【研究領域課題番号】21K19020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / アラゴナイト / 双晶 / 欠陥

【研究成果の概要】

炭酸カルシウムのアラゴナイト結晶は双晶と呼ばれる、結晶内のカルシウムと炭酸の原子配置が反転した現象が起こり易いことが知られている。この双晶の密度が貝殻の種類によって厳密に制御されていることから、貝殻に含まれる何らかの有機分子が双晶の密度や方向の制御に重要であると考えられた。そこで、双晶の密度の高い貝殻および双晶の密度の低い貝殻から有機分子を抽出し、in vitroのアラゴナイト結晶形成実験を行うことで、双晶の形成に重要な因子を特定する研究を行う。
2021年度はコロナの影響もあり、研究のスタートアップのみを行った。まずはアラゴナイト結晶を形成するための基盤の作製を試みた。鉱物試料として販売されているモロッコ産のアラゴナイト結晶を購入し、柱状構造を樹脂に包埋した。包埋した柱に対して、精密切断機を用いて、完全に垂直に切断した。このように切断することで{001}の面を表出させた基盤を作成することができる。この基盤に対してアラゴナイト結晶を合成することが重要となる。
また合成したアラゴナイト結晶を基盤から剥がし、XRDにて双晶の密度を定量化するために、まずはXRDの測定の条件の検討を行った。2021年度に新たに購入したXRDで装置のセッティングから行う予定だったが、半導体不足の影響により装置が5月に納入されたため、2022年度にセッティングを開始する予定である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2021-07-09 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】19H03045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / 炭酸カルシウム / 真珠 / アラゴナイト / アコヤガイ / キチン / 有機基質 / 結晶成長

【研究成果の概要】

本研究は、アコヤガイの貝殻の真珠層形成において、1「有機薄膜の分泌調節」、2「有機薄膜の自己組織化」、3「炭酸カルシウム結晶成長制御」の3つのパートに分け、それぞれについて研究を進めることで、真珠層形成の分子メカニズムについて明らかにすることを目的としている。1「有機薄膜の分泌調節」について、これまでに検討した固定化方法、樹脂を用いて超薄切片を作製し、電子顕微鏡内で金ナノ粒子によるキチン合成酵素の局在解析を行った。特定の周期に金ナノ粒子が配置しているように観察されたため、キチン合成酵素の局在そのものが炭酸結晶の厚みを制御している可能性が示唆された。2「有機薄膜の自己組織化」について、分泌されたキチンと強固に結合し、有機薄膜形成に強く関係すると思われるメチオニンに富むタンパク質について、どのような相互作用で凝集しているのか合成ペプチドなどを用いて解析を進めている。3「炭酸カルシウム結晶成長制御」について、真珠層の炭酸カルシウム結晶形成に関与するタンパク質であるPifの繰り返し配列であるDDRKモチーフが、どのように炭酸カルシウムと相互作用するのかNMRを用いた構造解析を行った。特にN末端のDが2番目と5番目、6番目のDと挙動が異なる様子が見られたため、2021年度は特にN末端のDについて着目し、N末端をGにした場合とDにした場合とで比較を行った。その結果、N末端をGにした方が4つのDが同一平面状に配置し、炭酸カルシウム結晶の特定の面に吸着する可能性が高まることが示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究領域課題番号】19K22331 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

二枚貝 / 光輝層 / 炭酸カルシウム結晶 / アラゴナイト / パラミオシン / アコヤガイ / 閉殻筋 / 貝殻 / 免疫染色 / 真珠層 / ACC / Non-classical pathway / バイオミネラリゼーション / 筋タンパク質

【研究成果の概要】

二枚貝の閉殻筋と貝殻の接着面には、光輝層という柱状の炭酸カルシウム結晶構造が形成されるが、その形成メカニズムは不明である。光輝層に含まれるタンパク質を解析したところ、パラミオシンやトロポミオシンカルポニンといった筋肉タンパク質が存在することが分かった。パラミオシン存在下で炭酸カルシウム結晶を形成させたところ、柱状のアラゴナイト結晶が生じた。貝殻を抗パラミオシン抗体を用いて免疫染色したところ、光輝層のみにパラミオシンが存在することがわかった。本研究の結果、パラミオシンが光輝層形成に関与している可能性が示された。

【研究の社会的意義】

二枚貝は強い力で貝殻をとじ続けることができるが、これは閉殻筋が貝殻に強力に接着しているからである。閉殻筋と貝殻の接着面に形成される光輝層が両者の接着に重要であると考えられているが、光輝層の形成メカニズムは分かっていない。本研究では光輝層の形成に筋肉タンパク質であるパラミオシンが関与している可能性が明らかとなった。これは閉殻筋と貝殻の接着メカニズムの解明につながるものである。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】水圏生命科学

【研究領域課題番号】17H05034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アラゴナイト / カルサイト / 造礁サンゴ / バイオミネラリゼーション

