京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

■研究の概要

　水質汚濁防止法(下水道法)が2001年に改正され、フッ素の排水基準は15ppmから8ppmと非常に厳しくなっています。フッ素化合物は熱的、化学的安定性と界面的特性に特長があり、生物活性に特異な性質をもつため、有機合成、医学、農学などの分野や様々な産業で使用され、その適切な処理が必要です。エレクトロニクス分野やめっき処理工程などで使用されているホウフッ化物は難分解性で、フッ素の処理を困難にしています。
　そこで本研究では、フッ素とホウフッ化物混合試料の分析法、並びにマイクロ波加熱を用いる迅速なホウフッ化物の分解法を開発しました。分解後のフッ素は、カルシウムイオンでフッ化カルシウムとして沈殿処理後、さらにジルコニウム担持のキレート樹脂を用いて処理する二段階処理により、フッ素濃度1ppm以下に処理することが可能です。

■研究の概要

　化学的酸素要求量(COD)と生物化学的酸素要求量(BOD)は水の有機汚濁の指標ですが、琵琶湖では1985年以降BODはほぼ一定なのに対し、CODは徐々に増加しています。これは微生物の分解を受けにくい難分解性有機物が増加しているためと考えられ、霞ヶ浦、十和田湖など他の湖沼でもその増加が報告されています。難分解性有機物の増加は、浄水場での有害なトリハロメタン(THM)生成や湖沼などの生態系に影響を与えるため、この原因解明は環境科学から浄水処理など環境工学、環境政策にわたる広範な分野で極めて有用です。
　そこで、琵琶湖・淀川水系における溶存有機物質(DOM)と蛍光物質の動態と化学特性、及びTHM生成能の研究を進め、土壌フミン物質に加えて内部生産の藻類由来有機物などの影響が大きいことを明らかにしてきました｡

■研究の概要

　近年、琵琶湖では微生物の分解を受けにくい難分解性有機物の増加が問題となっています。我々はこれまでの研究で琵琶湖における難分解性有機物は、フミン物質及び藻類由来有機物の一部であることを明らかにしています。成層期における琵琶湖北湖のフルボ酸様蛍光物質濃度は、表層よりも底層水で高く、底質からのフミン物質溶出などの可能性が考えられます。本研究では底質フミン物質の起源と湖底での物質循環システムの解明を目的として、琵琶湖底質から堆積層別にフミン物質を単離し、その化学特性や蛍光特性を解析しました。

■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

　生命に重要なタンパク質や病気に関係するタンパク質の立体構造を決定し、タンパク質の機能と構造の関係を明らかにします。また、構造に基づいて阻害剤を設計し、薬を開発するために必要なリード化合物の発見を目指しています。

■タンパク質の例
・ シャーガス病治療薬のターゲット
　　アスパラギン酸トランスカルバモイラーゼ
　　ジヒドロオロト酸脱水素酵素
　　ジヒドロオロターゼ　等　　
・ アフリカ睡眠病治療薬のターゲット
　　シアン耐性酸化酵素、グリセロールキナーゼ 等
・ その他
　　ヌクレオシド三リン酸加水分解酵素
　　メチオニンγリアーゼ、フマル酸還元酵素 等

■研究の概要

全く新しいCT再構成法として、SimulatedAnnealing法を利用したSACTという方法を考案・研究しています。
SACTは通常のCTに比べてコントラストが向上します。コントラストの向上は見掛けの空間分解能の向上にもつながります。従って、CTが用いられているあらゆる分野でSACTの利用価値があります。
現在のCTはマルチスライスからコーンビームにシフトしつつあります。コーンビームCTでは、理想的な再構成条件が満たせず、アーティファクトが生じることが知られています。SACTはコーンビームでのアーティファクトも低減します。
投影角度が制限されたCTは、電子基板などの平板状の被写体、ナノスケールの分解能を誇る電子顕微鏡CTで問題になっています。SACTは投影角度が制限されたCTのアーティファクトも低減します。SACTによって、CTの利用分野拡大が期待されます。

■研究の概要

　さまざまなセンサ情報を用いて機械や構造物などの稼働時振動応答や熱応答を調べることにより、対象物を分解したり稼動を停止したりすることなく稼動状態や損傷・故障などの異常を定量化し、健全性やパフォーマンスを評価・診断する研究を行っています。

■研究・技術のプロセス／研究事例

■組換えタンパク質を生産して機能解析します。
[ 実施例 ]
植物の活性酸素消去酵素アスコルビン酸パーオキシダーゼ(APX)の酸化損傷部位を質量分析法により同定して、その部位を改変することにより活性酸素耐性型APXを開発しました。この改変型APXは砂漠緑化の遺伝子ツールとしての利用が見込まれます。
■環境試料に含まれる微生物・動植物をDNA分析技術により同定します。
[ 実施例 ]
日本家屋の土壁の熟成中に増殖する微生物を同定しました。クロストリジウムは稲ワラのセルロースを分解、ジオバクターは粘土の酸化鉄 (III)を還元すると推定されます。このように土壁の熟成には、微生物が重要な働きを担っていることが分かりました。

■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

　人工臓器やペースメーカー等の体内埋込型医療機器用電源として、ブドウ糖（グルコース）を燃料とする「バイオ燃料電池」の研究開発が近年活発に行われています。バイオ燃料電池とは、ヒト等の体内の血中に含まれるブドウ糖を生体触媒（酵素）で分解し電気エネルギーに変換する安全・安心な発電デバイスです。本研究では、パッシブ型（グルコース等の反応物質を自然拡散で電極に取り込む方式）のバイオ燃料電池を開発し、電気化学的な性能評価試験（IV測定、定電流試験など）を行っています。

