JP5584932B2 - タンパク質繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は絹フィブロインを含むタンパク質繊維の製造方法に関する。

絹フィブロインを用いた人造絹糸繊維は、再生絹繊維として従来から知られている。特許文献１には溶媒としてヘキサフルオロアセトン（ＨＦＡｃ）水和物を使用することが記載され、特許文献２にはヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）を使用することが記載され、特許文献３には水、蟻酸、ヘキサフルオロアセトン（ＨＦＡｃ）水和物、ヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）を使用することが記載されている。

特開２００４−０６８１６１号公報 特表２００６−５０４４５０号公報 特開２０１０−２７０４２６号公報

しかし、従来の絹フィブロインを溶解するのに使用する溶媒は、ヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）やヘキサフルオロアセトン（ＨＦＡｃ）のように高価であったり、水や蟻酸のように溶解し難かったり、ＨＦＩＰなどでは安全性に問題があった。

本発明は前記従来の問題を解決するため、媒質の溶解性が高く、沸点が高くて高温溶解が可能であり、安全性も高く、溶媒自体のコストが安い絹フィブロインを含むタンパク質繊維の製造方法を提供する。

本発明のタンパク質繊維の製造方法は、絹フィブロインを含むタンパク質成分をジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド及びＮ−メチル−２−ピロリドンから選ばれる少なくとも一つの極性溶媒及び無機塩を含む溶液に溶解させ、ドープ液とし、このドープ液を紡糸して得られるタンパク質繊維の製造方法であって、前記ドープ液を口金から凝固液槽に押し出し、前記凝固液の温度を３〜３０℃、前記凝固槽における滞留時間を０．０１〜０．１５ｍｉｎとし、前記極性溶媒を脱離させるとともに繊維形成して未延伸糸とし、前記未延伸糸を温水温度３０〜９０℃の湯浴で第１段延伸し、延伸繊維を得ることを特徴とする。

本発明のタンパク質溶液は、絹フィブロイン（以下「媒質」ともいう。）を含むタンパク質成分を溶媒に溶解させたタンパク質溶液であって、溶媒は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド(DMF)、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド(DMA)及びＮ−メチル−２−ピロリドン(NMP)から選ばれる少なくとも一つの極性溶媒と無機塩を含むことにより、媒質の溶解性が高く、沸点が高くて高温溶解が可能であり、安全性も高く、溶媒自体のコストを安くすることができる。媒質の溶解性が高く、高い濃度で溶解できれば、繊維やフィルムの生産効率を上げることができる。沸点が高く、高温溶解が可能であると、ドープ液調整作業を効率化できる。安全性が高いと、生産作業性を上げられるほか、用途展開も広げられる。さらに本発明の溶液は可紡性もあり、湿式紡糸、キャストフィルム等にも有用である。

図１は本発明の一実施例における製造装置を示す説明図である。 図２Ａ−Ｂは本発明の別の実施例における製造装置を示す説明図であり、図２Ａは紡糸装置−１段目延伸装置、図２Ｂは２段目延伸装置を示す。 図３は本発明のさらに別の実施例における製造装置を示す説明図である。 図４Ａ−Ｂは本発明のさらに別の実施例における製造装置を示す説明図であり、図４Ａは紡糸装置、図４Ｂは延伸装置を示す。 図５は本発明の実施例２で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。 図６は本発明の実施例３で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。 図７は本発明の実施例４で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。 図８は本発明の実施例５で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。 図９は本発明の実施例６で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。 図１０は本発明の実施例７で得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線である。

１．溶媒
（１）極性溶媒の選択
本発明者らは、実施例で具体的に説明するように、絹フィブロインを含むタンパク質成分を溶媒に溶解させたタンパク質溶液として、どのような溶媒が適切かを検討した。実施例で説明するように、主として極性溶媒を選んで溶解実験をした。その結果、ジメチルスルホキシド(DMSO)、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド(DMF)、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド(DMA)及びＮ−メチル−２−ピロリドン(NMP)から選ばれる少なくとも一つの極性溶媒に無機塩を含む溶媒であれば、選択的に溶解度が高く、高温溶解が可能であることがわかった。タンパク質溶液を１００質量％としたとき、媒質の濃度(溶解度)は３質量％以上であることが好ましく、より好ましくは５質量％以上であり、さらに好ましくは６質量％以上である。また、タンパク質溶液を１００質量％としたとき、媒質の濃度(溶解度)は４５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは３０質量％以下であり、さらに好ましくは２５質量％以下である。DMSOは融点１８.４℃、沸点１８９℃、DMFは融点−６１℃、沸点１５３℃であり、従来法で使用されているヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）の沸点５９℃、ヘキサフルオロアセトン（ＨＦＡｃ）の沸点−２６．５℃に比べると、沸点ははるかに高い。また、前記極性溶媒は、一般産業分野においてもアクリル繊維の重合、紡糸液として使用され、ポリイミドの重合溶媒や希釈溶媒としても使用されていることから、コストも安く、安全性も確認されている物質である。

