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(In Japanese)機能性材料の三次元構造体 meetings

Patent code P110004098
File No. N051P49
Posted date Jul 6, 2011
Application number P2007-517866
Patent number P4592752
Date of filing May 24, 2006
Date of registration Sep 24, 2010
International application number JP2006310367
International publication number WO2006126595
Date of international filing May 24, 2006
Date of international publication Nov 30, 2006
Priority data
  • P2005-155438 (May 27, 2005) JP
Inventor
  • (In Japanese)芝 清隆
  • (In Japanese)佐野 健一
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)機能性材料の三次元構造体 meetings
Abstract (In Japanese)ナノスケールで制御された酸化チタン等の無機薄膜や、半導体ナノ粒子等の機能性材料の三次元構造体を提供するものである。無機基板表面に、複数の無機材料結合ペプチドを表面に提示するフェリチンを導入し、前記フェリチンを無機基板上に単層結合させ、単層結合した前記フェリチンに、前記無機材料結合ペプチドが結合能及び/又はバイオミネラリゼーション能を有する無機材料を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成し、次いで(a)形成したバイオミネラル層表面に、該バイオミネラル層に結合能を有する前記フェリチンを導入し、前記フェリチンをバイオミネラル層上に単層結合させ、(b)単層結合した前記フェリチン表面に、前記無機材料を導入してバイオミネラル層を形成する、多層化操作(a)及び(b)を、1若しくは複数回繰り返すことにより、機能性材料の三次元構造体を製造する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

