパク質の二次構造を有機溶媒への浸漬や相対湿度の制御といった手法などで制御し、それぞれの熱拡散率を測定する。また、より大きなスケールの集合構造を制御してそれら集合構造と熱拡散率の相関も明らかにすることを目指す。
また、リゾチーム結晶の測定では、現状の結晶形の測定を進めるとともに、異なる結晶形の作製や化学架橋の導入なども検討し、それらが熱輸送に与える効果を明らかにすることを目指す。
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| Causes of Carryover |
シルクタンパク質の構造制御が想定より速く進んだため、条件検討に必要と思われた生化学ならびに化学試薬の使用が予定より少なくなった。次年度は、集合構造の異なるタンパク質を効率よく調製するための試薬などを購入し、それぞれに対して熱拡散率測定を進め、タンパク質集合体の熱伝導性材料としての有用性を明らかにすることを目指す。
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