防波堤からハマグリを引っ張り出したり、船底からフジツボを引っ張り出そうとしたことがあるなら、高性能接着剤を作るために自然から学べることはたくさんあることがわかるでしょう。タフツ大学のエンジニアたちはこれに注目し、今日、Advanced Science 誌で、頑固に接着するこれらの生物にヒントを得た新しいタイプの接着剤について報告しています。カイコから抽出した繊維状の絹タンパク質を使用して、タンパク質フィラメント、化学架橋、鉄結合など、フジツボとムール貝の接着剤の主な特徴を再現することができました。その結果、強力で無毒の接着剤が生まれ、乾燥状態と同様に水中で硬化して機能し、現在市販されているほとんどの合成接着剤製品よりも強力です。 「私たちが開発した接合部は、現在市販されているほとんどの接着剤よりも水中で効率的であるだけでなく、はるかに少ない材料量でこの強度を実現しています」と、タフツ工科大学のフランク・C・ダブル工学教授であり、この材料が開発されたタフツシルクラボの所長であり、この研究の責任著者でもあるフィオレンゾ・オメネット氏は述べた。「また、この材料は抽出された生物源から作られているため、化学物質は自然から抽出されたもので無害であり、合成工程や揮発性溶剤の使用をほとんど伴わず、製造上の利点もある可能性があります」と同氏はさらに付け加えた。
シルクラボの「接着剤チーム」は、水生接着剤の合成にあたり、多くの重要な要素に注目しました。ムール貝は、足糸と呼ばれる長くて粘着性のある糸を分泌します。分泌された足糸はポリマーを形成し、表面に埋め込まれて化学的に架橋し、結合を強化します。タンパク質ポリマーは、ジヒドロキシフェニルアラニン (DOPA) を含む長いアミノ酸鎖で構成されています。DOPA は、他の鎖と架橋できるカテコール含有アミノ酸です。ムール貝は、足糸の凝集力を強化する鉄複合体という別の特別な成分を加えます。
フジツボは、表面に固定するポリマーを形成するタンパク質から作られた強力なセメントを分泌します。フジツボセメントポリマーのタンパク質は、アミノ酸鎖をジグザグ配置のベータシートに折り畳みます。これにより、平らな表面と、後続のポリマータンパク質またはポリマーフィラメントが付着している表面との強力な水素結合を形成する機会が生まれます。
自然が用いるこうした分子結合戦略すべてにヒントを得て、オメネット研究チームはその再現に着手した。研究チームはまた、カイコの繭から抽出したシルクフィブロインタンパク質の化学に関する専門知識も活用している。シルクフィブロインは、ベータシートの大きな表面を構築する能力など、フジツボのセメントタンパク質と形状や結合特性の多くを共有している。研究者らは、ドーパミンのランダムポリマーであるポリドーパミンを添加した。これは、ハマグリが結合フィラメントを架橋するのに使用するのと同様に、その長さに沿って架橋カテコールを呈する。天然のムール貝の接着剤の場合と同様に、塩化鉄で接着剤を硬化させることで接着強度が大幅に向上し、カテコールとの結合が確保される。