【研究成果の概要】

海水中のMg/Caが低い白亜紀は、カルサイトを作りやすい海水組成であり、Mg/Ca比で考えるとカルサイトのサンゴが生息していた可能性はある。しかし、水温が骨格形成に与える影響について、同じMg/Caで比較すると、温度が高いほどアラゴナイト骨格の割合が高いことがわかった。白亜紀は今よりも温暖な気候だったと言われており、水温的にはアラゴナイトが生成しやすい環境だと言える。網羅的遺伝子発現解析の結果では、低Mg/Caで主要骨格タンパク質が大きく発現上昇することがわかった。これらをまとめて、サンゴは能動的にアラゴナイト骨格を作るが、条件によって受動的にカルサイトを生成することが明らかとなった。

【研究の社会的意義】

本研究により、サンゴの骨格中のカルサイトやアラゴナイト形成の遺伝学的制御に関与する物質の候補がリストアップできたことで、様々な生物における炭酸カルシウム骨格形成のメカニズムの解明に貢献しうる成果が得られた。
また、白亜紀におけるサンゴのアラゴナイト形成は、高水温と、生物による積極的な骨格タンパク形成に起因しているということを結論付けることができ、長年の謎であったカルサイトーアラゴナイト問題解決への一助となった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】24,050千円 (直接経費: 18,500千円、間接経費: 5,550千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】26870246 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / アラゴナイト / カルサイト / 造礁サンゴ / 温度依存性

【研究成果の概要】

過去の海洋ではMg/Caが大きく変動したと言われる。先行研究によりアラゴナイト骨格を持つサンゴが、低Mg/Ca海水でカルサイトの骨格を形成することが報告された。本課題では、水温変化がサンゴのカルサイト骨格生成に及ぼす影響について調べた。X線回折およびMeigen染色によりアラゴナイトおよびカルサイト含量を見積もったところ、Mg/Ca比が5.2の海水中では100％アラゴナイト、Mg/Ca比1.0および0.5でアラゴナイトとカルサイトの混合骨格およびカルサイトのみの骨格が確認された。各Mg/Ca比において、温度が高いほどアラゴナイトの含量が増加し、無機的な炭酸カルシウム沈殿と同様の傾向であった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】生物有機化学

【研究領域課題番号】25850078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラル / 炭酸カルシウム / アコヤガイ / モノアラガイ / 酸性ペプチド / キチナーゼ / バイオミネラリゼーション / アラゴナイト / 靱帯 / LICP / TIMP / ペプチド / 結晶欠陥 / 真珠層 / 稜柱層 / カルサイト / 靭帯 / 石灰化

【研究成果の概要】

軟体動物の貝殻はバイオミネラルの一種であり、炭酸カルシウムと少量の有機基質から構成され、様々な微細構造を形成する。私達はアコヤガイの蝶番部に存在する靭帯から新規の酸性ペプチドLICPを明らかにした。私達はLICPがアラゴナイト結晶のc軸方向の成長を止め、繊維状のアラゴナイト結晶の形成に関与することを明らかにした。また、モノアラガイの貝殻抽出液にキチナーゼ活性を見出し、キチナーゼが貝殻の再構成に関与する可能性を見出した。本研究において、私達は軟体動物の貝殻微細構造の形成に重要ないくつかの有機基質の機能を明らかにすることができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】10875188 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラリゼーション / 有機無機複合体 / 炭酸カルシウム / アラゴナイト / カルサイト / 薄膜 / 相互作用 / 自己組織化 / 有機 / 無機複合体 / 機能性高分子 / 高分子

【研究成果の概要】

自然界における真珠や貝殻などのバイオミネラルにおいては,無機結晶と生体高分子が精緻な積層構造を形成し,これが強靭さや独特の光沢を発現している。このようなナノレベルでの精密構造を人工的に構築できれば,環境低負荷の新しい高性能/高機能材料が得られると考えられる。本研究においては,天然高分子のキチンやキトサンの薄膜あるいは繊維上に,炭酸カルシウム飽和水溶液から,均一な炭酸カルシウム薄膜を形成させ,有機高分子/無機複合薄膜を作製することに成功した。形成する無機薄膜の均一な厚みは,条件により0.6μmから1.0μmまでに制御することができた。すなわち,炭酸カルシウム水溶液中に,ポリアクリル酸・ポリアスパラギン酸などのカルボキシル基含有高分子がある一定濃度存在する場合,カルボキシル基と相互作用可能な官能基を有する高分子固体マトリクス上に炭酸カルシウムの薄膜が形成することを見出した。さらに,高分子と炭酸カルシウム薄膜の形成を交互に行うことにより,積層した有機/無機薄膜を作製できた。炭酸カルシウムには,カルサイト・アラゴナイト・バテライトの三種の結晶形(多形)があるが,天然真珠を構成しているのはアラゴナイトである。このアラゴナイトは人工的に形成させるのは最も困難である。先に述べた薄膜形成系においても,得られたのはカルサイトとバテライトの薄膜のみであった。しかし,さらにマグネシウムイオンを添加することで,アラゴナイトの薄膜を形成することにも成功した。生体から抽出したタンパク質ではなく,このような単純な高分子や無機イオンの相互作用で,多形が制御された炭酸カルシウムの薄膜が形成した例はなく,新しいマテリアルの構築手法として意義が大きいと考えている。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)