■研究の概要

　X線CTは被写体の内部を含む3次元画像を得る非破壊検査方法の一つです。近年、X線CTの空間分解能の向上は目覚ましく、顕微鏡の一種として使える程度になりました。従来、高分子試料はX線に対して透明で、X線CTには向かないと考えられていましたが、我々は高分子試料に最適な高コントラストX線CTの開発に成功しました。染色等の前処理を必要とせず、3ミクロンの空間分解能を達成しています。
　大変簡便な測定で、固体試料であれば、1時間以内に3次元画像が得られます。具体的には、観察に適するように試料を切り出し、測定ホルダにマウントするまで10分以内、撮影に30分、再構成処理に10分程度というスケジュールになります。

■研究の概要

　ナノテク支援の電子顕微鏡技術は広く知られています。しかし実際の観察となると目的に応じた試料の作製、観察手法の選択など、クリアしなければならないハードルがたくさんあります。私たちは豊富な経験を生かし、試料の作製から観察・解析まで、対象物の断面ナノ構造を原子・分子のスケールで直視解析する技術を開発・提供し、研究を進めています。

■研究の概要

■背景
・3次元情報の実時間計測に対するニーズの高まり
・生細胞の3次元動画像計測に対するニーズの高まり
・3次元構造計測、屈折率分布計測、位相イメージング
・従来技術では奥行き方向の情報取得に走査過程が必要
・微視的領域では奥行き走査間隔が短く瞬時計測が困難
■目的
・面内方向サブμmの3次元情報の瞬時計測
・画像の連続取り込みによる4次元イメージング
・3次元構造と光学特性を同時に瞬時計測
・4次元イメージング装置の開発
・生細胞、微細構造への計測応用
■内容
・レーザを用いて試料の3次元情報を計測します(図1)
・レーザ光を2分し、片側の光を試料に照射します
・他方の光は直接カメラに照射します(参照光)
・試料からの回折光を顕微鏡対物レンズで集めます
・試料の拡大像と参照光が撮像素子面上で干渉します
・干渉縞画像を撮像素子で取込み、計算機へ送ります
・計算機で干渉縞を画像処理します
・所望の奥行き位置の試料の像を計算し、表示します
・図2は1回の撮影より得られた試料のある瞬間の像
・従来デジタルホログラフィック顕微鏡よりも高画質
・位相分布情報により屈折率分布等の光学特性計測可能
・図3は1回の撮影より得られた異なる奥行き位置の像
・瞬時の3次元空間の情報取得、計測、表示が可能
・面内方向サブμm、奥行方向10nmオーダの分解能
・画像連続取り込みにより、4次元イメージング可能
■応用
・生体、微生物、生細胞の3次元動的現象観察
・微細構造の高速検査、実時間検査
・透明物体の構造および欠陥観察
・流体の微視的領域における現象観察
・将来展望
・4次元イメージング顕微鏡装置の開発と生体計測応用
・細胞液の可視化と時間分解3次元解析
・ガラス等透明材料の密度分布計測応用
・製品の微細構造の高速検査応用

■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。

■研究の概要

■背景
・高分子材料は光・熱・機械的疲労によって容易に劣化するため（図1）、安定性向上の為には劣化反応経路の解明が不可欠です。
・劣化反応の中間体である短寿命ラジカル種を調べる手法としては、『スピントラップ法』が有用と考えられます（図2）。
・しかし、高分子材料などの固体系の試料でスピントラップ法を用いた研究例は、ほとんど報告されていません。
■目的
・スピントラップ法によって高分子材料の劣化反応の初期過程を明らかにするとともに、その有用性を検証し、実用的な可能性を探ります。
■内容
・高分子の熱劣化にともなって生成したラジカル種は、スピントラップ剤（MNP）によってトラップされ、比較的安定なラジカル種　（スピンアダクト）に変換され、ラジカル分子の分子構造や、それ自身の分子運動の速さによって異なる固有のESRスペクトルを示します（図2）。
・ポリブチレンテレフタレート（PBT）やポリオキシメチレン（POM）に、スピントラップ剤（MNP）を添加した試料を調製し、電子スピン共鳴（ESR）測定装置を用いて、サンプルを加熱しながらESRスペクトルを測定した例を図3に示します。
・ESRスペクトルを詳細にコンピュータ処理することで、スピンアダクトの分子構造を推測するとともに、各ラジカル濃度の経時変化を算出することができ、定性的かつ定量的な解析を行えます。
・解析結果をもとにPBTの熱劣化反応を考察することができました（図4）。
　・主鎖の－CH?－からH脱離が起きて－CH－が生じます。
　・－CH－はすぐにMNPにスピントラップされ、異方性を示すAI成分が観測されました（アニーリング初期）。
　・近傍のMNPが消費されると、次の主鎖β切断反応が優先的に起きて、アルデヒドとベンゾイルラジカルが生じます。
　・遠方のMNPによって鎖末端スピンアダクトが生じ、分子運動が比較的自由なため、hfcc≒0.8 mTの等方的なN成分が観測されました（アニーリング中期）。
■応用
・高分子材料の、熱的・光的・機械的な劣化の反応経路、材料としての寿命予測、曝されていた環境の履歴などを知ることができます。
■将来展望
・さまざまな材料に：高分子材料だけでなく、食品や生体組織なども対象に。
・より簡便に：スピントラップ剤入りの溶液を材料表面に塗布・乾燥するだけで、測定の準備が済ませられるように。
・より簡素な測定装置で：現在の数分の一の大きさ、卓上で測れる専用ESR装置が数百万円で購入できるように。