自然美に学ぶソフトマテリアル設計に挑戦

私たちの研究室では、医療、食品、化粧品など幅広い工業分野で使われるソフトマテリアルの研究をしています。
新しい材料を生み出す際、人工的に合成された分子から物理環境を制御してパターンをつくりだす研究には長い歴史がありますが、合成分子のままでは材料化する上で困難を極め、また、生体適合性や環境との共生にはいくつものハードルがあります。これに対して私たちは生体高分子に着目し、自然界に存在する美しい構造や優れた機能に学んだソフトマテリアル設計を実現したいと考えています。

水との関わりの中で組織化する生体高分子に着目

生体高分子は水との関わりが深い物質です。生物は、水中（WETな環境）から長い時間をかけて陸上（WETかつDRYな環境）に進出しました。すなわち、生体組織を構成するタンパク質、DNA、多糖などの生体高分子の構造には水との付き合い方が刻まれているといえます。
研究室では、水との関わりの中で組織化する生体高分子に着目し、「界面分割現象」「高分子ゾル／ゲルの幾何学的転移」「人工葉緑体」という３つのオリジナルの研究を進めています。共通するのは、自然界にある物理化学的な条件を実験室で再現、抽出し、自然美に迫るアプローチです。

「界面分割現象」は私たちのオリジナルの発見で、多糖の水溶液を乾燥環境下におくと、まるで界面から芽が出るようにセンチメートル単位で多糖が析出し界面が複数に分割される現象です。ワインがグラスの壁面に波のようなパターンを描き出す、通称「ワインの涙」と呼ばれる現象を大きく展開したものだといえば分かりやすいかもしれません。
また、このときに空間を区切るパーティションのように形成される多糖の薄膜を電子顕微鏡で観察すると、高分子がナノスケールで整然と揃っていることが明らかになりました。多糖水溶液を乾燥させるだけで高分子が３次元的に方向制御されることは、非常に興味深いことです。
すでに複数の種類の多糖で実験に成功しているほか、物理化学条件を整えることで別の天然高分子でも同様のパターンをつくる可能性があることが示されています。物理化学条件を明らかにして新しい現象論を確立するとともに、「乾燥」という簡便な手法を使った材料設計手法の開発につなげたいと考えています。

自然環境の多糖は常に乾燥と対面しており、界面分割現象のプロセスは私たちの身体の中に入り込んでいます。なぜこうした現象が起きるのかを解明することは当然重要ですが、それが水中から陸上進出した生物にとってどんな意味を持っているのか―という自然科学の大命題にまで行き着きたいと思っています。

研究を通じてサスティナブル社会の構築に貢献

当研究室は、サスティナブル社会の構築に資するマテリアル科学を推進することを目的とするサスティナブルマテリアル国際研究拠点の一翼を担っています。同拠点では、SDGsの7（エネルギー）、12（持続可能な生産と消費）、14（海洋資源）、15（陸上資源）への直接貢献を行うためのマテリアルの開発を目指し、結果として、4（教育）、9（インフラ、産業化、イノベーション）、13（気候変動）に関し国際的なレベルでの貢献につなげることを目指しています。
生体高分子を用いて生体適合性と環境適応性をあわせもつソフトマテリアルを設計するという研究室全体の方向性はSDGsに合致するものです。また、より直接的にSDGsに貢献できるテーマとして「人工葉緑体」の研究に取り組んでいます。これは実際の光合成に倣った光エネルギー変換システムを構築し、光を当てることで水から水素と酸素を発生する人工光合成ゲルを創出するというものです。太陽光によって水から水素と酸素をつくる技術が成熟すれば、石油のかわりに水素をエネルギーとして使う水素エネルギー社会への移行が見えてきます。

JAISTをめざす学生へのメッセージ

令和4年10月掲載