（２）溶解促進剤
前記極性溶媒には溶解促進剤として無機塩を加える。無機塩としては、アルカリ金属ハロゲン化物（例えばLiCl,LiBrなど）、アルカリ土類金属ハロゲン化物(例えばCaCl₂)、アルカリ土類金属硝酸塩(例えばCa(NO₃)₂など)、チオシアン酸塩(例えばNaSCNなど)から選ばれる少なくとも一つである。溶媒を１００質量％としたとき、無機塩の割合は０．１〜２０質量％の範囲が好ましい。

（３）溶媒の純度、添加物
溶媒は、さらにアルコール及び／又は水を含んでも良い。溶媒を１００質量％としたとき、前記極性溶媒と無機塩の割合が２０質量％以上１００質量％以下であり、残余はアルコールを含んでも良い。前記においてアルコールとは炭素数１〜６の低級アルコールが好ましい。さらに好ましくは、メタノール、エタノール又は２−プロパノールである。

水を含む場合は、溶媒を１００質量％としたとき、前記極性溶媒と無機塩の割合が１０質量％以上１００質量％以下であり、残余は水を含んでも良い。水とアルコールを混合しても良い。

２．タンパク質成分
タンパク質成分は絹フィブロイン１００質量％でもよいし、絹フィブロインとその他のポリペプチドの混合物であっても良い。絹フィブロイン以外のポリペプチドとしては、応力や破断伸度等の特性に優れるクモ糸タンパク質に由来するポリペプチドが好ましい。すなわち、前記タンパク質成分を１００質量％としたとき、質量比で絹フィブロイン：クモ糸タンパク質に由来するポリペプチドが１００：０〜１０：９０であるのが好ましい。前記の範囲であれば好ましい可紡性があり、両成分は剥離することなく親和性が良好であり、ハイブリッド繊維となり、応力が高く適度な破断伸度があるタンパク質繊維となる。

絹フィブロインとしては、天然型絹フィブロインに由来又は類似するものであればよく、天然もしくは家蚕の繭または中古や廃棄のシルク生地を原料とし、絹フィブロインを覆うセリシンや、その他の脂肪分などを除去した絹フィブロインを精製し、絹フィブロイン凍結乾燥粉末としたものが好ましい。

本発明においては、クモ糸タンパク質に由来するポリペプチドとしては、特に限定されず、例えば天然型クモ糸タンパク質に由来するポリペプチドを用いることができる。前記ポリペプチドは、天然型クモ糸タンパク質に由来するものであればよく、特に限定されず、天然型クモ糸タンパク質や組換えクモ糸タンパク質、例えば天然型クモ糸タンパク質の変異体、類似体又は誘導体などを含む。前記ポリペプチドは、強靭性に優れるという観点からクモの大瓶状線で産生される大吐糸管しおり糸タンパク質に由来するポリペプチドであることが好ましい。前記大吐糸管しおり糸タンパク質としては、アメリカジョロウグモ（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）に由来する大瓶状線スピドロインＭａＳｐ１やＭａＳｐ２、二ワオニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）に由来するＡＤＦ３やＡＤＦ４などが挙げられる。前記大吐糸管しおり糸タンパク質に由来するポリペプチドは、大吐糸管しおり糸タンパク質の変異体、類似体又は誘導体などを含む。

前記大吐糸管しおり糸タンパク質に由来するポリペプチドとしては、式１：ＲＥＰ１−ＲＥＰ２（１）で示されるアミノ酸配列の単位を２以上、好ましくは５以上、より好ましくは１０以上含むポリペプチドが挙げられる。なお、前記大吐糸管しおり糸タンパク質に由来するポリペプチドにおいて、式１：ＲＥＰ１−ＲＥＰ２（１）で示されるアミノ酸配列の単位は、同一であってもよく、異なっていてもよい。上記大吐糸管しおり糸タンパク質に由来するポリペプチドは、大腸菌等の微生物を宿主とした組み換えタンパク質生産を行う場合、生産性の観点から、分子量が５００ｋＤａ以下であることが好ましく、より好ましくは３００ｋＤａ以下であり、さらに好ましくは２００ｋＤａ以下である。

