高弾性タンパク質レシリンをモチーフとした強靭なヒドロゲルの創製
Strong and Tough Hydrogel Using Highly Elastic Resilin as a Motif（高分子学会推薦）

代表研究者 富山県立大学

小山 靖人

協同研究者 富山県立大学

アブビンイヘサン Toyama Prefectural UniversityToyama Prefectural University

Yasuhito KOYAMA
Abu Bin IHSAN

Natural structural proteins such as fibroin, collagen, elastin, and resilin have a specific repeating sequence, which
exhibits fibrous functions.

Resilin is an extraordinary natural repeating structural biopolymer that outperforms almost

any synthetic material in its combination of strength and elasticity.
technique for polypeptide has not been sufficiently developed.

However, the sequence-ordered polymerization

Although the polycondensation of oligopeptide as amonomer can afford the corresponding polypeptide with the repeating sequence, the preparation of oligopeptide monomer
itself is highly challenging.

We have reported a practical synthetic technique for alternating peptides via catalyst-free

three-component polymerization exploiting an aldehyde, an alkyl ammonium salt, and an ambident molecule comprising
isocyanide and potassium carboxylate as the reaction components.

The great advantage of our development is that thealternating peptide structure can be flexibly modified by changing the starting components, so it is not restricted to thepermutations of 20 natural amino acids.
for catalyst-free dipeptide synthesis.

The elemental reaction of polymerization is Ugi four component condensation

As the applications of our invention, we investigated (i) the impact of polypeptide

sequence on thermal properties, (ii) the structural scope of alternating peptides as an adhesive material, and (iii) thecreation of hydrogel comprising collagen and alternating peptide.

研究目的

れているが, その組み合わせは天文学的な数になるた蚤（ノミ）は体長の 150 倍の高さまで跳躍できる

め, 構造-物性相関の網羅的な理解は大変困難な作業ことが知られている。ヒトに例えると, 六本木ヒルである。また天然のアミノ酸骨格に限定されるため, 物ズや東京都庁のビルを, 全くの助走無しで軽々と飛性値には必然的に上限があると考えられる。

び越える程である。近年, 蚤の脚の強さはレシリン

一方で, 我々はペプチド交互共重合体を僅か 1 段階と呼ばれる高弾性タンパク質に起因することが明らで合成する手法を最近開発している（Figure 1）3。アミかとなり 1, その粘弾性は天然ゴムをも凌ぐため 2,ノ酸をモノマーとして用いない合成法であり, アルポリペプチドが次世代エラストマーの母骨格としてデヒド, アミン, 及びイソシアニドとカルボン酸を特別な注目を集めるようになってきている。

併せ持つ分子（アンビデント分子）を混合すると Ugi

レシリンは一次構造として GGRPSDSYGAPGGGN反応を素反応とする重縮合が進行し, 構造に全く乱というアミノ酸配列を繰り返し構造として持つ。レシリン,れの無い完全な交互共重合体が得られる。重合は触あるいはその物性を凌駕するような新材料の創製を目媒が不要なクリーンな反応であり, 本手法によって指して, 遺伝子組み換え微生物を用いて 20 種類の天得られるポリマーは繰り返し構造が単純な 2 元系で然アミノ酸配列を最適化しようとする研究が盛んに行わありながらも, 天然骨格のみならず任意の骨格を側鎖に組み込むことが可能である。材料としての利用と特性評価に分類して実施した。

についても研究を開始しており, これまでにPoly(Gly-Phe)をリード化合物としたバイオグルー

ペプチド交互共重合体のライブラリー合成の合成について検討し, 粘弾性のファイバーを形成する構造を見出している（Figure 1）。

まずポリマーの合成から研究を開始した。我々が開発した Ugi4 成分縮合反応を素反応とする 3 成分

本研究では, こうしたペプチド交互共重合体を母重合法を利用し, 3 種類の重合コンポーネントの置骨格として用いた。レシリンの構造や基礎物性の因換基構造を体系的に変化させ, 多種多様なペプチド子（共有結合的な架橋部位, イオン間相互作用, 水素交互共重合体を合成した（Figure 2）。アルデヒド, ア結合, 可逆な-ターン転移, LCST&UCST など）をペンモニウム塩（X: 塩化物イオン, トリフラート）,プチド交互共重合体上の置換基に組み込みながら,イソシアニド含有のカルボン酸塩（アンビデント分

高粘弾性ポリペプチドを合成し, それを用いる強靭子）を当モル量混合すると, 中和, イミン化, 重付加,なヒドロゲルの創製を目指して検討を行った。

アシル転位が一挙に起こり, 対応するペプチド交互共重合体を高収率で得た。アンビデント分子については, グリシンユニット, フェニルアラニンユニット, 及びロイシンユニットに該当する分子の合成手法を現時点までに確立している。

