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私の研究を説明するうえでは、「ポリマー（高分子）」を扱う高分子科学が欠かせません。みなさんはまだ習っていないかもしれないですね。
ポリマーでできた、もっとも代表的な材料がプラスチックです。プラスチックは私たちの豊かな暮らしを幅広く支えていますが、現在、その環境負荷が問題視されています（資料１）。
まずプラスチックは石油由来が多く、その製造において大量の二酸化炭素を排出します。温暖化防止の観点からこのまま使用を継続することは好ましくありません。
またプラスチックは、自然環境中で比較的安定で 「生分解性」が低い、つまり自然に還りにくい性質を持っています。プラスチックは廃棄されると、海洋ゴミや微細なプラスチック片「マイクロプラスチック」として自然に残存し、長期にわたって環境を破壊してしまいます。
こういった環境問題を解決するために現在、新しいプラスチックが生まれています。たとえば生分解性が高い、植物由来のプラスチック、微生物が体内に蓄えている「バイオポリエステル」の利用などがあります。その中で私が研究しているクモの糸は「ポリペプチド」、いわゆる自然由来のタンパク質でできたポリマーです。
S C I E N C E
S E M I N A R
サイエンスセミナー
1日 本 を 世 界 を 変 え る 最 先 端 の 研 究
ク モ の 糸 が プ ラ ス チ ッ ク を代替
クモの糸から生まれます プラスチックに代わる、
軽くて強い材料です
定義としての高分子は、１種あるいは数種の原子、原子団が繰り返し連結している特徴を持つ分子によって構成される物質。また、定義としてのポリマーは「モノマー（単量体）」が鎖状に結合したものであるが、一般的には高分子とポリマーは同義である。ポリマーが集まり材料となることで、見慣れたゴムやプラスチックになる。 ▼
高 分 子 ・ ポ リ マ ー
二つの液体が、混じり合うことなく、互いに２相に分離してしまう状態を指す。クモの糸ができる前段階では、シルクタンパク質は液
- 液相分離し、
大量の球が互いに分離している状態になる。 ▼
液 - 液
相 分 離
全体の構造（クモの糸）が、個別の材料（クモ体内のタンパク質）が相互作用することによって自然と出来上がること。 ▼自 己 組 織 化
存在する。 固体と固体の計５種類の界面が 固体、液体と液体、液体と固体、 面のこと。気体と液体、気体と が異なるものの間にできる境界 気体、液体、固体それぞれ相 ▼界 面
指す。 ド結合」によって重合したものを 数多くのアミノ酸が「ペプチ ▼ポ リ ペ プ チ ド
研究を読み解く
受 賞 歴
東進ハイスクール・東進衛星予備校を運営する㈱ナガセから、毎年最先 端の分野でさらなる飛躍が期待される若手研究者に贈られる賞だ。日本の 未来を拓く研究者のサポートを目的としたフロンティアサロン財団の厳正 な審査により受賞者が選考され、ナガセ賞最優秀賞受賞者には高校生の ための特別講義の機会と、賞金2,000万円、賞状及び副賞が授与される。
A Q
地球に優しい、未来の材料って何から生まれるの？
基 礎 知 識
軽 く 、強 く 、加 工 が し や す い タ フ ネ ス な ク モ の 糸
私
は、クモの糸から未来の材料をつくる研究 をしています。クモは非常に身近な生物で す。しかし、クモの糸から生まれる特殊な繊維 が、車のシートやプラスチックの代わりの材料 になることは、まだみなさんは想像すらできない のではないでしょうか？クモの糸から生まれる材 料は軽く、強く、そして何よりも地球環境に優し いという特徴があります。私の仕事はクモの糸 から、地球の新しい未来をつくることなのです。クモの糸の長所は、まず軽量で「タフネス」が高いこと、つまり強靭であることです（資料２、３）。それに加え、他のプラスチックと混ぜ合わせやすく（「界面ぬれ性」が高い）、加工がしやすいという特徴があります。通常、異なる材料を混ぜ合わせてつくったものが壊れるとき、それぞれの材料の境界である「界面」から接着が剥がれて壊れてしまいます。しかしクモの糸の場合、この界面の接着性が高いという特徴があるのです。
その一方で短所は水に弱いということです。言 い換えれば、置かれている環境によって物性が大きく変わってしまうということですから、材料としては致命的です。研究開発としては、この短所を克服し、長所を伸ばすことが求められます。 しかしクモの糸は１０ ０年以上研究されているにもかかわらず、その構造がよくわかっていません。私たちはまず、クモの糸の構造に迫ることで、より良い材料開発ができると考え、研究を進めました。
プラスチックに代表される高分子材料は、我々の生活には欠かせな い材料だが、自然環境中への流出が引き起こす環境問題や、石油資 源の枯渇や二酸化炭素排出に関連して、まるで問題がある材料のよ うに扱われる機会が増えている。しかし、実際には、高分子材料に 問題があるわけではなく、使う人間側の問題だ。現実問題として、
