バイオポリマー

バイオポリマーは、生物の細胞によって生成される天然ポリマーです。他のポリマーと同様に、バイオポリマーは、より大きな分子を形成するために鎖状に共有結合したモノマー単位で構成されています。バイオポリマーには、使用されるモノマーと形成されるバイオポリマーの構造によって、ポリヌクレオチド、ポリペプチド、および多糖類の 3 つの主なクラスがあります。ポリヌクレオチド、RNA、DNA は、ヌクレオチドの長いポリマーです。ポリペプチドには、タンパク質とアミノ酸の短いポリマーが含まれ、主な例としては、コラーゲン、アクチン、フィブリンなどがあります。多糖類は、糖炭水化物の直鎖または分岐鎖です。例としては、デンプン、セルロース、アルギン酸塩などがあります。その他のバイオポリマーの例としては、天然ゴム（イソプレンのポリマー）、スベリンおよびリグニン（複合ポリフェノールポリマー）、クチンおよびクタン（長鎖脂肪酸の複合ポリマー）、メラニン、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）などが挙げられます。

生体高分子は、生体内での多くの重要な役割に加えて、食品産業、製造、包装、生物医学工学など多くの分野で応用されています。[ 1 ]

DNAの構造は、一対の生体高分子、ポリヌクレオチドで構成され、二重らせん構造を形成しています。
IUPACの定義

生体高分子：生物によって形成される高分子（タンパク質、核酸、多糖類を含む）。 [ 2 ]

生体高分子と合成高分子

生体高分子と合成高分子の主な決定的な違いは、その構造にあります。すべてのポリマーは、モノマーと呼ばれる繰り返し単位でできています。生体高分子は多くの場合、明確に定義された構造を持ちますが、これは決定的な特徴ではありません (例:リグノセルロース)。正確な化学組成とこれらの単位が配置される順序は、タンパク質の場合、一次構造と呼ばれます。多くの生体高分子は自発的に特徴的なコンパクトな形状に折り畳まれ (「タンパク質の折り畳み」や二次構造、三次構造も参照)、これが生体高分子の生物学的機能を決定し、一次構造に複雑に依存しています。構造生物学は、生体高分子の構造的特性を研究する学問です。対照的に、ほとんどの合成高分子ははるかに単純でランダム (または確率的) な構造を持っています。この事実は、生体高分子には見られない分子量分布につながります。実際、ほとんどの生体内システムでは、生体高分子の合成は鋳型指向性プロセスによって制御されているため、ある種類の生体高分子（例えば特定のタンパク質）はすべて類似しています。つまり、それらはすべて類似した配列と数のモノマーを含み、したがってすべて同じ質量を持ちます。この現象は、合成高分子に見られる多分散性とは対照的に単分散性と呼ばれます。結果として、生体高分子の分散度は1です。 [ 3 ]

慣習と命名法

ポリペプチド

ポリペプチドの表記法としては、構成アミノ酸残基をアミノ末端からカルボン酸末端まで順に列挙する。アミノ酸残基は常にペプチド結合によって結合している。「タンパク質」は、口語的にはあらゆるポリペプチドを指す用語として用いられるが、より大きな、あるいは完全に機能する形態を指し、単一のポリペプチド鎖だけでなく複数のポリペプチド鎖から構成されることもある。タンパク質は、糖鎖や脂質などの非ペプチド成分を含むように改変されることもある。[ 4 ]

核酸

核酸配列の表記法は、ポリマー鎖の5'末端から3'末端に向かってヌクレオチドを配列する。ここで、5'と3'は、鎖のリン酸ジエステル結合の形成に関与するリボース環周囲の炭素原子の番号を指す。このような配列は、生体高分子の一次構造と呼ばれる。

多糖類

多糖類（糖ポリマー）は直鎖状または分岐状であり、通常はグリコシド結合によって結合しています。結合の正確な位置は様々であり、結合官能基の向きも重要です。その結果、α-グリコシド結合とβ-グリコシド結合が形成され、結合炭素の環内位置は番号で示されます。さらに、多くの糖単位はアミノ化などの様々な化学修飾を受けることができ、糖タンパク質などの他の分子の一部を形成することさえあります。

