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バイオマテリアル

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生命と糖鎖は密接にかかわっています。生物体の器を構築する「構造性糖鎖」、生体内の情報機能を司る「機能性糖鎖」、生命のエネルギー源である「貯蔵性糖鎖」など、生命と糖鎖は不可分な関係性にあります。ナノ・バイオ技術の発展から機能性糖鎖のエンジニアリング的研究が、一方で環境・エネルギーの課題解決に向け、貯蔵性糖鎖からのバイオエネルギーの開発が盛んに行われています。しかし、構造性糖鎖については、建材、繊維・紙、安価な高分子材料など、旧来的なバルク・化成品利用がほとんどでした。

 近年、循環型生物資源の主役であるセルロースをはじめとする構造性多糖分子の規則的な高次構造形成機能に注目が集まっています。これらの生体高分子は触媒作用や情報伝達などの能動的機能に関与しないと考えられていますが、生体内において自己組織化・自己集合化機能を持ち、精緻な高次構造を構築します。Biomaterial班(B班)では、構造性糖鎖分子のナノ構造化機能そのものを生体機能として利用するために、糖鎖合成から分子配列まで人為的な構造制御を施したバイオマテリアルの開発を行っています。具体的には、以下の3つの研究テーマに取り組んでいます。

 

糖鎖レールで細胞の配向を制御する

2Dバイオインターフェースによる動物細胞の配列制御

 糖鎖は、核酸・タンパク質に次ぐ第三の生命鎖と呼ばれ、その多くはプロテオグリカンとして細胞外マトリックス機能を発現していますが、機能部位である糖鎖の非還元末端基と細胞の受容体との作用機序の材料応用は十分ではありませんでした。
本研究では、細胞分化に関与することが知られているコンドロイチン硫酸の還元末端基をS誘導体化して、Au-S結合により自己組織化膜(SAM)を作成することで、糖鎖を配向固定化することに成功しました。筋衛星細胞や神経幹細胞の良好な細胞接着が確認されており、今後、再生医療分野への応用に期待がもたれます。

 

糖鎖が細胞の分化を制御する

コンドロイチン硫酸自己集積化膜による細胞培養基板の開発

 糖鎖は、核酸・タンパク質に次ぐ第三の生命鎖と呼ばれ、その多くはプロテオグリカンとして細胞外マトリックス機能を発現していますが、機能部位である糖鎖の非還元末端基と細胞の受容体との作用機序の材料応用は十分ではありませんでした。
本研究では、細胞分化に関与することが知られているコンドロイチン硫酸の還元末端基をS誘導体化して、Au-S結合により自己組織化膜(SAM)を作成することで、糖鎖を配向固定化することに成功しました。筋衛星細胞や神経幹細胞の良好な細胞接着が確認されており、今後、再生医療分野への応用に期待がもたれます。

 

糖鎖基板で細胞の自然免疫系を活性化させる

TLR2を介して細胞を直接活性化するバイオインターフェースの開発

 糖鎖は、細胞間の情報伝達などの様々な生命現象において重要な役割を果たしています。近年、糖鎖と細胞の相互作用に着目した培養基材の開発に注目が集まっていますが、固定化糖鎖と細胞との特異的な界面相互作用はほとんど分かっていません。
本研究では、生理活性糖鎖として知られるキチンの密度を制御した基板上で、キチンを認識する自然免疫系タンパク質(Toll-like receptor 2 : TLR2)発現細胞を培養したところ、細胞が固定化糖鎖の密度を認識することを発見しました。
今後は、糖鎖の集積制御により、細胞接着や細胞応答の操作が可能な糖鎖系バイオインターフェースの開発に期待が持たれます。

糖鎖で細胞外環境を模倣する

ナノセルロースフィルム上での動物細胞培養

 細胞外マトリックス(ECM)は細胞の分化、増殖に関与していることが明らかになりつつあり、ECMを模倣した細胞培養基材の開発に注目が集まっていますが、機能を効果的に発現したECM模倣培養基材の開発には至っていません。
本研究では、分子構造とナノ構造の両面からECMの一部を模倣した結晶性ナノセルロースフィルム上で動物細胞を培養することに成功しました。今後、研究が発展することでECM機能を発現した細胞培養基材の開発が期待されます。

 

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