京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

■研究の概要

　普段何気なく買ったり食べたりしているお菓子やその他食料品のパッケージングは意外といろいろな工夫がされています。太陽の光や蛍光灯などの光が中の食品に直接当たらないようにするために、プラスチックフィルムの内面にアルミコーティングをしたものや、中が見えるけど酸素などを透過しないように工夫した多層フィルムなどがあります。
　一方で、それら袋を開封する際に切りやすくする加工が施されていたり、ヨーグルトやハムのパッケージングではできるだけソフトに開けやすいようにイージーピールというシール方法が施されていたりと多彩な技術が盛り込まれています。しかしながら、それらフィルムのシール部に関する学術的な知見は少なく、不明瞭な部分も多く取り残されており、プラスチックフィルムのヒートシール部分の見える化を物理的または化学的手法を用いて行う研究が進められています。

■研究の概要

　マイクロプラスチックに代表される使用済みプラスチックがもたらす環境汚染が深刻視されています。この原因の一つとして、プラスチックの低いリサイクル性が挙げられています。ほとんどのプラスチックは、加熱して溶融成形されていますが、その際に高分子鎖の熱分解を伴うため、成形加工を繰り返すと物性が低下してしまいます。本シーズの高分子材料は、加熱ではなく加圧によって常温付近で成形加工が可能なため、高分子鎖の熱分解が生じません。よって、省エネルギー成形（CO₂排出低減）とリサイクル性の向上を同時に達成することができる全く新しい概念によって創成された高分子材料です。また、再生可能資源から合成することができ、生分解性を有しているため、環境負荷も低減可能な次世代の高分子材料です。

■研究の概要

■背景
　タンパク質の固定化技術は、固定化酵素、イムノアッセイ、クロマトグラフィ、DDS等、バイオプロセスならびに医療分野を中心に広く利用されています。特に、プラスチック基板表面へのタンパク質の固定化技術はタンパク質固定化チップ(Protein Chip)等の構築において極めて重要であり、基板表面への高集積化ならびに配向制御法の開発が強く要求されています。
■目的
　従来、用いられてきた物理吸着法や共有結合法によるタンパク質の固定化は、密度、生理活性、配向性の3者を高く維持することが困難です。本研究では、機能性タンパク質のプラスチック基板上への配向固定を目的とし、当該タンパク質の末端部に「のりしろ」となるペプチドタグのスクリーニングを行っています。基板表面に特異的かつ高親和的に相互作用するペプチドタグがスクリーニングできれば、任意の機能性タンパク質を高密度・高活性・高配向に固定化することが可能となります。
■内容
　本研究では、近年、バイオチップへの利用が検討されつつある2種類のプラスチック基板(ポリカーボネート（PC）、ポリメタクリル酸メチル(PMMA))に対するアフィニティペプチドタグのスクリーニングを実施しました。右図に示すごとく、大腸菌タンパク質群を一次ライブラリとし、二次元電気泳動ならびにPMF法によってプラスチック基板に対して高親和的に作用するタンパク質を単離・同定・クローニングしました。さらに、これらを大腸菌によって高発現し、これらをトリプシンまたはキモトリプシンによってペプチド断片に分解しました。プロテアーゼ消化産物中からPC、PMMAそれぞれに高親和的に作用するペプチドタグ候補をHPLCによって分画し、MALD-TOF MSによって分子量を同定、さらに親和性タンパク質のアミノ酸配列と親和性ペプチド候補の分子量を基に親和性ペプチドのアミノ酸配列を決定しました。これらのペプチドタグはPC、PMMA基板上に対して強い親和力を有し、タンパク質固定化用のペプチドタグとしての有用性が示されました。

■研究の概要

　プラスチックは我々の暮らしを取り巻く生活基盤材料です。プラスチックの多くは石油を原料としています。一方、バイオマスを原料としたバイオプラスチックが注目されています。それらは化学合成では得難い特殊な構造を有しており、既存のプラスチックとは異なる物性を示します。これらバイオプラスチックの原料は微生物発酵により生産できます。本研究では、ポリビニルの原料であるビニルモノマーをバイオマスから効率的に発酵生産するためのバイオプロセス技術の開発に取り組んでいます。

■研究の概要

■背景
・自然環境との共存を目指して、自然環境に影響の少ない小さな分子にまで自然分解させることのできる『生分解性プラスチック（グリーンプラ） 』が開発されています。
・『光による分解』もまた、自然の力を生かした処理法として有用と考えられます。
・生分解性と光分解性も併せ持つことによって、相乗効果による分解性の向上、分解速度のコントロール、分解範囲の限定といったそれぞれの目的に合わせた分解制御が可能となります。
■目的
・本研究は、生分解性高分子に光増感剤を加えた系に対して、光を照射したのちに生分解試験を行うことで、生分解性に対する光照射の効果を明らかにし、より効率の良い生分解プラスチックを開発することを目的とします。
■内容
・一般に脂肪族飽和ポリエステルは、高い生分解特性を示しますが（図1の①）、可視光や紫外線を吸収する官能基を持たないため、光分解を起こしにくいです（同②）。しかし、ある種の光増感剤を加えると、増感剤が光を吸収して光イオン化することで（同③）、放出された電子が媒体のポリエステルに捕捉されてエステルラジカルアニオンが生じ（同④）、続いて主鎖が分解することでポリマー主鎖の切断反応が起こります（同⑤）。
・優れた生分解性を示す脂肪族系直鎖状ポリエステルであるPBS/PBTオリゴマーやポリ乳酸を対象に（図2）、それぞれ光増感剤TMPDを添加して生分解試験を行ったところ、事前に光増感剤を加えて光照射することで、いずれも生分解性が格段に向上しました（図3(a)および(b)）。
・光反応で生じるラジカル中間体を電子スピン共鳴法（ESR）を用いて調べたところ、光増感剤の光イオン化によって放出された電子が（図4③）、電子親和性に富むエステル部位に捕捉されてエステルラジカルアニオンを生じ（同④）、これを開始剤として主鎖切断反応が起き（同⑤）、分子量が低下したり（同⑥）、時にはマクロモノマーとなって他の分子と結合して分子量の増加を示すことがわかりました（同⑦）。
・生分解性が光照射によって向上したのは、光分解によってあらかじめ主鎖の分解が進んでいたため、酵素による分解が速くなったと考えられました。
■応用
・コンポスト化に対する補助力：生分解速度の遅いポリマーの分解速度を、光照射によって促進させます。
・溶媒に不溶なネットワークポリエステルを分解して、可溶化させます。
■将来展望
・生分解速度の制御：うまく光照射を行って、材料の一部分だけを速く分解させることで、「特定の構造を保ちながら分解しつつも、最後には全体が崩れる」など、コントロールされた分解様式を設計することが可能。
・ポリマーの側鎖へ光増感官能基を結合させ、光・生分解の両機能性を持つ単体の材料を作ります。
・より効率よく電子放出を行う光増感物質の探求。
・酸化チタンTiO?など、環境に負荷の低い光触媒を応用。