構造特性評価

配列情報を決定するための生物物理学的手法は数多く存在します。タンパク質配列はエドマン分解によって決定できます。この方法では、N末端残基を鎖から1つずつ加水分解し、誘導体化して同定します。質量分析計も使用できます。核酸配列はゲル電気泳動法やキャピラリー電気泳動法を用いて決定できます。最後に、これらの生体高分子の機械的特性は、光ピンセットや原子間力顕微鏡を用いて測定できる場合が多くあります。二重偏光干渉法は、 pH、温度、イオン強度、またはその他の結合パートナーによる刺激を受けた場合のこれらの材料の構造変化や自己組織化を測定するために使用できます。

一般的な生体高分子

コラーゲン：[ 5 ]コラーゲンは脊椎動物の主要構造であり、哺乳類で最も豊富なタンパク質です。そのため、コラーゲンは最も入手しやすい生体高分子の一つであり、多くの研究に利用されています。その機械的構造により、コラーゲンは高い引張強度を有し、無毒、吸収性、生分解性、生体適合性を備えた材料です。そのため、組織感染症の治療、薬物送達システム、遺伝子治療など、多くの医療用途に利用されてきました。

シルクフィブロイン：[ 6 ]シルクフィブロイン（SF）は、カイコ（Bombyx mori）などの様々なカイコ種から得られる、タンパク質を豊富に含むバイオポリマーです。コラーゲンとは対照的に、SFは引張強度は低いものの、不溶性で繊維状のタンパク質であるため、強い接着性を有します。最近の研究では、シルクフィブロインは抗凝固作用と血小板接着性を有することが示されています。さらに、シルクフィブロインはin vitroで幹細胞の増殖を促進することも明らかになっています。

ゼラチン：ゼラチンはシステインからなるI型コラーゲンから得られ、動物の骨、組織、皮膚由来のコラーゲンの部分加水分解によって生産されます。[ 7 ]ゼラチンにはA型とB型の2種類があります。A型コラーゲンはコラーゲンの酸加水分解によって生成され、窒素含有量は18.5%です。B型コラーゲンはアルカリ加水分解によって生成され、窒素含有量は18%でアミド基は含まれていません。高温ではゼラチンは溶けてコイル状になりますが、低温ではコイル状からヘリックス状に変化します。ゼラチンにはNH2、SH、COOHなどの官能基が多く含まれており、ナノ粒子や生体分子を用いてゼラチンを修飾することができます。ゼラチンは細胞外マトリックスタンパク質であり、創傷被覆材、薬物送達、遺伝子導入などの用途に応用されています。[ 7 ]

デンプン：デンプンは安価な生分解性バイオポリマーであり、供給量も豊富です。ナノファイバーやマイクロファイバーをポリマーマトリックスに添加することで、デンプンの機械的特性が向上し、弾力性と強度が向上します。ナノファイバーやマイクロファイバーがないと、デンプンは湿気に敏感なため、機械的特性が低下します。デンプンは生分解性があり再生可能であるため、プラスチックや医薬品の錠剤など、多くの用途に使用されています。

セルロース：セルロースは、安定性と強度をもたらす積み重ねられた鎖を持つ非常に構造化された繊維です。この強度と安定性は、グリコーゲン結合によって結合したグルコースモノマーによってセルロースがより直線的な形状になることに起因しています。直線的な形状により、分子が密集することが可能になります。セルロースは、その豊富な供給量、生体適合性、そして環境への配慮から、非常に広く応用されています。セルロースは、ナノセルロースと呼ばれるナノフィブリルの形で広く使用されています。低濃度のナノセルロースは透明なゲル材料を生成します。この材料は、バイオメディカル分野で非常に有用な、生分解性で均質かつ高密度のフィルムに使用できます。 [ 8 ]

アルギン酸：アルギン酸は、褐藻類由来の最も豊富な海洋天然ポリマーです。アルギン酸バイオポリマーの用途は、包装、繊維、食品産業からバイオメディカル、化学工学まで多岐にわたります。アルギン酸の最初の応用は創傷被覆材であり、ゲル状の吸収性を持つ特性が発見されました。創傷に塗布すると、アルギン酸は治癒と組織再生に最適な保護ゲル層を形成し、安定した温度環境を維持します。さらに、アルギン酸の密度と繊維組成を多様にすることで薬剤の放出速度を容易に調整できるため、薬物送達媒体としてのアルギン酸の開発も進められています。