使い方、捨て方を世界中で規制することは難しいのが現状だ。
高タフネス 軽量
界面ぬれ性が高い
水への感受性が高い 成形加工性が低い 構造物性の相関が未解明 紡糸機構も未解明 点利
点欠
現代社会を支える
高分子だが、温暖化や 海洋汚染の要因に
沼田 圭司 先生
京都大学大学院 工学研究科 材料化学専攻
高分子材料化学講座 生体材料化学分野 PROFILE
1999年東京学芸大学附属高校校卒業、
2003年東京工業大学 工学部 高分子工学科卒業、2005 年東京工業大学大学院 総合理工学研究科物質科
学創造専攻 博士前期課程修了、
2007年東京工業大学 大学院総合理工学 研究科物質科学創造専攻 博士後期課程 修了。同年博士（工学）
の学位（半期短縮）取得。
2022年 第12回
フロンティアサロン 永瀬賞最優秀賞受賞
クモの糸
（シルクタンパク質）の 利点と欠点
資料3
電子顕微鏡で見たクモの糸。クモ の糸に匹敵する材料を作るため に、研究ではクモの糸を理解する ことと模倣することが両輪とな る。
資料2
資料1
TOSHIN TIMES 2022
入試・広報部
〒141-8642 東京都品川区東五反田3-16-21 TEL: 0120-53-5363（入試専用フリーダイヤル）
URL https://www.seisen-u.ac.jp/
〈文学部〉スペイン語スペイン文学科／英語英文学科／地球市民学科／文化史学科／日本語日本文学科
ポ イ ン ト
ポ イ ン ト
一般入試 2023 年度一般選抜情報■■■■■■
入試区分 試験日 郵送出願期間※ 合格発表日
A 日程＜全学統一方式＞ 1/29（日） 1/4（水）〜1/20（金） 2/2（木）
2/15（水）
1/4（水）〜1/27（金）
2/28（火）
1/4（水）〜2/15（水）
B 日程 2/6（月）
C 日程 2/23（木・祝）
清泉女子大学は、1877年にスペインで設立された聖心侍女修道会を設立母体とするカトリック の女子大学です。文学部に個性豊かな5学科を設置しています。授業は少人数制で、教員との距 離が近く、積極的・主体的に授業に参加できる環境です。緑豊かな都心のキャンパスで、4年間、
しっかりと自分自身と向き合い、友人や教職員と共にじっくり学び、社会性を培うことで、「自 分で考え、判断し、決断できる女性」を目指しませんか。
●オールマークシート式で対策しやすい（A 日程）
●全学科併願可能（A 日程）、グループ別併願制（B 日程）
●英語外部検定試験利用可能〈換算点〉（ABC日程）
大学入学共通テスト利用入試
入試区分 試験日 郵送出願期間※ 合格発表日
前 期
1/14（土）、15（日）
（大学入学共通テスト試験日）
2/15（水）
1/4（水）〜1/27（金）
2/28（火）
1/4（水）〜2/15（水）
3/4（土）
2/16（木）〜2/28（火）
中 期 後 期
●全学科併願可能 ●併願割引制度あり
●入試区分によって配点、科目数が異なるので、力を発揮できた科目を活かせる
※出願情報をインターネットで登録後、出願書類を郵送。締切日の消印有効。
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研究への夢がめばえた
10代
沼田先生の研 究でこんな未 来がやってく る
子どもの頃は、算数と理科と社会が得 意で、英語と国語が不得意でした。理 系に進んだのは必然的でした。高校時 代は水泳漬けの毎日。水泳部の顧問の 先生が化学の先生でした。大会の待ち 時間に化学についていろいろ教えても らっていました。
EPISODE
東京工業大学に進学。国立大学に進学 したのは、研究のためというより、水 泳部に入りたかったから。私立大学だ と推薦入試で入ってきた人で部が埋 まってしまうためでした（笑）。
研究に舵を切り始めたのも水泳がきっ かけでした。大学４年生の夏に怪我を して長期入院。水泳という人生の目的 がなくなったタイミングで、研究に本腰 を入れて取り組み始めました。
沼田先生の メ カ ニ ズ ム 解明 か ら人 工 的 な ク モ 糸 の 創出 へ 仮説 を書 き換 え ろ
ク モ の 糸 の 研究 は 学術 の 総合格闘技
私たちの研究チームは、クモの糸ができるメカニズムを世界で初めて詳細に明らかにしました。 そもそも、クモの糸「シルクタンパク質」ができる仕組みにはすでに有力な仮説がありました。私が留学していたアメリカの研究グループは、世界的な権威を持つ英国の科学誌『ネイチャー』に、「シルクタンパク質の粒子はクモの体内で特殊な分散をしており（ミセル構造）、放出される際に生じる特殊な作用（せん断応力）によって糸になる」という仮 私たちの研究チームは人工的にクモの糸をつくることに挑みました。クモの糸は、シルクタンパク質の「自己組織化」作用によって生み出されています。自己組織化がどのように起きているのか、そのメカニズムを知ることができれば、人工的にクモの糸をつくることができるはずです。クモの体内で糸をつくるタンパク質ができると、
Hpの変化と
ともに「液
－液相分離」
