バイオシリカ形成性ポリペプチドの創製とその用途...

バイオシリカ形成性ポリペプチドの創製とその用途開発

Development and applications of novel

bio-silica forming polypeptides.

関西学院大学理工学部・生命科学科

生物機能基材研究開発センター

教授松田祐介

JST 新技術説明会平成26年6月24日

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diatoms

１．研究背景バイオシリカとは

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ケイ酸質で緻密なフラクタル構造を持つ細胞壁

500 nm

ガラス質の被殻 |

細胞によるシリカ固体形成 (Silica Biomineralization)

被殻の構造 |

自己組織化されたフラクタル構造サイズ：数～数十ナノメートル

１．研究背景バイオシリカとは

3

２．新技術の礎となる研究成果、技術天然のペプチド

2.5 µm Cylindrotheca fusiformis

天然シラフィン

4

２．新技術の礎となる研究成果、技術天然のペプチド

リン酸やポリアミンによる修飾を受ける

ポリペプチド骨格のみでも珪酸沈積能を示す

正電荷をもつ骨格が珪酸イオンを引き寄せ、珪酸重合の核となる

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２．新技術の礎となる研究成果、技術組換シラフィン

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オルトケイ酸テトラメチル

（TMOS） [Si(OCH3)4]

ケイ酸ソーダ [Na2O・nSiO2]

活性ケイ酸

[SiO2]

コロイダルシリカ

ナノゼオライト

中性

pH 7

中性

pH 7

中性

pH 7

塩基性

pH 12

酸性

pH 3.5

N.D.

1 µm × 10 k

TMOS

15 µM Silaffin (単リピート型)

80 mM Phosphate (pH 7) 2 分間反応

ケイ酸ソーダ

× 10 k 1 µm

活性ケイ酸

× 10 k 1 µm

コロイダルシリカ

× 10 k 1 µm


(- Silaffin)

× 10 k 1 µm


(+ Silaffin)

TMOS (-Silaffin)

オリゴマー程度のケイ酸に対し粒子状シリカの形成を誘発する

× 5 k 5 µm 7

*ナノ粒子ゼオライト(富士化学製)



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CDPF1

CDPF0

高密度な正電荷領域

疎水性クラスターを形成するアミノ酸

塩基性アミノ酸

CDPF 人工ペプチドによるバイオシリカ形成の特徴

CDPF2

CDPF: cationized diatom pyrenoid forming factor

２．新技術の礎となる研究成果、技術人工ペプチド

珪藻炭酸脱水酵素のC末端を改変

MRKLQVDFDKYMRELRAIRDLRELRNAKIPA

MRKLQVDFDKYMKELKAIKDLKELKNAKIPA

MEELQVDFDEYMSELDAIYDLYELENAAIPA

珪酸と反応

・連結型ペプチド ( ヌンチャク型 CDPF) の場合


CD

PF

1

CD

PF

2

CD

PF

0

作製した全 CDPF 1,2 ペプチドに高いバイオシリカ形成活性があった。

ペプチド濃度依存的に粒子径は変化し、0.1 µM程度まで安定な形成活性を有した。

Glycine rich linker を導入しても、主に球状粒子のみ形成され、劇的な形状変化はなかった。

単純2連 2連 (G×3) 2連 (G×6) 2連 (G×12) 4連 (G×6)

N.D.


(CDPF1:G×6 linker :CDPF1 を利用)


寒天内の拡散を利用した空間的な反応制御の試行

２．新技術の礎となる研究成果、技術天然物

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プロタミン塩酸塩 2.2 mg/mL (500 μM程度)

