超臨界・ナノバイオ物質循環技術
Environmentally Benign Assembly-Disassembly Nano-Bio Technology
研究代表者：阿尻 雅文，東北大学 多元物質科学研究所

教授

Tadafumi Adschiri, Professor, Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University
共同研究者：高見 誠一, 熊谷泉, 津本 浩平, 梅津 光央

Coworkers: Seiichi TAKAMI, Izumi KUMAGAI, Kouhei TSUMOTO, Mitsuo UMETSU
持続可能な社会の構築には、エネルギー使用、エクセルギー損失を最小限とし、物質循環が成立するシステムが必要である。その実現には、LEGO ブロック遊びのように、ブロックを基本単位として組み上げ、使い終わったら再び基本ブロックにまで分解するという「アセンブリー・ディスアセンブリー」に基づく物質循環技術が必要である。環境適合性を考えると、「ブロック単位」は、バイオマスや動物資源の化学的骨格を使うべきであり、その反応に必要な熱は、他産業での排熱（200-400℃）で補うべきである。このような物質循環技術こそが、持続可能な社会の構築に求められている。
本研究では、超臨界技術とナノバイオテクノロジーの融合技術を創り出しつつ、自然資源の化学骨格（糖やアミノ酸等）を単位ブロックとし、そのアセンブリーとディスアセンブリーによる物質循環システム構築のための技術開発を目的とする。
The homeostasis system in which materials are cycled with minimum energy loss, is necessary for theconstruction of the sustainable society. The material cycle technology based on "Assembly-Disassembly", bywhich a device is built up from a basic block according to a design drawing and taken apart to a basic unit again,
should be proposed. Considering environmental adaptability, biomass resources and a biomolecular chemicalframe are acceptable as the basic unit. Here, the assembly-disassembly technology is studied using cellulose,lignin, DNA, and peptide as a building block, in combination with supercritical technology andnano-biotechnology.
1. 研究目的

亜・超臨界水反応場では、様々な無機・有機材料について無触媒・選択的反応を可能とする。まホメオスタシス社会（恒常性維持機能を有するた設計図通りの多成分系アセンブリが可能なの社会）の構築には、エクセルギー損失を考えると、は、DNA-タンパク工学を中心としたバイオ工学ブロックを基本単位として設計図通りに組み上である。本研究では、超臨界技術とナノバイオテ

げ、使い終わったら再び基本ブロックにまで分解

クノロジーの融合技術を創り出しつつ、自然資源するという物質循環技術を構築することが望まの化学骨格（糖やアミノ酸等）を単位ブロックとしい。そして、「ブロック単位」が、バイオマスし、そのアセンブリとディスアセンブリによる物

資源やバイオ分子であるならば、環境負荷も少な質循環システム構築のための技術開発を目的とく、その反応の進行に必要な熱は、他産業排熱する。

（200-400°C）で補えば、エネルギー循環も達成できる。
−１−

2. 研究経過②リグニン
リグニンは極めて複雑な構造を有しているが、本研究においては、まずディスアセンブリ技術

基本骨格はグアイアコールにグリコール基が結として、セルロースとリグニンのバイオマス資源合した構造の繰り返し構造となっている。我々は、から、亜・超臨界水反応場を用いて選択的ブロッリグニンの水熱分解環境場に大量のフェノールク分子回収を行った(研究成果(1))。そして、アセを添加することによって、固形残渣生成率を低くンブリ技術として、超臨界水中での有機・無機ブ抑えることに成功した。そしてパラクレゾールをロックの複合化・表面修飾によるアセンブリユニ用いることによって、完全可溶化に成功し、さらットの合成(研究成果(2))と、DNA とペプチドのバに、反応条件を適切に設定することによってビスイオ分子を用いたアセンブリブロックの設計通ヒドロキシメチルヒドロキシフェノールを収率りのファブリケーション技術の開発(研究成果(3))

８０％近くで回収することができた。すなわち、を行った。

複雑な構造を有するリグニンから BMP を選択的に回収する反応条件を見出した。

3. 研究成果

２）超臨界水中での有機・無機ブロックの複合化・表面修飾

１）バイオマスからの選択的「ブロック」回収①ナノ粒子への有機単分子層表面修飾①セルロース

ナノ粒子が持つ機能への影響を最小限にしたセルロースは、多くの水酸基を有し、水との親まま、新たな集積・複合化能を付与する手段とし和性の高い高分子であるが、分子内・分子間の水て、有機単分子層−無機ナノ粒子複合材料の超臨素結合により結晶化しており、水に不溶である。