ペプチド交互共重合体の力学特性と温度応答性の評
価
こうして得られたペプチド交互共重合体における置換基の構造と, 主鎖の剛直性, 熱物性, 分子鎖間の相互作用, 及び力学強度との関連性について評価した。
2 枚のガラス板を利用した重ね剪断試験によって合成したペプチド交互共重合体の接着力を評価した
際, 偶然, 剪断応力によって接着強度が増加するようなペプチド交互共重合体を見出した（Figure 2, 下段）。Poly(Gly-Val)の骨格上にベンジル基を規則的に有するポリマーは応力を添加する度に接着強度が顕著に増加し, 最終的にはペプチド接着剤であるフィ
Figure 1. One-pot synthesis of alternating peptide

ブリン糊の約 12 倍の接着強度を示すことが分かっ

via three-component polymerization and the fibrils of

た。研究開始以前に見出していた粘弾性ポリマーとviscoelastic alternating peptide formed after a lap-

比べると 2 倍以上の接着強度であった。20 mg で

shear test.

1.35 kg の荷重を軽々と支えることも可能であった。
種々の解析の結果, 接着の応力依存性は①剪断応力

研究経過によってポリマーが伸びきり鎖に変形することと,研究は①ペプチド交互共重合体のライブラリー合②伸びきり鎖からランダムコイルへの構造緩和が遅成, ②ペプチド交互共重合体の力学特性と温度応答

いこと, ③伸びきり鎖間に強い相互作用が存在する性の評価, 及び③皮膚を模倣したヒドロゲルの合成ことに起因することが分かった。また規則的なベンジル基は伸びきり鎖の立体保護基として機能しておPoly(Gly-alter-Val)におけるバリンユニットのアミドり, 構造緩和を速度論的に抑制する働きがあること

窒素上に置換基（Me, Et, Pr, -CH2CH2OH）を導入しが示唆された。

た各種ポリマーを合成し, それらの温度応答性を評価した。しかしいずれのペプチド交互共重合体においても UCST 型の温度応答性を示すことが分かった。

Figure3.

Thermo-responsive

behaviorsof

Figure 2. Ugi-4CC-based polymerization and shear-alternating peptide, diblock copolypeptide, andinduced adhesion of alternating peptide.

random copolypeptide comprising a stoichiometricamount of glycine and valine units.

一方で, ペプチド交互共重合体の温度応答性についても体系的に評価した。疎水性ユニットとしてバ

そこで次にバリンの置換基（i-Pr 基）をより疎水的リン, 親水性ユニットとしてグリシンを当モル量含な長鎖アルキレン基へと変更した。Figure 4 に示す

み, 且つ異なるアミノ酸配列からなる 3 種のポリマ

ポ リ マ ー に お い て , 水 溶 液 中 で Poly-C5-HE はー（ジブロック, ランダム, 交互共重合体）をそれぞUCST, Poly-C5-Pr は LCST 型の温度応答性を示すれ合成した（Figure 3）。各種ポリマーの水中におけことが分かった。一方, Poly-C7-HE は低温域ではる温度応答性を評価したところ, アミノ酸組成比がUCST と高温域では LCST を示した。Poly-C7-Pr は全く同じであるにも関わらず, 異なる温度応答性を水に不溶であった。アルキレン鎖長と温度応答性の示すことが分かった。ジブロックコポリマーは下限相関評価から, ペプチド交互共重合体の温度応答性臨界溶液温度（LCST）型の挙動を示す一方, 交互共は交互共重合体の親疎水バランスのみならず, 疎水重合体は上限臨界溶液温度（UCST）型の挙動を示し性置換基の分子サイズや分子鎖内相互作用の強さにた。ランダムコポリマーはポリマー中に交互共重合も依存することが明らかとなった。とブロックの両セグメントが含まれるため, UCST及び LCST の両挙動を示した。親疎水性のバイナリーパターンと温度応答性の関連性について理論予想が報告されていたが 4, 実験結果とは逆であることが明らかとなった。
ここで用いたペプチド交互共重合体（Poly(Glyalter-Val)）の親疎水性のコントラストが明確でないことが理論予想との違いの原因 であるかと考え ,Figure 4. Structures of alternating peptides bearinghydrophobic alkylene chains.