バイオポリマーの応用

バイオポリマーの応用は、バイオメディカル用途と産業用途の2つの主な分野に分類できます。[ 1 ]

バイオメディカル

生物医学工学の主な目的の一つは、正常な身体機能を維持するために身体の一部を模倣することであるため、生体適合性を持つバイオポリマーは、組織工学、医療機器、製薬業界で広く利用されています。[ 5 ]多くのバイオポリマーは、その機械的特性により、再生医療、組織工学、薬物送達、そして医療全般に応用できます。創傷治癒、生体活性触媒、無毒性などの特性を備えています。 [ 9 ]免疫原性拒絶反応や分解後の毒性など、様々な欠点を持つ合成ポリマーと比較して、多くのバイオポリマーは人体と同様に複雑な構造を有しているため、通常、身体への統合に適しています。

具体的には、コラーゲンやシルクなどのポリペプチドは、安価で入手しやすいことから、画期的な研究に利用されている生体適合性材料です。ゼラチンポリマーは、創傷被覆材として接着剤としてよく使用されます。ゼラチンを含むスキャフォールドやフィルムは、創傷治癒を促進する薬剤やその他の栄養素を保持することができます。

コラーゲンは生物医学で使用される最も一般的なバイオポリマーの 1 つであるため、その使用例をいくつか示します。

コラーゲンベースの薬物送達システム：コラーゲンフィルムはバリア膜のように機能し、感染した角膜組織や肝臓癌などの組織感染症の治療に使用されます。[ 10 ]コラーゲンフィルムは、骨形成を促進する遺伝子送達キャリアとして使用されてきました。

コラーゲンスポンジ：コラーゲンスポンジは、火傷やその他の重傷の治療に用いられる包帯として使用されます。コラーゲンベースのインプラントは、培養皮膚細胞や薬剤キャリアとして使用され、火傷の傷口や皮膚の再生に使用されます。[ 10 ]

コラーゲンの止血作用：コラーゲンは血小板と相互作用し、血液を急速に凝固させます。この急速な凝固により一時的な骨組みが形成され、宿主細胞による線維性間質の再生が可能になります。コラーゲンをベースとした止血剤は、組織における出血を抑制し、肝臓や脾臓などの臓器における出血を抑えるのに役立ちます。

キトサンは、生物医学研究において人気の高いバイオポリマーの一つです。キトサンは、甲殻類や昆虫の外骨格の主成分であるキチンから抽出され、世界で2番目に豊富なバイオポリマーです。[ 5 ]キトサンは、生物医学科学において多くの優れた特性を有しています。キトサンは生体適合性があり、高い生体活性（つまり、体内の有益な反応を刺激する）、生分解性（インプラント用途における再手術の必要がない）、ゲルやフィルムの形成、そして選択的透過性といった特性を備えています。これらの特性により、キトサンは様々な生物医学用途に応用されています。

キトサンを用いた薬物送達：キトサンは薬物の吸収性と安定性を向上させる可能性があるため、主に薬物標的化に使用されます。さらに、抗がん剤と結合したキトサンは、遊離型薬物をがん組織に徐々に放出させることで、より優れた抗がん効果を発揮します。[ 11 ]

抗菌剤としてのキトサン：キトサンは微生物の増殖を抑制するために使用されます。藻類、真菌、細菌、そして様々な酵母種の グラム陽性細菌などの微生物に対して抗菌作用を発揮します。

組織工学用キトサン複合材料：キトサン粉末をアルギン酸と混合することで、機能性創傷被覆材を作製します。これらの被覆材は、湿潤性と生体適合性を備えた環境を作り出し、治癒プロセスを促進します。また、この創傷被覆材は生分解性を有し、多孔質構造のため、細胞が被覆材内で増殖することが可能です。[ 5 ]さらに、チオール化キトサン（チオマー参照）は、ジスルフィド結合を介して架橋し、安定した三次元ネットワークを形成するため、組織工学および創傷治癒に用いられています。 [ 12 ] [ 13 ]

