図1 本研究の概要図
架橋によるタンパク質結晶の高強度化と高延性化と、
それらの圧縮試験による応力ひずみ曲線の解析や内部の欠陥構造の詳細を観察

　近年、気候変動による社会問題や国際情勢を背景に、エネルギー消費量の削減や持続可能なエネルギーの開発が世界中で取り組まれています。そのような環境配慮の観点から、生体分子であるタンパク質を素材とした材料の開発が注目されています。実際にタンパク質を素材とした非晶質材料であるクモの糸は高い強度を持ち、その環境適応性と優れた硬さから実用化まで進んでいます。同様に、タンパク質の結晶性材料であるタンパク質結晶も次世代の新材料として期待されています。しかし、弱い分子間相互作用によって構成されたタンパク質結晶は、非常にもろく壊れやすい弱点があります。このもろさを克服するために、架橋と呼ばれる手法が注目されています。一般に、架橋とは高分子同士を結合させて、物理的、化学的性質を変化させる方法です。タンパク質結晶においても、架橋分子によって結晶内のタンパク質分子間に共有結合が形成され、結晶が壊れにくくなることは古くから知られていました。しかし、この強化法は経験的な域を出ておらず、材料力学的観点から見た架橋タンパク質結晶の特性はほとんど理解されていません。この強化現象を実験的に明らかにすることは、架橋による強化のメカニズムの理解に留まらず、新材料創成に向けても重要な知見となります。


研究内容
　本研究グループは、大型の結晶作製を可能とする塩濃度勾配法を用いて、タンパク質結晶の一つである鶏卵白リゾチーム結晶を作製し、グルタルアルデヒドを含む架橋溶液に浸漬することで架橋タンパク質結晶を作製しました。そして架橋を施していない純粋なタンパク質結晶と異なる架橋時間で作製した架橋タンパク質結晶に対して、圧縮試験による応力ひずみ曲線＊2の解析や内部の欠陥構造の詳細を観察しました。
　図2は、純粋なタンパク質結晶と7日間架橋を施した架橋タンパク質結晶の典型的な応力ひずみ曲線を示しています。図2(a)は原点付近の拡大図を示しており、図2(b)でほとんど見えない純粋なタンパク質結晶の応力ひずみ曲線に対応します。架橋によって応力ひずみ曲線が劇的に大きく変化していることがわかります。
　ここで架橋前後の曲線で注目すべき点が二つあります。一つ目は曲線の形状です。純粋なタンパク質結晶は圧縮により弾性変形を示し、その後、破壊が起こりました。このように弾性変形から破壊に至る材料を脆性（ぜいせい）材料と呼び、ガラスやセラミックスで典型的に見られるふるまいです。一方、驚くべきことに、架橋タンパク質結晶は弾性変形後に破壊することなく、上下降伏点現象＊3を示し、その後塑性変形＊4を生じました。さらに、その後の大きなひずみにおいても明瞭な破壊が観察されませんでした。このような弾性変形後に破壊することなく塑性変形を示す材料を延性材料と呼び、金属や高分子材料でよく見られるふるまいです。それぞれの圧縮試験前後の光学顕微鏡写真からも、純粋なタンパク質結晶は圧縮試験によって粉砕しているのに対し、架橋タンパク質結晶は壊れずに形状を維持しており、脆性から延性へと変化したことがわかります（図3）。このような脆性から延性への変化が温度の変化によって発現する材料は報告されていますが、架橋液に浸漬するだけの簡便な方法で得られるのはタンパク質結晶特有の性質である可能性があります。