[3] S. aureus（黄色ブドウ球菌）に対する試験値

[4] ピロガロールレッド比色法と計算により算出

プロタミンバイオシリカ（PBS）の形成

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PBSの抗菌性能

（E.coli、S.aureus MIC法）

最小発育阻止濃度（MIC）単位：ppm

抗菌剤 E. coli S. aureus

T社銀系抗菌剤 125 250

銀錯体抗菌剤 400 3200

プロタミン 13～50 1.5～6

プロタミンシリカ 25～100 3～12

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PBSの抗カビ性能

（R. solani ハロー法）

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PBSの抗カビ性能

（A. niger MIC法）

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３. 新技術の特徴、従来技術との比較

バイオシリカ形成反応とバイオシリカの特徴

1. ゾルーゲル法などの従来方法と対照的に、常温、中性の水系で迅速に進む。

2. 機能高分子（酵素など）を容易に包摂・固定が可能。

3. ペプチドの構造をとると、ケイ酸に対して極めて高い親和性を発揮する。

4. 塩基性アミノ酸を導入することで、バイオシリカ形成ペプチドのデザインが容易にできる。

5. より安価な天然資源にもバイオシリカ形成活性（或いは化合物）が存在（プロタミン、ポリアミンなど）。

6. PBSはプロタミン由来の強い抗菌性をそのまま保持する。

7. プロタミンにはない抗真菌（カビ）性がPBSには発現する。

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4. 本技術の独創性

１．高付加価値バイオシリカ

・酸アルカリ処理不要。

・短時間でできる。

・機能生体高分子固定化担持体を作ることが可能。

・自己組織化的形状制御が可能。

・色々なペプチドを改変して利用できる技術である。

２．PBS

・世界で年間300万トンに及ぶサケ科の漁獲量の約10%

を精巣が占め、残渣として廃棄されている。

・シリカ沈積はプロタミン本来の

作用である。

・高い抗菌性が不溶性のまま持続。

・抗カビ活性もPBSに特異的に

付与される。

・長い食経験から安全性が高い。

世界のサケマス国別漁獲量（FOAによる） 21

5. 想定される用途・業界


・従来酵素を用いている産業において再利用可能な固定

化酵素に利用

-食品工業（精糖、アルコール製造、乳酸品加工） -化学工業（洗剤、繊維、皮革加工、製紙） -健康・医療（診断薬、健康食品、医薬）・環境浄化、レアメタル回収

-金属、有機塩化物等の結合タンパクを固定

・機能素子材料

-自己組織化的形状制御能の精密化と機能固定能を

組み合わせた機能素子開発

-電子材料、フォトニクス材料など

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5. 想定される用途・業界

２．PBS

・フィルターや建材用の抗菌・抗カビ素材

-病院・介護施設の空調

-食品を取り扱う施設・設備の表面塗料など

-家庭の台所用品への応用

・農薬

-病原性バクテリア（グラム陰性・陽性）への感染防除

-化学薬剤に劣らない抗カビ性能（担子菌、子嚢菌、卵

菌）により、果樹、穀類、野菜などのカビ病防除に利用

・その他

-薬品除放剤などへの活用

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6. 企業への期待

各種金属或いは合成有機系抗菌材料開発技術を持つ、企業との共同研究を希望。

抗菌剤を開発中の企業、抗菌や除菌分野への技術展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

薬剤除放剤の導入による各種機能薬剤の効果持続性の制御に興味のある企業にも有効な技術である。

高付加価値な固定化酵素などを開発する企業にも有効な技術である。

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7. 実用化に向けた課題


・大量生産系の選択による生産コストの抑制

・付加機能の選択

2．PBS

・原料の安定調達：現在はほとんどが廃棄され、確立した

流通経路がない

・抗菌・抗カビスペクトルの網羅

・工業工程における耐性の評価（熱・溶媒耐性はかなり高

いと考えられる）→どのような材料に混入可能か？

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8. 本技術に関する知的財産

・発明名称：バイオシリカの製造法

出願番号：特願２００９－１２５１６８

出願人：富士化学株式会社、関西学院大学

・発明名称：抗菌剤及び抗菌性製品

出願番号：特願２０１０－１３９７１２

出願人：富士化学株式会社、関西学院大学

・発明名称：バイオシリカ製造法、およびバイオシリ

カ固定基板の作成法平成25年7月12日、特許

第5311806号

出願人：関西学院大学 26

9. お問い合わせ先

関西学院大学研究推進社会連携機構事務部

TEL：079-５６５-９０５２

FAX：079-５６５-７９１０

e‐mail：[email protected]

富士化学株式会社

井上高康

TEL：0573-68-7222

FAX：0573-68-7228

e‐mail：[email protected] 27

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