無機材料に特異的に結合する人工ペプチドとしては、1992年にブラウン(S.Brown)による酸化鉄(Fe2O3)結合ペプチドの取得が報告された(例えば、非特許文献1参照)。以後、それまで自然界で生物が利用してこなかった無機材料に結合する人工ペプチドの取得が相次いでおこなわれ、2000年にはベルシャー(A.M.Belcher)により砒化ガリウム(GaAs)結合人工ペプチド(例えば、非特許文献2参照)、炭酸カルシウム(CaCO3)結合人工ペプチドが報告された(例えば、非特許文献2参照)。また、詳細な反応機構はまだ分かっていないが、無機材料結合人工ペプチドはその標的材料に対するバイオミネラリゼーション能を持つことが知られている。
一方、自然界で生物が利用している無機材料、例えば珪藻の珪素骨格や貝の炭酸カルシウムの殻、我々人間の歯や骨などからみつけられた無機材料結合ペプチドモチーフも、人工ペプチドと同様にその標的材料に対するバイオミネラリゼーション能を有することが知られており、無機材料に結合するペプチドは、一般的に標的材料への結合能と同時にバイオミネラリゼーション能をもつ多機能ペプチドであると考えられる。
本発明者らは、チタンに結合する人工ペプチドTBP-1(RKLPDAPGMHTW;配列番号2)を、ファージ提示法により単離している(例えば、非特許文献3参照)。TBP-1は、チタン以外にも銀・シリコンへの結合能を有するが、金・プラチナ・銅・クロム・鉄・すず・亜鉛には結合せず、高い結合特異性が見られる。またTBP-1は、銀あるいはシリカのバイオミネラリゼーション能を有しており、やはり多機能ペプチドであることが示されている(例えば、非特許文献4参照)。
これら無機材料結合ペプチドを利用して、ナノスケールの機能性分子配置制御技術の確立に向けた取り組みがなされている。主に次のふたつの方法について研究されている。ひとつは無機材料結合ペプチドが持つ結合特異性を利用した、「ダイレクトパターンニング」と呼ばれる基盤を複数種の無機材料で修飾を施し、特定の無機材料修飾部位だけに目的の機能性分子を2次元に配置させる方法である。ふたつ目は、周期構造あるいは規則的な構造を持つ分子足場に無機材料結合ペプチドを共役させることで、無機材料結合ペプチドをパターン化する。この足場上で機能性分子の「バイオミネラリゼーション」反応を起こすことで、機能性分子を配置制御するという方法である。これら両者とも盛んに研究されている。
一方、フェリチンタンパク質は、「必須の金属であるが、毒性も同時に備えもつ『鉄』原子」を生体内で貯蔵するタンパク質として、古くから知られている。フェリチンあるいはフェリチン様タンパク質は動・植物からバクテリアまで普遍的に存在していて、生体あるいは細胞中の鉄元素のホメオスタシスに深く関わっている。ヒトやウマなどの高等真核生物のフェリチンは、分子量約20kDaのペプチド鎖が直径約12nmの24量体からなる球核状構造を形成し、内部に7-8nmの空間を持つ。この内部空間に、ナノ粒子状の酸化鉄のかたまりとして鉄分子を貯蔵している。タンパク質球殻(ケージ)を構成する24個のサブユニットには2種類のタイプ(Hタイプ、Lタイプ)があり、その組成比は生物種、組織により異なっている。
天然には鉄のナノ粒子を内部に貯蔵するフェリチンであるが、しかしながら人工的には、鉄以外にも、ベリリウム、ガリウム、マンガン、リン、ウラン、鉛、コバルト、ニッケル、クロムなどの酸化物、また、セレン化カドミウム、硫化亜鉛、硫化鉄、硫化カドミウムなどの半導体・磁性体などのナノ粒子を貯蔵できることが示されており、半導体材料工学分野や保険医療分野での応用研究が盛んにおこなわれている。
また、デンドリマーは、単一の分岐単量体単位から段階的に合成された3次元巨大分子であり、その性質と機能性は、容易に制御でき、また変更できることが知られている。デンドリマーは、多機能コアに対して(合成への発散型アプローチ)、又は、多機能コアに向かって(合成への収束型アプローチ)、ビルディング・ブロック(基礎単位)を反復付加することで合成され、ビルディング・ブロックの3次元シェルが付加する度に、高位世代のデンドリマーが形成される。デンドリマーは、世代が進むごとに表面の官能基密度が高くなり、物性を大きく支配するようになることも知られている。例えば、末端の官能基にカルボキシル基など親水性のものを組み込めば、デンドリマーは水溶性になる。分子表面は親水性である一方で、デンドリマーの内部を疎水性に設計することもできる。三次元構造で内部にゲスト分子を保持できるスペースがあることから、難水溶性薬物を取り込むことが可能となる。さらに、末端の官能基がアミノ基であるPAMAM(ポリアミドアミン)デンドリマーは、pHのような外部の環境に応答して、末端のアミノ基がプロトン化され、デンドリマー分子全体が正電荷を帯びて体積が大きくなることが知られている。
また一般に、スターポリマーは、3本以上のアームとなるポリマー鎖が、そのアームの中心であるコアで連結したポリマーと定義され、その中心となるコアは、多官能のポリハロゲン化合物や多官能モノマーの架橋重合体が使用されている。また、アームが10本以上の多分枝のスターポリマー(マルチアームスターポリマー)は、ジビニルベンゼンの架橋体をコアとして、モノカルバニオンのポリマー鎖を、ジビニルベンゼンで架橋する方法が行われている。スターポリマーの製法としては、アニオンリビングポリマーを多官能カップリング剤によりカップリングして製造する方法(アームファースト法)と、あらかじめ多官能開始種を合成して、そこから腕を伸ばす方法(コアファースト法)が一般的であり、アームとなるポリマー鎖の重合反応と、そのポリマー鎖を中心となるべきコアに複数連結させる反応とは、2段階に分けて別々に行われている。
特許文献1:特願2003-282509号公報
特許文献2:特願2004-374093号公報
非特許文献1:Proc.Natl.Acad.Sci.USA 89:8651,1992
非特許文献2:Nature,405:665,2000
非特許文献3:Sano K.,and Shiba K.“A hexapeptide motif that electrostatically binds to the surface of titanium”J Am Chem Soc.125,14234-5(2003)
非特許文献4:Langmuir,21(7),3090 -3095,2005.

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用した、無機材料単層薄膜及びその製造方法、並びに、機能性材料の三次元構造体及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
無機基板表面に、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を導入し、前記集合体を無機基板上に単層結合させ、単層結合した前記集合体に、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成することを特徴とする無機材料単層薄膜の製造方法。

【請求項2】
 
無機基板表面に単層結合した、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を介して、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体が、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能によりバイオミネラル層として形成されていることを特徴とする無機材料単層薄膜。

【請求項3】
 
無機材料結合ペプチドが、RKLPDA(配列番号1)又はRKLPDAPGMHTW(配列番号2)であることを特徴とする請求項2記載の無機材料単層薄膜。

【請求項4】
 
無機材料結合ペプチドが、自然界に存在するアミノ酸配列からなるペプチドであることを特徴とする請求項2記載の無機材料単層薄膜。

【請求項5】
 
集合体が、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを融合した融合タンパク質複合体であることを特徴とする請求項24のいずれか記載の無機材料単層薄膜。

