“创新日本走访”系列为大家介绍为实际应用于社会而进行的研发一线。本文为该系列的第8回，将介绍高知大学教育研究部综合科学系生命环境医学部门的芦内诚教授和白米优一特任研究员，他们正致力于利用大豆的粘性成分开发兼具抗菌性和环境适应性的医用塑料材料，并通过生物初创企业开始业务。
高知大学的初创企业
开发生物高分子材料
北依四国山脉，南临太平洋，拥有日本最高园艺农业生产力的高知县。从空中门户高知龙马机场步行15分钟左右就能到达高知大学物部校区。2023年4月，生物初创企业“PlastiFarm”公司在高知大学农林海洋科学部创办。高知大学教育研究部综合科学系生命环境医学部门的芦内诚教授担任董事长。
芦内教授1994年赴任到高知大学，他的研究方向是微生物合成的聚合物，即“生物高分子”材料。生物高分子材料是由蛋白质、DNA、RNA等核酸物质生物合成的长链分子。由于其反应和合成是在生物容许范围内进行的，因此与石油等制成的合成高分子相比更安全、更环保，是近年来颇受关注的一种材料。
我们日常生活中必不可少的衣物和塑料制品大多是用合成高分子材料制成的。然而，这些资源有限，而且在自然界中不会降解的微塑料流入海洋也对生态系统产生了影响。“为此，我们希望通过开发并在社会应用中推广来自于生物高分子的环境适应性塑料新材料，能够为解决海洋塑料垃圾问题做出贡献，实现可持续发展的社会，正是基于这种想法我们成立了PlastiFarm公司。”芦内教授解释建立 PlastiFarm 的初衷时说道。
PlastiFarm公司研究所所长、高知大学教育研究部综合科学系生命环境医学部门特任研究员白米优一与芦内教授合作负责PlastiFarm的研发工作。白米先生在学生时代参观芦内研究室时，被当时看到的研究对象深深地震撼了。因为看到的居然是“纳豆”！白米先生笑着回忆道：“日常生活中熟悉的发酵食品竟然能制造出这样的高分子材料，我在感到震惊的同时，也产生了极大兴趣。以此为契机，我开始协助芦内教授的研究工作。”
从牙膏的分子结构中得到启发
成功开发出具有防水性能的材料
开发新材料的关键是纳豆的粘性成分“聚-γ-谷氨酸（PGA）”。芦内教授着眼于PGA的分子结构与塑料之一的尼龙相似这一点，开始利用PGA开发塑料材料（图1）。其中最大的课题是如何克服水溶性问题。此前的方法虽然实现了吸水膨胀的“凝胶化”，但无法通过凝胶赋予纤维物性或塑料的性能。
图1：PGA和尼龙4的分子结构
由于PGA具有类似尼龙的基本结构，因此一直被认为在本质上具有与尼龙相似的化学特性。近年来的研究表明，PGA是一种可以加工成生物塑料或纳米纤维无纺布等材料的功能性高分子。
赋予或增强生物高分子的性能通常使用化学修饰方法。芦内教授也尝试通过酯化的化学修饰方法来固化PGA。但没有取得预期的结果，甚至一度曾考虑中止研究。改变这种局面的，是芦内教授岳父使用的“牙膏”。牙膏成分中的特征分子结构恰好与PGA的单位结构相重合。这给了芦内教授很大的启发。“在研究陷入僵局时，这简直是天助我也。”芦内教授如是说。
牙膏的成分是四级铵盐（QA）阳离子中的一种，具有两性分子特性。芦内教授让QA和PGA结合，成功开发出了具有高防水性能的新材料“聚-γ-谷氨酸离子络合物（PGAIC）”（图2）。同时，在从纳豆培养液中提取PGA的过程中，也以上述PGAIC合成技术为基础，确立了简便且将成本控制在原来的100分之1左右的回收、量产技术。
图2 PGAIC的开发与制造
从沾过水的纳豆中提取纳豆菌，然后用培养液增加PGA。PGA和含有牙膏表面活性剂的水混合后，PGA和QA结合在一起（上图）。去除水分后，就会形成PGAIC粉末（下图）。如果把PGAIC和塑料瓶原料混炼，就可制造出具有环境适应性的瓶子。
接下来，芦内教授开始将PGAIC制作成塑料部件。在此过程中，芦内教授发现其具有阻止99.9%以上包膜病毒的抗菌和抗病毒作用，由此发现了制造兼具抗菌性和环境适应性两种本来相互矛盾特性的“医用塑料”的可能性。与此同时，由于海洋塑料问题和新型冠状病毒感染症的扩大，世界范围内对抗菌和抗病毒性材料的需求出现高涨。为此，芦内教授等人将优化PGAIC医用塑料的关键技术作为研究课题，并于2020年被JST的A-STEP计划所采纳。
在A-STEP的研究中，为了将PGAIC用于公共卫生场所防止接触感染的目的，研究人员开始致力于开发涂层技术。研究结果，可合成的PGAIC数量扩大到了11种，并且具备了可以扩大PGAIC功能物性和用途的基本信息。此外还证实，PGAIC不仅能抑制冠状病毒、流感病毒、大肠杆菌、霉菌等的生长，还能在高温下发挥抗菌作用，并具有很高的洗涤耐性。今后还计划将其作为喷雾型除菌剂推向市场。
灵活应用抗菌性和环境适应性
实现可持续发展社会
功能材料化的PGA具有环境适应性和粘合性等各种用途（图3）。在A-STEP的研究中，研究人员充分利用这些功能，与聚酯类进行混炼并生成了生物膜，其应用范围包括涂层部件、纤维、瓶子等多个方面。该研究还促进了PlastiFarm的有关业务，公司多次收到来自纤维制造商的咨询。此外，PlastiFarm还被高知县内大学创业投资基金选为第1号投资对象。
图3 PGAIC的特征
PGAIC不仅具有抗菌性和防水性，同时还具有耐候性、与多种材料的亲和性以及对人体的安全性等，有望作为考虑到环保的材料应用于多个领域。
PGAIC的抗菌性和环境适应性乍看起来是相互矛盾的性质。“无论是抗菌性还是环境适应性，都利用了将微生物聚集在一起的纳豆粘性成分的微生物亲和性的正反两种性质。我相信，如果充分利用这两种特性，兼顾抗菌、抗病毒和环保，就能实现社会的可持续发展。”芦内教授强调该成果的重要性时说道。
为此，需要具备洞察现状的能力，以及相信直觉并去挑战的行动力，关键词是“榫卯”。“榫卯”是一种通过在木材上添加凹凸来连接木材的日本传统的结构建筑技术。“可以说，正是因为运用了在整齐的表面添加凹凸结构这一大胆而独创的构思，才建造了法隆寺等许多日本在世界上引以为傲的建筑。首先，描绘出理想的未来，然后再逆向思考现在应该做什么，这样才能产生能够获得成果的创新”。芦内教授坚持不懈的研究今后也将继续进行。（TEXT：横井Manami、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年1月号
翻译：JST客观日本编辑部