皮膚を模倣したヒドロゲルの合成と特性評価能を発現するようなポリペプチドが得られたほか,皮膚は構造タンパク質であるコラーゲンとエラスペプチド交互共重合体の精密な繰り返し構造を利用チンを構成成分として含んでいる。3 重らせん構造

することでポリペプチドの温度応答性と構造との関からなるコラーゲンは剛直なコラーゲン繊維を形成

連性を正確に理解することができるようになってきして皮膚の形状を支え, 粘弾性のエラスチン[(Val-ている。

Pro-Gly-Val-Gly)n]がコラーゲン繊維間を連結するこペプチド交互共重合体を添加した際にコラーゲンとで, 柔軟性の高い皮膚となる。そこで前項まででゲルが強靭化する理由ははっきりと分かっていない

合成した各種ペプチド交互共重合体をエラスチン代が, おそらくコラーゲンファイバー間の物理架橋に替材料として見なし, 市販のコラーゲンに添加して,よるものであろう。分子鎖間に導入された弱い結合物理架橋によるヒドロゲルの調製について検討した。

は応力によって容易且つ可逆に分解する犠牲結合と特にペプチド交互共重合体の添加量やアミノ酸配列して機能し 5, ゲルが強靭化されたものと推測してがヒドロゲルの力学特性に及ぼす影響を解明するこいる。とを目的として研究を進めている。

本研究で用いたペプチド交互共重合体は, 定序配

現在 I 型コラーゲンに対するペプチド交互共重合列ポリペプチドとしては最も単純な構造であると言体の添加効果について検証しており, 現時点までにえる。しかし, 我々が開発した重合法は, シークエン得られた成果について下記に述べる。Figure 5a に示ス制御されたポリマーを簡便且つ大量に合成するこすように, コラーゲン単独でもヒドロゲルを形成すとが可能であり, 天然骨格のみならず人工骨格にもるが, ゲルは極めて脆い。このコラーゲンゲルに対適用可能である。そのため, この合成手法の開発にし, 少量のペプチド交互共重合体を加えると, 顕著よって, 本稿で示したように未踏領域であったアミにゲルが強靭化することが分かった。サンプル瓶のノ酸配列と材料物性との相関解明に向けた研究を進倒置試験においても型崩れすることがないことからめることが可能となった。将来, 本手法を通して真も, ゲルが強靭化されたことが明らかである（Figureに有用なポリペプチド型の生体材料を創製するよう,5b）。コラーゲンに対して, ペプチド交互共重合体を現在も関連研究を継続的に進めている。

1.0～10 wt%加え, 添加量やペプチド交互共重合体の構造がゲルの力学特性に及ぼす効果について詳細参考論文に評価した。その結果, これまでに皮膚よりも 9 倍

1) Elvin, C. M. et al. Nature, 2005, 437, 999.の引張強さを示すゲルを得ている。今後, ペプチド2) Qin, G. et al. Nat. Commun. 2012, 3, 1003.

交互共重合体の構造を更に最適化するとともに, 含3) Koyama, Y.*; P. G. Gudeangadi, Chem. Commun.

水量の影響についても詳細に調査する予定である。

2017, 53, 3846.
4) Ashbaugh, H. S. J. Phys. Chem. B. 2009, 113,14043.
5) Fantner, G. E. et al., Nat. Mater. 2005, 4, 612.
研究の発表
口頭発表
1.

小山靖人, Abu Bin Ihsan, 谷口将崇, 粘弾性タン

Figure 5. (a) Collagen hydrogel and (b) hydrogel

パク質の機能を模倣したペプチド交互共重合体

consisting of collagen and alternating peptide.の合成と力学特性, 第 69 回高分子討論会, 岩手大学（依頼講演, オンライン, 2020 年 9 月）.

考察

2.

Abu Bin Ihsan, 小山靖人, フォン・ヴィレブラン

以上, 我々が最近開発したペプチド交互共重合体

ド因子の特性を模倣した生体用接着剤の開発,のワンポット合成法を基盤とした機能性ポリペプチ

令和 2 年度富山県立大学研究協力会研究成果発ドの研究について, 最近の研究成果について述べた。

表会（オンライン, 2020 年 11 月）.

現時点までに, 応力駆動型接着剤という新たな機

3.

Abu Bin Ihsan, Masataka Taniguchi, Yasuhito

Koyama,4.

Adhesionbehaviorsofbio-inspired2.

小室波輝, 中島範行, 濱田昌弘, 小山靖人, LCST

alternating peptides, 第 69 回高分子学会北陸支部

型挙動を示すペプチド交互共重合体の設計と合研究発表会（オンライン, 2020 年 11 月）.

成, 令和 3 年度北陸地区若手研究会（オンライン,

小室波輝, 中島範行, 濱田昌弘, 小山靖人, LCST

2021 年 12 月）.

型挙動を示すペプチド交互共重合体の設計と合成, 日本化学会第 102 春季年会(2022)（2021 年 3

誌上発表月）.

1.

Ihsan, A. B.; Taniguchi, M.; Koyama, Y.* Shearinduced adhesion of alternating peptides prepared by

ポスター発表1.

Ugi four-center three-component reaction, Macromol.

谷口将崇, 小山靖人, フェニルアラニンを基質

Rapid Commun. 2020, 200480/1-7. (Multi-とするペプチド交互共重合体の合成と特性, 令component reaction in polymer science 特集号への

和 2 年度北陸地区若手研究会（オンライン, 2020

招待論文)

年 11 月）.