高分子化学研究室 Polymer Chemistry Laboratory
主任研究员
长
田
裕
之
OSADA, Hiroyuki
当研究室では, 再生可能な天然资源から作られるバイオベースポリマーと环境中の微生物の力により生分解さ れる生分解性ポリマーの生合成ならびに构造·物性·机能の解明に関わる基础研究を展开している.特に,微 生物を用いて再生可能な生物有机资源や二酸化炭素から新规高分子物质を自在合成する一般手法を开拓し, 优 れた物性と特异な机能を持つ新しい生分解性高分子材料を开発している.また,高分子材料の生分解メカニズ ムの解明と, 高分子代谢酵素の构造と机能に関する研究も进めている. さらに, 环境に优しい高分子の生合成, 机能解明,构造解析,遗伝子解析,高生产生物の育种,高性能材料化,高机能材料化,リサイクリング技术开 発という一连の基础研究を実施することによって, 「环境低负荷型の高分子物质生产システムの开発」という 新しい产业の基础科学技术を确立することを目标としている.
1. ポリエステル生合成遗伝子工学に関する研究(铃木(义) ,Nomura*1,田中(朋)*2) ある种の微生物は, 炭素源の贮蔵物质としてヒドロキシアルカン酸をモノマーユニットとするポリエステルであるポリヒドロキシ アルカン酸(PHA)を菌体内で合成,蓄积する.PHA は热可塑性を有し,プラスチック材料として加工できることから,生物资源 から合成され,环境中で生分解される环境低负荷型材料として注目されている.本研究では,PHA 重合酵素およびモノマー供给酵 素を分子进化工学的な手法により改変し,PHA の高蓄积化とモノマー组成の制御を行うとともに,PHAの大量生产を行い得られた ポリマーの物性を评価する. 本年度は,新规なモノマー供给系酵素である大肠菌由来3-ketoacyl-ACP synthase III(FabH)を人工进化させ,3-ketoacyl-ACP reductase(FabG)と组み合わせることにより中锁モノマー供给系の増强を行った.変异FabH は脂肪酸合成系から中锁の 3-ketoacyl-CoA を供给する.FabG はこの3-ketoacyl-CoA を中锁モノマーである3-hydroxyacyl-CoA へと変换する反応を触媒す る.この系に,分子进化工学により高活性化したPseudomonas sp. 61-3由来のPHA重合酵素を组み込み,短锁·中锁共重合PHA 合 成を行った.炭素源を変えることにより,モノマー成分を制御出来ることが明らかとなった.さらに,ジャーファーメンターを用い た大量培养を行い,合成したポリマーに対する影响を调べた.その结果,ポリマーを大量合成することにより,ポリマー収率が2.7 倍まで上升したうえ,ポリマーの高分子量化にも成功した. 2. 高分子加水分解酵素の构造と机能に関する研究(藤田,山下,松本(信)*2,城座*2) 不溶性高分子材料の微生物分解は,一般に下记のプロセスで进行する.まず,微生物の分泌した高分子分解酵素が高分子材料表面 に吸着し,ポリマー锁のエステル结合,グリコシド结合,ペプチド结合等の化学结合を加水分解によって切断し,ダイマーおよびモ ノマー単位まで分解する.次いで,分解生成物は微生物体内に取り込まれて,エネルギー生产や生体物质合成のために用いられ,最 终的に无机化される.本研究では,高分子分解酵素の构造と机能について明らかにする. 本年度は,PHB 分解酵素の基质吸着ドメインの机能について调べることを目的とし,基质であるポリエステル表面への分解酵素 の吸着特性を,原子间力顕微镜(AFM)を用いて调べた.原子间力顕微镜のカンチレバーの先端に酵素の基质吸着ドメインを固定 化し,その酵素固定化カンチレバーを用いて,酵素とポリエステル表面との间に働く吸着力を评価した.その结果,酵素1分子がポ リエステル表面に吸着する力が约100pN程度であることが明らかとなり,分解酵素の基质表面への吸着には复数のアミノ酸残基が 関与し,水素结合および疎水性相互作用など复数の作用が相乗的に寄与いることが示唆された. α-ヒドロキシカルボン酸の重合物であるポリ乳酸は,アミノ酸加水分解酵素であるプロテアーゼによって,速やかに加水分解さ れることが知られている. プロテアーゼによるポリ乳酸の分解反応とその分解机构を详细に调べることを目的として, 様々なプロテ アーゼを用いポリ乳酸フィルムへの酵素の吸着ならびに分解速度を水晶発振子マイクロバランス (QCM) により调べた. その结果, 各プロテアーゼによるポリ乳酸フィルムの加水分解反応において, 酵素のエステラーゼ活性ならびにフィルム表面への酵素吸着量が その分解速度を决定づける重要な因子であることを明らかにした. 3. 高分子结晶の构造と物性に関する研究(岩田,藤田,田中(稔)*3,石井*3,会田*3,Ying*4,沢柳*2,佐久间*2,永田*2,Jeon *2 ,石関*2,喜多村*2,长崎*2,佐藤*2) 结晶性高分子は, 分子锁が规则正しく配列している结晶领域と不规则な状态で存在する非晶领域から成る. 结晶性高分子材料の物 性および酵素分解性は, 分子锁の立体构造, 分岐度, 配向度, 结晶化度等に大きく依存している. 高分子锁は, 结晶领域において各々 の高分子に固有の结晶构造をとって配列し, 形成された结晶は, ラメラ状结晶である単结晶から球晶やフィブリル状结晶まで様々な 结晶形态をとりうる.本研究では,微生物产生および化学合成脂肪族ポリエステルの结晶·表面构造と物性·酵素分解性の相関を分 子·原子レベルで解明することを目的としている. 本年度は,ポリ[ R)-3-ヒドロキシブタン酸]とその共重合体を対象にし,それらのフィルムならびに繊维材料の高强度化に向 ( け,种々の作制条件の検讨を行い,低温下で一定时间保持した后延伸することで,泛用高分子材料に匹敌する强度を有するフィルム ならびに繊维の作制に成功した.フィルムや繊维材料の内部构造を,主に大型放射光施设(SPring-8)におけるX 线回折·散乱実 験により解析した.マイクロビーム测定による材料内部の局所构造解析,ならびに,トモグラフィー测定による繊维内部の三次元构 造解析などより,材料の力学的性质と分子构造との相関を解明した. さらに,种々の生分解性脂肪族ポリエステルの単结晶を作制し,结晶构造解析を行い,酵素分解性との相関を调べた.また,ポリ

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