前記式１において、ＲＥＰ１は、ポリアラニンを意味している。前記ＲＥＰ１において、連続して並んでいるアラニンは、２残基以上であることが好ましく、より好ましくは３残基以上であり、さらに好ましくは４残基以上であり、特に好ましくは５残基以上である。また、前記ＲＥＰ１において、連続して並んでいるアラニンは、２０残基以下であることが好ましく、より好ましくは１６残基以下であり、さらに好ましくは１２残基以下であり、特に好ましくは１０残基以下である。前記式１において、ＲＥＰ２は、１０〜２００残基のアミノ酸からなるアミノ酸配列であり、前記アミノ酸配列中に含まれるグリシン、セリン、グルタミン及びアラニンの合計残基数がアミノ酸残基数全体に対して４０％以上、好ましくは６０％以上、より好ましくは７０％以上である。

大吐糸管しおり糸において、前記ＲＥＰ１は、繊維内で結晶βシートを形成する結晶領域に該当し、前記ＲＥＰ２は、繊維内でより柔軟性があり大部分が規則正しい構造を欠いている無定型領域に該当する。そして、前記［ＲＥＰ１−ＲＥＰ２］は、結晶領域と無定型領域からなる繰り返し領域（反復配列）に該当し、しおり糸タンパク質の特徴的配列である。

前記式１：ＲＥＰ１−ＲＥＰ２（１）で示されるアミノ酸配列の単位を２以上含むポリペプチドとしては、例えば、配列番号１〜３のいずれかに示されるアミノ酸配列からなるポリペプチドを用いることができる。配列番号１に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチドは、Ｎ末端に開始コドン、Ｈｉｓ１０タグ及びＨＲＶ３Ｃプロテアーゼ（Human rhinovirus 3Cプロテアーゼ）認識サイトからなるアミノ酸配列（配列番号４）を付加したＡＤＦ３のアミノ酸配列（ＮＣＢＩアクセッション番号：ＡＡＣ４７０１０、ＧＩ：１２６３２８７）において、第１〜１３番目の反復領域をおよそ２倍になるように増やすとともに、翻訳が第１１５４番目アミノ酸残基で終止するように変異させたものである。配列番号２に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチドは、ＡＤＦ３の部分的なアミノ酸配列（ＧＩ：１２６３２８７、ＮＣＢＩアクセッション番号）のＮ末端に開始コドン、Ｈｉｓ１０タグ及びＨＲＶ３Ｃプロテアーゼ（Ｈｕｍａｎ ｒｈｉｎｏｖｉｒｕｓ ３Ｃプロテアーゼ）認識サイトからなるアミノ酸配列（配列番号４）を付加したものである。配列番号３に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチドは、Ｎ末端に開始コドン、Ｈｉｓ１０タグ及びＨＲＶ３Ｃプロテアーゼ（Human rhinovirus 3Cプロテアーゼ）認識サイトからなるアミノ酸配列（配列番号４）を付加したＡＤＦ３のアミノ酸配列（ＮＣＢＩアクセッション番号：ＡＡＣ４７０１０、ＧＩ：１２６３２８７）において、第１〜１３番目の反復領域をおよそ２倍になるように増したものである。

また、前記式１：ＲＥＰ１−ＲＥＰ２（１）で示されるアミノ酸配列の単位を２以上含むポリペプチドとしては、、例えば配列番号１〜３のいずれかに示されるアミノ酸配列において１若しくは複数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入及び／又は付加されたアミノ酸配列からなり、結晶領域と無定型領域からなる繰り返し領域を有するタンパク質を用いることができる。本発明において、「１若しくは複数個」とは、例えば、１〜４０個、１〜３５個、１〜３０個、１〜２５個、１〜２０個、１〜１５個、１〜１０個、又は１若しくは数個を意味する。また、本発明において、「１若しくは数個」は、１〜９個、１〜８個、１〜７個、１〜６個、１〜５個、１〜４個、１〜３個、１〜２個、又は１個を意味する。

前記ポリペプチドは、ポリペプチドをコードする遺伝子を含有する発現ベクターで形質転換した宿主を用いて製造することができる。遺伝子の製造方法は特に制限されず、天然型クモ糸タンパク質をコードする遺伝子をクモ由来の細胞からポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などで増幅しクローニングするか、若しくは化学的に合成する。遺伝子の化学的な合成方法も特に制限されず、例えば、ＮＣＢＩのウェブデータベースなどより入手した天然型クモ糸タンパク質のアミノ酸配列情報をもとに、ＡＫＴＡ ｏｌｉｇｏｐｉｌｏｔ ｐｌｕｓ １０／１００（ＧＥヘルスケア・ジャパン株式会社）などで自動合成したオリゴヌクレオチドをＰＣＲなどで連結して合成することができる。この際に、タンパク質の精製や確認を容易にするため、上記のアミノ酸配列のＮ末端に開始コドン及びＨｉｓ１０タグからなるアミノ酸配列を付加したアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子を合成してもよい。