界 one pot 合成法を開発した。具体的には、超臨本研究において我々は、300-320°C でセルロース

界水熱反応による金属酸化物ナノ粒合成過程で結晶が高温水に溶解することを見出し、ダイヤモ形成する、粒子表面に存在する活性型-OH 基を有ンド窓付のセルによる高温高圧水反応場の in- situ機分子によって in situ 修飾する手法である。その観察に成功した(図１)。さらに、高温高圧流通式

結果、共有結合を介した有機単分子層の複合化と，マイクロリアクターを開発し、選択的なグルコー生成されるナノ粒子の結晶性制御を同時に達成

ス多量体を回収することに成功した(図２)。

した（図３）
。

Ruby

Ruby

Ruby

Ruby

Cellulose
Cellulose(a)
室温

Cellulose

(b)
280℃

(d)
300℃

(e)
310℃

図１ 熱水中へのセルロース溶解

Oligomers (DP>6)
Cellohexaose
Cellopentaose
Cellotetraose
Cellotriose

20 nm

Cellobiose
Glucose

図３ 有機単分子層―酸化鉄ナノ粒子複合

Fructose
Acids

Glyceraldehyde
1,6-Anhydroglucose

図２ セルロース加水分解生成物−2−

②超臨界場を利用した疎水性ペプチドナノワイ

イ連結を用いて図５のような菱形格子を形成す

ヤーの合成

るように、6 本の DNA 単鎖を人工合成した。それ

亜・超臨界水中においてメタン・アンモニア等

らの単鎖はそれぞれ対応する箇所と相補的結合の低分子化合物からアミノ酸が合成され、さらに、を行い（図５a 中の A-A´、B-B´）、一次元的格子アミノ酸の脱水縮合反応がおこる事が報告され連結を構築できるようにした（図５b）。また、格つつある。本研究で我々は、固―液相分離を利用

子 y 軸方向にも DNA 単鎖領域を 15 塩基設計するして、高温高圧水中で高効率にアミノ酸からジペことにより、3´末端にチオール基を持つ DNA 鎖プチドを合成することに成功した。固―液相分離が連結できるようにし、その配列に相補的な DNAを起こさせるために疎水性アミノ酸 L-フェニル鎖が修飾している金粒子を固定化した。その結果、アラニンを様々な濃度で溶解し 220°C 下で脱水縮金ナノ粒子の一次規則配列に成功した。

合反応させたところ、反応後溶液中に沈殿物が生a)じた。生成した沈殿物を分析したところ、約 10%の効率でジペプチドが形成していたことがわかった。また、沈殿物の形態を観察したところ、反応仕込み濃度の違いによって、500nm 程度の球状な凝集体や棒状の凝集体を形成することがわかb)った(図４)。

ac)
6 µm

b

１００ｎｍ

図５ DNA を用いた金ナノ粒子配列②無機材料認識ペプチドを活用したナノアセン
6 µm

ブリ
まず、ファージディスプレイペプチドライブラ
リを用いたファージ提示法により、酸化亜鉛に対図４ 析出した沈殿物の SEM 像して結合活性を持つペプチドを選択し、それを基３）バイオ技術によるブロックの設計通りの配列板に固定化することによって、酸化亜鉛の選択的固定化を行った。ペプチド固定プレートを蛍光性ナノ〜ミクロ粒子を用いたデバイスの創製に粒子が懸濁している中性水溶液液に浸し、数回洗は、粒子の自在なパターニングが必要である。本

浄後、プレート上の蛍光粒子残存を紫外線照射で研究で我々は、DNA とペプチドを用いた金属粒子評価したところ、ZnO 粒子懸濁液に浸したプレーアセンブリを行った。

トのみ蛍光性粒子由来の蛍光が示された(図６)。
これより、今回選択された ZnO 結合ペプチドは①DNA を用いたナノ粒子アセンブリ

ZnO に特異的に結合すると言え、それを用いたパSeeman 等の方法を参考にし、DNA 鎖がホリデターニングの可能性を示すことができた。

−3−

(a)

