甲虫キチン繊維制御タンパク質を利用した軽量高強度材料作製プロセスの開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01877
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 新垣 篤史 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10367154)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: タンパク質 / キチン / 甲虫 / 軽量高強度材料 / バイオプロセス

研究実績の概要

甲虫は、水の浸入や外敵の攻撃からやわらかい組織を保護するため、有機分子が積層した軽量さと頑強性を併せ持った外骨格（表皮）を形成する。甲虫の表皮は、形や構造の多様性、軽量さと頑丈さを併せ持つ材料として、航空機、ロボット等の先端材料開発分野で注目を集めている。本研究では、甲虫におけるキチン繊維配向の制御機構の解明と制御機構を利用した軽量構造材料の作製プロセスの開発を目的としている。複数種の甲虫の表皮構造を走査型電子顕微鏡及びCTスキャナーを用いて解析し、甲虫種によって、表皮のキチン/タンパク質複合体の積層構造に大きな違いがあることを見出した。また、表皮におけるキチンとタンパク質含量の比についても差異が確認され、甲虫種間における機械特性の違いは、積層構造と組成によるものと考えられた。次に、ニホンカブトムシの発達段階の異なる表皮のトランスクリプトーム解析を行い、表皮形成の各段階に発現する表皮タンパク質遺伝子を特定した。これらタンパク質のアミノ酸配列中には、キチン結合部位とタンパク質間相互作用に関与すると考えられる部位が確認され、キチン繊維の配向制御に関与していることが予想された。また、アミノ酸配列の特徴から新たな表皮タンパク質のグループが存在することを明らかにした。同様の特徴を有する表皮タンパク質を複数種の甲虫のゲノムデータから探索し、キチン繊維の配向制御に関与するタンパク質の候補を絞り込んだ。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画通り、表皮形成の各過程で発現するタンパク質の特徴を見出し、新しいタンパク質グループの存在を示した。異種甲虫からも同様の特徴を有するタンパク質を探索した。次年度におけるタンパク質機能部位の同定とキチン/タンパク質複合材料の作製に向けた準備も整っており、当初の研究目的に向けて、おおむね計画通り順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

前年度に同定されたタンパク質のリコンビナントを調製し、機能解析と材料の調製を行う。
-キチン繊維配向制御タンパク質の機能部位の同定
-キチン/タンパク質複合材料の作製

研究成果

• [雑誌論文] Nanoarchitected tough biological composites from assembled chitinous scaffolds (2022)
  • 著者名/発表者名: Wei Huang, Devis Montroni, Taifeng Wang, Satoshi Murata, Atsushi Arakaki, Michiko Nemoto, David Kisailus
  • 雑誌名: Acc. Chem. Res. 巻: 55 ページ: 1360-1371
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fibrous anisotropy and mineral gradients Within the radula stylus of chiton: Controlled stiffness and damage tolerance in a flexible biological composite (2022)
  • 著者名/発表者名: Jung-Eun Lee , John Connolloy, Wen Yang, Guillaume Freychet, Taifeng Wang, Steven A Herrera, Satoshi Murata, Phani Saketh Dasika, Devis Montroni, Anna Pohl, Chenhui Zhu, Mikhail Zhernenkov, Richard Wuhrer, Leigh Sheppard, Michiko Nemoto, Atsushi Arakaki, Pablo Zavattieri, David Kisailus
  • 雑誌名: J. Compos. Mater. 巻: 57 ページ: 565-574
  • DOI: 10.1177/00219983221121867
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 生体硬組織の構造を制御するタンパク質 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新垣篤史
  • 学会等名: 第１回 発動分子科学サロン 「発動分子と生体材料」
  • 招待講演
• [備考] 生命分子工学研究室
  • URL: http://web.tuat.ac.jp/~biomol/index.html