上記発現ベクターとしては、ＤＮＡ配列からタンパク質を発現し得るプラスミド、ファージ、ウイルスなどを用いることができる。上記プラスミド型発現ベクターとしては、宿主細胞内で目的の遺伝子が発現し、かつそれ自体が増幅することのできるものであればよく、特に限定されない。例えば宿主として大腸菌Ｒｏｓｅｔｔａ（ＤＥ３）を用いる場合は、ｐＥＴ２２ｂ（＋）プラスミドベクター、ｐＣｏｌｄプラスミドベクターなどを用いることができる。中でも、タンパク質の生産性の観点から、ｐＥＴ２２ｂ（＋）プラスミドベクターを用いることが好ましい。上記宿主としては、例えば動物細胞、植物細胞、微生物などを用いることができる。

本発明で使用するクモ糸タンパク質に由来するポリペプチドは、ニワオニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）の２つの主要なしおり糸タンパク質の一つであるＡＤＦ３由来のポリペプチドであることが好ましい。このポリペプチドは強伸度及びタフネスが基本的に高く、合成し易いことも利点として挙げられる。

３．タンパク質溶液
タンパク質を含む溶液は、ドープ液として用いることができる。ドープ液は例えば湿式紡糸、エレクトロンスピニング、キャストフィルム液などに有用である。ドープ液は、タンパク質成分に前記溶媒を加え、紡糸できる粘度に調整して作製する。溶媒は、前記極性溶媒と無機塩を含む。或いは、溶媒は、前記極性溶媒と無機塩に加え、前記アルコール及び／又は水を含んでも良い。例えば溶液粘度を１００〜１０，０００ｃＰ（センチポイズ）とする。溶液粘度の測定方法は、例えば京都電子工業社製の商品名“ＥＭＳ粘度計”を使用して測定する。なお、本発明のポリペプチドの溶液は、不可避的な含有成分、例えば絹フィブロインやクモ糸タンパク質に由来するポリペプチドに含まれている夾雑物などを含んでも良い。

４．湿式紡糸−延伸
（１）湿式紡糸
紡糸は湿式紡糸を採用する。これにより、ポリマーを溶解させた溶媒を除去し（脱溶媒又は凝固ともいう）、未延伸糸を得る。湿式紡糸に使用する凝固液は、脱溶媒できる溶液であればどのようなものでも良い。溶媒を除去し、繊維形成させるための凝固液はメタノール、エタノール、２−プロパノールなどの炭素数１〜５の低級アルコール又はアセトンを使用するのが好ましい。適宜水を加えても良い。凝固液の温度は３〜３０℃が好ましい。前記の範囲であれば紡糸は安定する。前記紡糸液を凝固液に押し出すことにより、未延伸糸が得られる。直径０．１〜０．６ｍｍのノズルを有するシリンジポンプの場合、押し出し速度は１ホール当たり、０．２〜２．４ｍｌ／ｈが好ましい。この範囲であれば紡糸は安定する。さらに好ましい押し出し速度は１ホール当たり、０．６〜２．２ｍｌ／ｈである。凝固液槽の長さは２００〜５００ｍｍ、未延伸糸の引き取り速度は１〜３ｍ／ｍｉｎ、滞留時間は０．０１〜０．１５ｍｉｎが好ましい。この範囲であれば脱溶媒が効率よくできる。凝固液において延伸（前延伸）をしても良いが、低級アルコールの蒸発を考えると凝固液を低温に維持し、未延伸糸の状態で引き取るのが好ましい。

（２）延伸
延伸は一段延伸でもよいし、２段以上の多段延伸でもよい。多段延伸は応力が高くなる利点がある。

図１〜２は多段延伸の例であり、図１は紡糸と延伸の連続工程を示している。紡糸延伸装置１０は、押し出し装置１と、未延伸糸製造装置２と、湿熱延伸装置３と、乾熱延伸装置４を含む。紡糸液６は貯槽７に貯蔵され、ギアポンプ８を用いて口金９から押し出す。ラボスケールにおいては、紡糸液をシリンダーに充填し、シリンジポンプを用いてノズルから押し出しても良い。押し出された紡糸液は、エアギャップ１９を有するか又は直接、凝固液槽２０の凝固液１１内に供給し、溶媒を除去する。次いで延伸浴槽２１内の温水１２内に供給し、１段目延伸する。延伸倍率は供給ニップローラ１３と引き取りニップローラ１４との速度比によって決まる。次いで乾熱延伸装置１７に供給し、糸道２２内で２段目延伸し、巻糸体５とする。延伸倍率は供給ニップローラ１５と引き取りニップローラ１６との速度比によって決まる。１８ａ〜１８ｆは糸ガイドである。