(b)

(c)

(d)

2. M. Sasaki, J. Nishiyama, M. Uchida, K. Goto, K.
Tajima, T. Adschiri, K. Arai, Green Chemistry, 5(1),95-97 (2003)
3. M. Sasaki, M. Furukawa, K. Minami, T. Adschiri, K.
Arai,

IndustrialandEngineering

Chemistry

Research,41(26),6642-6649 (2003)
図６ 金属酸化物懸濁液に浸された 254nm 照射時のポリプロピレンプレート(a) ZnO 懸濁液に浸した後のペプチド未固定金プレート(b) ZnO 懸濁液に浸した後のペプチド固定金プレート(c) ZnS 懸濁液に浸した後のペプチド固定金プレート(d) Eu2O3 懸濁液に浸した後のペプチド固定金プレート

4. M. Sasaki M, T. Adschiri,K. Arai, Journal of
AgriculturalandFood

Chemistry,51(18),5376-5381(2003)
5. Y. Hakuta, T. Haganuma, K. Sue,T. Adschiri , K.
Arai, Research Bulletin, 38(7), 1257-1265 (2003)

４．今後の課題と発展

6. M. Umetsu, K. Tsumoto, M. Hara, K. Ashish, S.
Goda, T. Adschiri, I. Kumagai, The Journal of

アセンブル・ディスアセンブルに基づく物質循Biological Chemistry, 278(11), 8979-8987 (2003)

環型技術開発は、社会構築にかかせない要素技術

7. M. Kubo, M. Ando, S. Sakahara, C. Jung, K. Seki,

であり、社会技術的な展開が期待される。本研究T. Kusagaya, A. Endou, S. Takami, A. Imamura, A.

では、バイオマス材料の選択的ブロック回収(ディMiyamoto,スアセンブリ)に成功した。セルロース・リグニン

188-195 (2004.2)の化学修飾や新材料合成等の新たな展開の基礎

8. M. Umetsu, K. Ashish, K. Tsumoto, I. Kumagai,となるものである｡今後はその「ブロック」からChemistry Letters, 33, 1600-1601 (2004)

高付加価値な材料へビルトアップすることが課

9. M. Osada, T. Sato, M. Watanabe, T. Adschiri, K.

題である。

Arai, Energy & Fuels, 18(2), 327-333 (2004)

AppliedSurface

Science,223(1-3),

また、超臨界水中での有機・無機ブロックの複10. M. Umetsu, K. Tsumoto, K. Ashish, S. Nitta, Y.

合化においては、無機ブロック材料に有機分子単

Tanaka,T. Aschiri, I. Kumagai, FEBS Letters, 557,

層膜を形成させることに成功した。これは、有機49-56 (2004)

分子の特性を変化させることにより無機ブロッ

11. K. Okuda, M. Umetsu, S. Takami, T. Adschiri,

クを至適にアセンブルできる可能性を示していFuel Processing Technology, 85(8-10), 803-813

る。今後有機分子の特性を変化させて、ナノ粒子(2004.7)

アセンブリに取り掛かりたい。

12. K. Sue, N. Kakinuma, T. Adschiri, K. Arai,

DNA, ペプチドを用いたアセンブリ技術の構築

Industrial and Engineering Chemistry Research, 43,

に関しては、バイオ分子の高次構造形成と特異的

2073-2078 (2004)

物質認識によって、ナノバイオテクノロジーに置

13. K. Okuda, X. Man, M. Umetsu, S. Takami, T.

ける新基盤技術を提案することに成功した。今後、Adschiri, Journal of Physics: Condensed Matter,新規学術分野の創成を目指した研究までの展開

16(14), S1325-S1330 (2004.4)を考えている。

14. S. Ohara, T. Mousavand, M. Umetsu, S. Takami, T.
Adschiri, Y. Kuroki, M. Takata, Solid State Ionics, 172,５．発表論文リスト

261-264 (2004)
15. 畠山義治, 南

1. M. Sasaki,T. Adschiri,K. Arai, Bioresource

高見Technology, 86, 301-304 (2003)

617-622 (2004).
−4−誠一, 阿尻昌宏, 梅津 光央, 大原智,雅 文 , 高 分 子 論 文 集 , 61,