「創新日本走訪」系列為大家介紹為實際應用於社會而進行的研發一線。本文為該系列的第8回，將介紹高知大學教育研究部綜合科學系生命環境醫學部門的蘆内誠教授和白米優一特任研究員，他們正致力於利用大豆的粘性成分開發兼具抗菌性和環境適應力的醫用塑料材料，並通過生物初創企業開始業務。
高知大學的初創企業
開發生物巨分子材料
北依四國山地，南臨太平洋，擁有日本最高園藝農業生產力的高知縣。從空中門戶高知龍馬機場步行15分鐘左右就能到達高知大學物部校區。2023年4月，生物初創企業「PlastiFarm」公司在高知大學農林海洋科學部創辦。高知大學教育研究部綜合科學系生命環境醫學部門的蘆内誠教授擔任董事長。
蘆内教授1994年赴任到高知大學，他的研究方向是微生物合成的聚合體，即「生物巨分子」材料。生物巨分子材料是由蛋白質、DNA、RNA等核酸物質生物合成的長鏈分子。由於其反應和合成是在生物容許範圍内進行的，因此與石油等製成的合成大分子相比更安全、更環保，是近年來頗受關注的一種材料。
我們日常生活中必不可少的衣物和塑料製品大多是用合成大分子材料製成的。然而，這些資源有限，而且在自然界中不會降解的微塑料流入海洋也對生態系統產生了影響。「為此，我們希望通過開發並在社會應用中推廣來自於生物巨分子的環境適應力塑料新材料，能夠為解決海洋塑料垃圾問題做出貢獻，實現永續發展的社會，正是基於這種想法我們成立了PlastiFarm公司。」蘆内教授解釋建立 PlastiFarm 的初衷時說道。
PlastiFarm公司研究所所長、高知大學教育研究部綜合科學系生命環境醫學部門特任研究員白米優一與蘆内教授合作負責PlastiFarm的研發工作。白米先生在學生時代參觀蘆内研究室時，被當時看到的研究對象深深地震撼了。因為看到的居然是「納豆」！白米先生笑著回憶道：「日常生活中熟悉的發酵食品竟然能製造出這樣的聚合體材料，我在感到震驚的同時，也產生了極大興趣。以此為契機，我開始協助蘆内教授的研究工作。」
從牙膏的分子結構中得到啟發
成功開發出具有防水性能的材料
開發新材料的關鍵是納豆的粘性成分「聚-γ-麩胺酸（PGA）」。蘆内教授著眼於PGA的分子結構與塑料之一的耐綸相似這一點，開始利用PGA開發塑料材料（圖1）。其中最大的課題是如何克服水溶性問題。此前的方法雖然實現了吸水膨脹的「凝膠化」，但無法通過凝膠賦予纖維物性或塑料的性能。
圖1：PGA和耐綸4的分子結構
由於PGA具有類似耐綸的基本結構，因此一直被認為在本質上具有與耐綸相似的化學特性。近年來的研究表明，PGA是一種可以加工成生物塑料或奈米纖維不織布等材料的功能性聚合物。
賦予或增強生物巨分子的性能通常使用化學修飾方法。蘆内教授也嘗試通過酯化的化學修飾方法來固化PGA。但沒有取得預期的結果，甚至一度曾考慮中止研究。改變這種局面的，是蘆内教授岳父使用的「牙膏」。牙膏成分中的特徵分子結構恰好與PGA的單位結構相重合。這給了蘆内教授很大的啟發。「在研究陷入僵局時，這簡直是天助我也。」蘆内教授如是說。
牙膏的成分是四級銨鹽（QA）陽離子中的一種，具有兩性分子特性。蘆内教授讓QA和PGA結合，成功開發出了具有高防水性能的新材料「聚-γ-麩胺酸離子錯合物（PGAIC）」（圖2）。同時，在從納豆培養液中提取PGA的過程中，也以上述PGAIC合成技術為基礎，確立了簡便且將成本控制在原來的100分之1左右的回收、量產技術。
圖2 PGAIC的開發與製造
從沾過水的納豆中提取納豆菌，然後用培養液增加PGA。PGA和含有牙膏界面活性劑的水混合後，PGA和QA結合在一起（上圖）。去除水分後，就會形成PGAIC粉末（下圖）。如果把PGAIC和塑料瓶原料混煉，就可製造出具有環境適應力的瓶子。
接下來，蘆内教授開始將PGAIC製作成塑料部件。在此過程中，蘆内教授發現其具有阻止99.9%以上被膜病毒的抗菌和抗病毒作用，由此發現了製造兼具抗菌性和環境適應力兩種本來相互矛盾特性的「醫用塑料」的可能性。與此同時，由于海洋塑料問題和新型冠狀病毒感染症的擴大，世界範圍内對抗菌和抗病毒性材料的需求出現高漲。為此，蘆内教授等人將最適化PGAIC醫用塑料的關鍵技術作為研究課題，並於2020年被JST的A-STEP計劃所採納。
在A-STEP的研究中，為了將PGAIC用於公共衛生場所防止接觸感染的目的，研究人員開始致力於開發塗層技術。研究結果，可合成的PGAIC數量擴大到了11種，並且具備了可以擴大PGAIC功能物性和用途的基本資訊。此外還證實，PGAIC不僅能抑制冠狀病毒、流感病毒、大腸桿菌、黴菌等的生長，還能在高溫下發揮抗菌作用，並具有很高的洗滌耐性。今後還計劃將其作為噴霧型除菌劑推向市場。
靈活應用抗菌性和環境適應力
實現永續發展社會
功能材料化的PGA具有環境適應力和粘合性等各種用途（圖3）。在A-STEP的研究中，研究人員充分利用這些功能，與聚酯類進行混煉並生成了生物膜，其應用範圍包括塗層部件、纖維、瓶子等多個方面。該研究還促進了PlastiFarm的有關業務，公司多次收到來自纖維製造商的諮詢。此外，PlastiFarm還被高知縣内大學創業投資基金選為第1號投資對象。
圖3 PGAIC的特徵
PGAIC不僅具有抗菌性和防水性，同時還具有耐候性、與多種材料的親和性以及對人體的安全性等，有望作為考慮到環保的材料應用於多個領域。
PGAIC的抗菌性和環境適應力乍看起來是相互矛盾的性質。「無論是抗菌性還是環境適應力，都利用了將微生物聚集在一起的納豆粘性成分的微生物親和性的正反兩種性質。我相信，如果充分利用這兩種特性，兼顧抗菌、抗病毒和環保，就能實現社會的永續發展。」蘆内教授強調該成果的重要性時說道。
為此，需要具備洞察現狀的能力，以及相信直覺並去挑戰的行動力，關鍵詞是「榫卯」。「榫卯」是一種通過在木材上添加凹凸來連接木材的日本傳統的結構建築技術。「可以說，正是因為運用了在整齊的表面添加凹凸結構這一大膽而獨創的構思，才建造了法隆寺等許多日本在世界上引以為傲的建築。首先，描繪出理想的未來，然後再逆向思考現在應該做什麼，這樣才能產生能夠獲得成果的創新」。蘆内教授堅持不懈的研究今後也將繼續進行。（TEXT：橫井Manami、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年1月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