産業

食品：バイオポリマーは、食品業界で包装、可食性カプセルフィルム、食品コーティングなどに利用されています。ポリ乳酸（PLA）は、その透明な色と耐水性から、食品業界で広く使用されています。しかし、ほとんどのポリマーは親水性であるため、湿気にさらされると劣化し始めます。バイオポリマーは、食品をカプセル化する可​​食性フィルムとしても使用されています。これらのフィルムには、抗酸化物質、酵素、プロバイオティクス、ミネラル、ビタミンなどを封入することができます。バイオポリマーフィルムでカプセル化された食品を摂取することで、これらの栄養素を体内に補給することができます。

包装：包装に最も一般的に使用されるバイオポリマーは、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）、ポリ乳酸（PLA）、デンプンです。デンプンとPLAは市販されており、生分解性があるため、包装材としてよく使用されます。しかし、これらのバリア性（防湿性またはガスバリア性）と熱特性は理想的ではありません。親水性ポリマーは耐水性がなく、水が包装材を通過して内容物に影響を及ぼす可能性があります。ポリグリコール酸（PGA）は優れたバリア性を持つバイオポリマーであり、現在、PLAやデンプンによるバリア障害を改善するために使用されています。

浄水：キトサンは浄水に利用されてきました。凝集剤として使用され、環境中で分解するのに数年かかることなく、数週間から数ヶ月しかかかりません。キトサンはキレート化によって水を浄化します。これは、ポリマー鎖上の結合部位が水中の金属イオンと結合してキレートを形成するプロセスです。キトサンは、雨水処理や廃水処理に最適な候補物質であることが示されています。[ 14 ]

材料として

PLA、天然ゼイン、ポリ-3-ヒドロキシ酪酸などの一部のバイオポリマーは プラスチックとして使用することができ、ポリスチレンやポリエチレンベースのプラスチックの必要性をなくします。

一部のプラスチックは現在、「生分解性」、「酸素分解性」、「紫外線分解性」と称されています。これは、光や空気にさらされると分解することを意味しますが、これらのプラスチックは依然として主に（最大98%）石油由来であり、欧州連合の包装および包装廃棄物に関する指令（94/62/EC）に基づく「生分解性」の認証は取得していません。バイオポリマーは分解され、一部は家庭での堆肥化に適しています。[ 15 ]

バイオポリマー（再生可能ポリマーとも呼ばれる）は、包装業界で利用するためにバイオマスから生産されます。バイオマスは、テンサイ、ジャガイモ、小麦などの作物から得られます。バイオポリマーの生産に使用されるこれらの作物は、非食用作物に分類されます。これらの作物は、以下の経路で変換できます。

テンサイ> グリコン酸 > ポリグリコン酸

デンプン> (発酵) >乳酸>ポリ乳酸(PLA)

バイオマス> (発酵) >バイオエタノール>エチレン>ポリエチレン

バイオポリマーから、食品トレイ、壊れやすい商品の輸送用の吹き付けデンプンペレット、包装用の薄いフィルムなど、さまざまなタイプの包装材を作ることができます。

環境への影響

バイオポリマーは、植物や動物を原料とし、無限に栽培できるため、持続可能でカーボンニュートラル、そして常に再生可能です。これらの原料は農作物由来であるため、持続可能な産業を創出できる可能性があります。一方、石油化学製品由来のポリマー原料はいずれ枯渇します。さらに、バイオポリマーは炭素排出量を削減し、大気中のCO2量を削減する可能性を秘めています。これは、バイオポリマーが分解する際に放出されるCO2が、代替作物によって再吸収されるためです。これにより、バイオポリマーはカーボンニュートラルに近い状態になります。

ほぼすべてのバイオポリマーは自然環境中で生分解性があり、微生物によって二酸化炭素と水に分解されます。これらの生分解性バイオポリマーは堆肥化も可能で、産業用堆肥化プロセスに投入することで、6ヶ月以内に90%分解されます。このようなバイオポリマーには、欧州規格EN 13432 (2000) に基づき、「堆肥化可能」のシンボルを表示することができます。このシンボルが表示された包装は、産業用堆肥化プロセスに投入することで、6ヶ月以内に分解されます。堆肥化可能なポリマーの例としては、厚さ20μm未満のPLAフィルムが挙げられます。それより厚いフィルムは、「生分解性」であっても、堆肥化可能とはみなされません。[ 16 ]欧州では、家庭での堆肥化基準と関連ロゴがあり、消費者は堆肥化の際に包装を識別して廃棄することができます。[ 15 ]

参照

参考文献

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