【請求項6】
 
融合タンパク質複合体が、高等真核生物由来のフェリチンタンパク質複合体であることを特徴とする請求項5記載の無機材料単層薄膜。

【請求項7】
 
バイオミネラル層が、シリカ又はシリカ含有分子の単層であることを特徴とする請求項26のいずれか記載の無機材料単層薄膜。

【請求項8】
 
バイオミネラル層が、酸化チタンの単層であることを特徴とする請求項26のいずれか記載の無機材料単層薄膜。

【請求項9】
 
無機基板表面に、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を導入し、前記集合体を無機基板上に単層結合させ、単層結合した前記集合体に、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成し、次いで(a)形成したバイオミネラル層表面に、該バイオミネラル層に結合能を有する前記集合体を導入し、バイオミネラル層に対する無機材料結合ペプチドの結合能を利用して、前記集合体をバイオミネラル層上に単層結合させ、(b)単層結合した前記集合体表面に、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成する、多層化操作(a)及び(b)を、1若しくは複数回繰り返すことを特徴とする機能性材料の三次元構造体の製造方法。

【請求項10】
 
無機基板表面に、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を導入し、前記集合体を無機基板上に単層結合させ、単層結合した前記集合体に、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成し、次いで形成したバイオミネラル層表面に、該バイオミネラル層に結合能を有する前記集合体を導入し、バイオミネラル層に対する無機材料結合ペプチドの結合能を利用して、無機ナノ粒子を担持した前記集合体をバイオミネラル層上に単層結合させ、さらに必要に応じて、(b)単層結合した前記集合体表面に、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体を導入し、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能を利用してバイオミネラル層を形成し、(a)形成したバイオミネラル層表面に、該バイオミネラル層に結合能を有する無機ナノ粒子を担持した前記集合体を導入し、バイオミネラル層に対する無機材料結合ペプチドの結合能を利用して、前記集合体をバイオミネラル層上に単層結合させる、多層化操作(b)及び(a)を、1若しくは複数回繰り返すことを特徴とする機能性材料の三次元構造体の製造方法。

【請求項11】
 
無機基板表面に単層結合した、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を介して、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体が、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能によりバイオミネラル層として形成され、さらに(a)形成されたバイオミネラル層表面に単層結合した前記集合体を介して、(b)前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体が、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能によりバイオミネラル層として形成されている、多層化構造(a)及び(b)が、1若しくは複数回繰り返されていることを特徴とする機能性材料の三次元構造体。

【請求項12】
 
無機基板表面に単層結合した、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを表面に提示する集合体を介して、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体が、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能によりバイオミネラル層として形成され、この形成されたバイオミネラル層表面に無機ナノ粒子を担持した前記集合体が単層結合され、さらに必要に応じて、(b)結合された集合体を介して、前記無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション反応の基質あるいは前駆体が、無機材料結合ペプチドのバイオミネラリゼーション能によりバイオミネラル層として形成され、(a)この形成されたバイオミネラル層表面に無機ナノ粒子を担持した前記集合体が単層結合されている、多層化構造(b)及び(a)が、1若しくは複数回繰り返されていることを特徴とする機能性材料の三次元構造体。

【請求項13】
 
無機材料結合ペプチドが、RKLPDA(配列番号1)又はRKLPDAPGMHTW(配列番号2)であることを特徴とする請求項11又は12記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項14】
 
無機材料結合ペプチドが、自然界に存在するアミノ酸配列からなるペプチドであることを特徴とする請求項11又は12記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項15】
 
集合体が、複数の同一又は異なる無機材料結合ペプチドを融合した融合タンパク質複合体であることを特徴とする請求項1114のいずれか記載の三次元構造体。

【請求項16】
 
融合タンパク質複合体が、高等真核生物由来のフェリチンタンパク質複合体であることを特徴とする請求項15記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項17】
 
機能性材料が、シリカ又はシリカ含有分子の薄膜であることを特徴とする請求項1116のいずれか記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項18】
 
機能性材料が、酸化チタン薄膜であることを特徴とする請求項1116のいずれか記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項19】
 
機能性材料が、半導体材料又は半導体ナノ粒子であることを特徴とする請求項1116のいずれか記載の機能性材料の三次元構造体。

【請求項20】
 
機能性材料が、酸化金属材料又は酸化金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項1116のいずれか記載の機能性材料の三次元構造体。
IPC(International Patent Classification)
F-term
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Creation of Novel Nano-material/System Synthesized by Self-organization for Medical Use AREA
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