ブログ：スパイダーシルクタンパク質とは？材料科学と人間生活に革新をもたらす新素材

イスラエルで生み出された技術革新はさまざまな分野においてハイテク企業、スタートアップ企業を生み出しています。この中には独自の特徴を持ったものが多く、グローバルに展開できる可能性を兼ね備えています。今後、イスラエルの技術革新の中で起きているさまざまな事象やテクノロジー、産業などを紹介していきます。

スパイダーシルクタンパク質とは？

イノベーションが集中する国イスラエルでは、クモの糸の優れた特性を模倣することに成功し、さまざまな産業に幅広く応用できる可能性を示しています。

材料科学に革命をもたらし、人間生活に革新をもたらす可能性があるスパイダーシルクタンパク質

宇宙エレベーター（軌道エレベーター）について聞いたことがありますか。地上と宇宙をエレベーターでつなぐ、これまでにない輸送機関のことです。ロケットと異なり墜落や爆発の危険がなく、大気汚染の心配もありません。実現すれば、宇宙開発は大きく飛躍します。宇宙飛行士でない私たちでも宇宙を訪れる機会が得られるかもしれません。それを実現するには宇宙と地上をつなぐケーブル素材が必要です。この条件に応えられる可能性を持つ素材が今回ご紹介するスパイダーシルクタンパク質です。

クモの糸とは

クモの糸は、多くの人工材料に匹敵する驚異的な機械的特性を持っています。過去数十年にわたり、科学者たちは、その神秘的で独特な化学的・物理的特性を解明しようとしてきました。クモの糸の分子構造についての多くの見識は、生化学、分子および構造生物学、工学、物理学の技術的進歩によって推進されてきました。イノベーションが集中する国イスラエルでは、クモの糸の優れた特性を模倣することに成功し、さまざまな産業に幅広く応用できる可能性を示しています。

自然界のアーティストとしてのクモ

（図１）巣を張るクモ

クモは、驚異的な計画能力と、厳密で機能的な巣を精密に設計することができる素材・糸を生成できる、熟練したエンジニアです。クモの糸は、自然界では、異なる厚み、機械的特性、粘着性のレベル、およびその他の特別な機械的・化学的特性によって生産されます。しかし、非常に少量しか生産されません。クモの巣や糸、ワイヤー、繊維は、クモたちが移動したり、避難したり、卵を包んだり、寝袋になったり獲物を捕らえたり、求愛をするのに役立ちます……そして、役割を果たした後には食料源としても利用されます。クモが巣を作るために使用するタンパク質繊維は、壊れやすそうに見えますが、鋼より強く、アラミド繊維（注１）よりもタフでありながら、アラミド繊維よりも柔軟性があります。クモの糸は、軽い風によって柔らかくなることがありますが、全体的な構造と剛性は維持されます。これらの特性は、人間のニーズに活用することができ、多様な形状に加工され、多機能な製品になる可能性があります。

図２）スパイダーシルクとアラミド繊維の分子構造の比較（注２）

自然を模倣したイスラエルのバイオテクノロジー

イスラエルのバイオテクノロジーは、自然のクモの糸（タンパク質繊維）の独特な特性を模倣することに成功し、非常に強くて軽く、革新的な素材を作製することで、宇宙エレベーターの夢を実現する可能性があることを示しています。長年の研究の結果、これらのタンパク質の機能を生成するDNAコードの重要な部分を明らかにし、タンパク質をある生物学的生産システムに取り込むことができる合成工学技術を開発しました。この開発にかかせないのが特許を取得したDNA配列です。

スパイダーシルクタンパク質・新素材の創造と「超越した」利点

特許取得済みのDNA配列を使用し、製造マイクロ環境をコントロールすることで、タンパク質の生産を通り越し、ファイバーの自発的な自己組織化を誘発することで、クモの糸の自然なプロセスを再現しています。この重要なステップにより、スパイダーシルクタンパク質がスパイダーシルクナノファイバーに変化し、クモの糸の優れた自然の特性を備えたナノファイバーになります。発酵プロセスを通じて生成されるものは、長いクモの糸の繊維ではなく、マクロ分子です。それは、生産システム内で生成されるタンパク質から構成される微小な粒子です。これらのタンパク質は自己組織化し、自発的にナノファイバーを形成します。ナノファイバーは、100％純粋なタンパク質のため、生体適合性のあるマクロ分子の設計に組み立てられます。設計された材料は、製造中に特定の要件に合わせてコントロールおよび調整できる弾力性と引き裂き抵抗の特性に加えて、非常に優れた機械的特性を備えています。さらに、大量かつ低コストで製造することができます。

合成スパイダーシルクタンパク質の応用例

• 新しい複合材料 - 合成スパイダーシルクタンパク質はポリマーに統合され、物理的特性が向上した材料を生成し、既存の製品の改善や未解決のニーズへの解決策を提供する材料を生成できます。
• 細胞培養または組織工学/組織モデリング（3Dプリント）のプラットフォーム - 組織形態で成長する細胞のスキャフォールド（=細胞や組織の再生・修復を促すために利用される、人工的に作られた「骨格」のこと）を作成できます。細胞は機械的なサポートが必要であり、生理学的環境にある必要があります。タンパク質のため生体適合性があります。
• 化粧品の改善 - 保湿、抗酸化および抗ラジカル活性、髪や肌の汚染保護。
  健康的で滑らかな髪 - 損傷した髪表面に強く付着し、熱や化学的な損傷から保護します。
• テクニカルテキスタイル、防弾ベスト、自動車産業
• 抗菌性の有効化
• 導電性コーティング
• 成分ローディング＆スローリリース

まとめ

この革新的なバイオマテリアルの使用範囲と応用範囲は無限であり、フェーズは初期段階に過ぎません。この素材・スパイダーシルクタンパク質はさまざまな分野で有益であり、人間生活のケアと生活の質を革新する可能性を持っています。

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（注１）アラミド繊維は、強靭で耐摩耗性、耐薬品性、耐熱性が高い合成繊維です。アメリカのデュポン社により商業化されケブラーという商標名で知られるようになりました。防弾チョッキ、航空機の構造材、スポーツ用品、タイヤコード、ケーブルなど、多岐にわたる分野で使用されています。

（注２）“Recent Advances in Development of Functional Spider Silk-Based Hybrid Materials” by Aleksandra P. Kiseleva, Pavel V. Krivoshapkin and Elena F. Krivoshapkina. Laboratory of Solution Chemistry of Advanced Materials and Technologies, ITMO University, St. Petersburg, Russia