が起き、次いで三次元的な網目が形 説を報告していました。しかし私はずっと、この仮説に疑問を抱いていました。
そこで、実際にクモの体内でどのようにシルクタンパク質ができているのかを、とても直接的な方法で調べることにしました。つまり、クモのお腹の中で糸になる前のタンパク質、糸になる直前のタンパク質、糸になった後のタンパク質を調べたのです。それも「小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）」という、物質の構造を測定できる装置で詳細に調べました。
成され、脱水を経て、繊維化します。そしてせん断応力という特殊な力がかかることで糸ができあがります。
このメカニズムを知るためには、相互作用がどのようなもので、どんな順番で起きているかを解明する必要があります。クモの糸を構成しているのはタンパク質の球（顆粒様の構造）の連なりです。しかし、球が実際にはどのように繋がって糸になっているのか、その仕組みがよくわかってい 私たちは現在、水に弱い性質を克服した、水に強いクモの糸の繊維をつくり、それを使った衣服をつくりました（資料４）。さらに車のシートのフォーム材なども開発されており、最近は国際標準化されたことでクモの糸は、地球に優しい世界の材料になりつつありま す。 また現在、クモの糸のデータベースも構築し、望んだ性質を持つクモの糸をつくりやすい情報環境の構築も進めています。 このように、高分子科学からお話をはじめましたが、クモの糸の研究は生物、物理、工学、さらには情報科学も含めた、
クモの糸は、環境負荷が低い 未来の材料。車のシート材や、
プラスチックの代替材料に なるなど、応用範囲が広く、
潜在的な可能性に富む材料である。
現在は国際標準化もされている。
企業との共同開発で生まれた 耐水性人工シルクを使った 世界初のアウトドアジャケット
クモの糸のメカニズムを詳細に解明。クモの体内の糸をつくる タンパク質がpHの変化とともに液-液相分離し、三次元的な網目が 形成され、脱水を経て、繊維化。せん断応力がかかることで糸がで きあがる。
世界で初めて、人工のクモの糸を作成することに成功。天然 のものと同様のマイクロフィブリル構造を持ち、天然のクモの糸 と同じ構造を再現している。
現在は水に弱い性質を克服した、水に強いクモの糸の繊維をつ くり、それを使った衣服をつくるなど応用を進めている。また、クモ の糸のライブラリをつくることで、材料の開発と探索を効率化してい る。
研究のまとめ
いわば学術の総合格闘技です。
みなさんも勉強には得意不得意があるかもしれませんが、どうかがんばってみてください。不得意な科目が将来役に立ち、クモの糸のような未来の素材開発に結びつくことがあるかもしれませんから。
特徴
主原料は石油などの化石資源に依存しない。
生き物の進化のプロセスと同じように、分子 レベルでの改良を繰り返し、素材の特長をデ ザインすることが可能。
EPISODE 01
EPISODE02
EPISODE03
資料4
すると、アメリカの研究グループが提案しているようなミセル構造は、仮に存在したとしても、クモの糸のタンパク質が取る主たる構造ではない、ということがわかったのです。
権威のある仮説が覆るかもしれない。しかし、そのためにはより詳細な測定が必要でした。
先ほどの小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）では、物質の構造を間接的に測定するものです。次は顕微鏡で、これらのタンパク質を直接、詳細に観察しました。物質のミクロな表面の様子を詳細に観察できる「原子間力顕微鏡」などを 使用し、調べた結果、世界で誰も見たことのない、クモの糸ができるメカニズムが明らかになりました。
まず、糸になる前のタンパク質は、１ミクロン以下、あるいは１ミクロン以上の球をつくっていることがわかりました。
次に糸になる直前のタンパク質では、球が１００ナノメートル前後で糸の軸方向にそって並んでいる。そして糸になった後のタンパク質もこの球が連なった構造を保っていることを、２０１７年に明らかにしました。私たちの研究は結果として、世界の仮説を書き換えたのです。
ませんでした。
私たちは球を構成するタンパク質の分子機構に着目しました。このタンパク質には、「Ｎ末端（ＮＴＤ）」、「繰り返し配列」、「Ｃ末端（ＣＴＤ）」という区分がありました。これらの異なる区分が、どのように自己組織化を促し、クモの糸ができているのかを調べていきました。
私たちは遺伝子組み換え技術を使い、Ｎ末端とＣ末端を取り除いたもの、Ｎ末端を機能しなくさせたもの、繰り返し構造の みのタンパク質をつくり、クモの糸ができるかを実験しました。すると、Ｎ末端が液
たのです。 維をつくることに成功し 糸と同様の構造を持つ繊 界で初めて人工的にクモ ようにして、私たちは世 解明を進めました。この くメカニズムについても ことで繊維として結びつ 士が液体として振る舞う の役割分担に続き、球同 分担がわかりました。球 うえで必要だという役割 Ｃ末端が繊維化を起こす －液相分離を、
TOSHIN TIMES 2022
