東京大学大学院農学生命科学研究科・農学部

発表者

黄　秋源(東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻　博士課程学生)
檜山　雅俊(東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻　修士課程学生:当時)
加部　泰三(公益財団法人高輝度光科学研究センター　主幹研究員)
木村　聡(東京大学大学院農学生命科学研究科技術基盤センター　技術専門職員)
岩田　忠久(東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻　教授)

発表のポイント

• 分解酵素を高分子で固定化することにより、200℃での熱混錬や射出成形にも耐えられる高耐熱性固定化酵素の開発に成功しました。
• 通常はコンポスト環境でしか分解しないポリ乳酸に、酵素を内包させることにより、水環境下でも分解させることに成功しました。
• ひび割れや破断などの物理的崩壊により生分解が開始する、「分解開始スイッチ機能を有する酵素内包生分解性プラスチック」の開発に成功しました。
• 酵素内包生分解性プラスチックは、細分化されると分解が加速することから、海洋マイクロプラスチック問題の解決に貢献すると期待されます。

発表概要

　環境中で分解する生分解性プラスチックの実用化には、土壌、河川、海洋のいずれの環境でも分解すること、使用中は分解が起こらず、環境中に流出した時に生分解が始まる分解開始スイッチ機能を有していることが必要不可欠です。私たちは、コンポストという特殊な条件でしか分解しないポリ乳酸に、耐熱化した分解酵素を熱混錬することにより、水環境でも分解する酵素内包生分解性プラスチックの作製に成功しました。この酵素内包生分解性プラスチックは、材料表面に傷が入る、あるいは、物理的に細分化された場合、内包された酵素が水と接触し、生分解を開始する分解開始スイッチ機能を有しています。今回開発した方法は、他の生分解性プラスチックと分解酵素にも応用可能で、海洋マイクロプラスチック問題を含む、プラスチックごみによる環境汚染問題の解決に向け大きく貢献できると考えられます。
　この成果はACS Biomacromolecules誌(オープンアクセス)として掲載されるとともに、表紙を飾ることに決まりました。

発表内容

　海洋マイクロプラスチック問題に代表されるように、環境へ流出したプラスチックごみによる自然破壊および生態系への悪影響は、現在解決すべき最も重要な世界的な課題となっています。環境中に存在する微生物が分泌する分解酵素によって二酸化炭素と水にまで完全に分解される生分解性プラスチックは、その解決策の一つとして開発が期待されています。
　しかし、現在開発が進んでいる生分解性プラスチックの全てが、土壌、河川、海洋いずれの環境でも分解するというわけではありません。それは、全ての環境中に生分解性プラスチックを分解する微生物が存在しているわけではないからです。さらに、生分解性プラスチックの実用化を考えると、使っているときは分解が起こらず、環境中に流出した時に分解が始まる分解開始スイッチ機能が必要です。
　私たちは、あらかじめ分解酵素をプラスチックへ埋め込むことで、いずれの環境下でも分解が可能となる酵素内包生分解性プラスチックの開発を着想しました。ところで、プラスチックを成形加工するには、高熱をかけることが必要です。しかし一般的に分解酵素はたんぱく質なので、加熱で容易に失活します。今回私たちは、多孔性ゲルに分解酵素を固定化することで耐熱性を向上させることに成功しました。具体的には、生分解性プラスチックの中で最も開発の進んでいるポリ乳酸に、耐熱化した固定化分解酵素(プロテイナーゼK)を200℃で熱混錬することにより、酵素内包ポリ乳酸の作製に成功しました(図1)。
　ポリ乳酸は生分解性プラスチックの一つとして位置付けられていますが、残念ながら、コンポストという高温・多湿の特殊な環境下でしか分解は起こらず、一般の土壌、河川水、海水では全く分解しません。しかし、今回作製した酵素内包ポリ乳酸から作製したフィルムは、水の中に浸漬すると、フィルム表面の傷から水が浸透し、徐々に分解が進行することがわかりました(図2)。さらに、酵素内包フィルムを4分割、16分割と細分化することにより、分解速度が速くなることも見い出しました。これらの結果は、使用中は分解しないが、環境中に流出し、プラスチック表面に傷が入る、あるいは物理的に崩壊が生じマイクロプラスチック化すると、プラスチック内部の酵素が水と接触し、分解が開始する分解開始スイッチ機能を付与できたのみならず、マイクロプラスチック化により分解速度を加速させ、より速く分解できることを意味しています。
　今回開発した分解酵素の耐熱化と酵素内包生分解性プラスチックの作製は、全ての生分解性プラスチックとそれを分解する分解酵素に応用可能であり、生分解性プラスチックの真の実用化に大きく貢献するものと期待されます。
　本研究は、科学研究費補助金基盤研究A「生分解開始機能を有し、生分解速度も制御された高性能バイオマスプラスチックの創製(19H00908)」の支援のもと行われました。

発表雑誌

雑誌名

Biomacromolecules(7月17日オンライン公開、7月29日オープンアクセス)

論文タイトル

Enzymatic Self-biodegradation of Poly(L-lactic acid) Films by Embedded Heat-treated and Immobilized Proteinase K.

著者

QiuYuan Huang, Masatoshi Hiyama, Taizo Kabe, Satoshi Kimura, and Tadahisa Iwata* (*責任著者)

DOI番号

10.1021/acs.biomac.0c00759

論文URL

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c00759

問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科　生物材料科学専攻　高分子材料学研究室
教授　岩田　忠久(いわた　ただひさ)
Tel:03-5841-5266
E-mail:atiwata<アット>g.ecc.u-tokyo.ac.jp 　<アット>を@に変えてください。

用語解説

• 注1　ポリ乳酸
  　トウモロコシやサトウキビから抽出されるデンプンを原料として生産される最も研究開発が進んでいる生分解性プラスチック。コンポスト環境下では加水分解されるが、一般の土壌、河川水、海水では生分解されない。
• 注2　コンポスト環境
  　温度60℃以上、湿度60%以上の高温・多湿の環境