クモ糸の複雑な構造と生産方法を解明する長年の研究を経て、研究者らはこの非常に強靭で弾力性のある素材のサンプルを、実験室で作製することに成功した。この新たな進展により、縫合糸から臓器置換用の足場材まで、用途に合わせて特性を調整した合成クモ糸から、さまざまな生体医療材料を作れるようになる可能性がある。
研究成果は今週、 Nature Communications 誌に掲載された。執筆者は、MIT土木・環境工学（CEE）教授のMarkus Buehler、博士研究員のShangchao LinとSeunghwa Ryu、およびMIT、タフツ大学、ボストン大学、ドイツ、イタリア、英国の研究者らである。
シミュレーションと実験を組み合わせたこの研究は、天然シルクを超える「特性を向上させた新たな繊維の創製」への道を開くと、CEE学科長も務めるBuehlerは述べる。この研究により、強度、弾性、靭性に関する特定の特性を備えた繊維を設計できるようになるはずだという。
新しい合成繊維のタンパク質、すなわち素材の基本的な構成要素は、通常クモが作るタンパク質を作るように細菌を遺伝子改変して生成された。次にこれらのタンパク質を、クモが天然の糸繊維を作る際に使う「紡糸器官」と呼ばれる器官の働きを模倣するよう設計されたマイクロ流体チャネルに通して押し出した。
クモは不要
クモ糸は、既知の素材の中でも特に強いものとして長く知られてきたが、採取可能な繊維を生産させる目的でクモを飼育するのは現実的ではない。そのため、クモ糸に似た合成糸を作るこの新しい方法によって、こうした強靭で柔軟な繊維を生体医療用途に利用できる可能性がある。クモ糸はその性質上、完全に生体適合性があり、有害反応のリスクなく体内で使用できる。最終的には、体内に吸収されるだけである。
研究者らの「紡糸」工程では、水に溶かした構成タンパク質を、制御された速度で微小な開口部から押し出すことで、分子が整列し、強い繊維が形成される。分子そのものは疎水性化合物と親水性化合物の混合物であり、自然に整列して、構成成分よりはるかに強い繊維を形成するように調合されている。「紡糸すると、一方向に非常に強い結合ができます」とBuehlerは述べる。
研究チームは、タンパク質の配合を適切にすることが極めて重要だと突き止めた。「疎水性タンパク質の割合が高いと、繊維はまったく紡がれず、見苦しい塊になることが分かりました」と、MITの博士研究員としてこのプロジェクトに携わり、現在は韓国科学技術院の助教を務めるRyuは語る。強い繊維を作るには「適切な配合を見つける必要がありました」という。
循環を閉じる
このプロジェクトは、分子レベルでのシルク生産を理解するためにシミュレーションを初めて用いた研究である。「シミュレーションは不可欠です」とBuehlerは説明する。タンパク質を実際に合成するには数か月かかることがあり、そのタンパク質が求める特性を正確に備えていなければ、工程を最初からやり直さなければならない。
シミュレーションを使えば、「繊維の剛性に変化が現れるまで、幅広いタンパク質を調べる」ことができ、その後、該当する化合物に絞り込めるとLinは述べる。LinはMITの博士研究員としてこのプロジェクトに携わり、現在はフロリダ州立大学の助教を務める。
特性を直接制御できれば、技術者が用途に応じて特性を選べるため、最終的には天然のものよりさらに強い繊維を作れる可能性がある。例えば、クモの網は、獲物の昆虫を捕らえても切れないよう弾性が必要かもしれない。一方、外科用縫合糸を設計する場合は、より高い強度と低い伸縮性が求められる。「シルクでは、そうした選択はできません」とBuehlerは述べる。
研究チームによると、この素材の加工は水性溶液を用いて室温で行えるため、製造規模の拡大は比較的容易なはずだ。これまでに実験室で作製した繊維は天然のクモ糸ほど強くないが、基本工程が確立された今、素材を微調整して強度を高められるはずだという。
「自然から優れた発想を借りて、人工紡糸繊維の強度、弾性、靭性を高めることが私たちの目標です」とLinは語る。この研究は、新しい合成繊維、あるいは特定の方向への電気・熱輸送など、特性の向上が求められるあらゆる素材の開発に着想を与える可能性がある。
この研究に関与していないブラウン大学の工学教授、Huajian Gaoは、「これは驚くべき研究です」と述べる。「シルク様素材の工学的応用を直接探ることを可能にする、画期的な成果につながるかもしれません。」
Gaoはさらに、網の構造の違いを探ったチームの研究は、「重量を増やさずに強度と堅牢性を大幅に高めることで、繊維強化複合材料の設計改善に実用的な効果をもたらす可能性があります。軽量性が不可欠な航空宇宙・産業用途では、素材イノベーションへの影響が特に重要になり得ます」と付け加える。
この研究は、米国国立衛生研究所、米国国立科学財団、米国海軍研究局、韓国国立研究財団、欧州研究会議の支援を受けた。
この記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されている。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しない。
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著者：David L. ChandlerはMIT Newsの寄稿ライター。
2014年10月28日、ナント近郊のヴェルトゥで、クモの巣にぶら下がる露のしずく。REUTERS/Stephane Mahe。