図２Ａ−Ｂは２段延伸の例である。図２Ａは紡糸装置３０及び１段目延伸装置４０、図２Ｂは２段目延伸装置５０を示す。それぞれの装置ごとに糸を巻き取るかまたは巻き取らずに容器に溜めてもよい。紡糸装置３０においては、マイクロシリンジ３１内に紡糸液３２を入れておき、シリンジポンプを用いて矢印Ｐ方向に移動させ、ノズル３３から紡糸液３２を押し出し、凝固液槽３４内の凝固液３５に供給し、未延伸糸３６とする。続いて１段目延伸装置４０においては、未延伸糸３６を延伸浴槽３７内の温水３８内に供給し、１段目延伸し、１段目延伸糸の巻糸体３９とする。延伸倍率は供給ニップローラ４１と引き取りニップローラ４２との速度比によって決まる。次いで巻糸体３９から１段目延伸糸を引き出し、乾熱延伸装置４３に供給し、糸道４７内で２段目延伸する。延伸倍率は供給ニップローラ４５と引き取りニップローラ４６との速度比によって決まる。次いで延伸糸を巻糸体４４に巻き取る。

図３〜４は一段延伸の例であり、図３は連続工程を示している。紡糸延伸装置６０は、押し出し装置６１と、未延伸糸製造装置６２と、乾熱延伸装置６３を含む。紡糸液６６は貯槽６７に貯蔵され、ギアポンプ６８により口金６９から押し出す。ラボスケールにおいては、紡糸液をシリンダーに充填し、シリンジポンプを用いてノズルから押し出しても良い。押し出された紡糸液は、エアギャップ７３を有するか又は直接、凝固液槽７２の凝固液７１内に供給し、溶媒を除去する。次いで乾熱延伸装置７７に供給し、糸道７８内で延伸し、巻糸体６４とする。延伸倍率は供給ニップローラ７５と引き取りニップローラ７６との速度比によって決まる。７４ａ〜７４ｆは糸ガイドである。

図４Ａ−Ｂは紡糸と延伸を分離した例の説明図である。図４Ａは紡糸装置８０、図４Ｂは延伸装置９０を示す。それぞれの装置ごとに糸を巻き取るかまたは巻き取らずに容器に溜めてもよい。紡糸装置８０においては、マイクロシリンジ８１内に紡糸液８２を入れておき、シリンジポンプを用いて矢印Ｐ方向に移動させ、ノズル８３から紡糸液８２を押し出し、凝固液槽８４内の凝固液８５に供給し、未延伸糸の巻糸体８６とする。次に延伸装置９０においては、巻糸体８６から未延伸糸を引き出し、乾熱延伸装置８９に供給し、糸道９１内で延伸する。延伸倍率は供給ニップローラ８７と引き取りニップローラ８８との速度比によって決まる。次いで延伸糸を巻糸体９２に巻き取る。これにより延伸糸を得る。

本発明方法においては、乾熱加熱延伸の前に予め湯浴延伸をしておくこともできる。湯浴延伸により、さらに分子配向を進めることができる。湯浴延伸は、絹フィブロインとクモ糸タンパク質との混合（ハイブリッド）繊維にも有用である。湯浴延伸の条件は３０〜９０℃、延伸倍率１．０５〜６倍が好ましい。

湿式紡糸−延伸で得られるタンパク質繊維は、直径が５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。前記の範囲であれば安定して繊維を得ることができる。より好ましい繊維直径は８〜５０μｍの範囲、さらに好ましくは２０〜４０μｍの範囲である。湿式紡糸−延伸で得られるタンパク質繊維は、断面が円形とは限らず様々な形状を含むため、断面を円形と想定した場合の平均径をいう。

５．キャストフィルム
本発明のタンパク質溶液はドープ溶液としてキャストフィルムにすることもできる。例えばガラス板のようなドープ液中の溶媒に耐性のある平板にドープ液を所定の厚さにキャストし、前記キャスト膜から溶媒を脱離させてタンパク質フィルムを得る。ドープ液を所定の厚さにキャストするには、ドクターコート、ナイフコーターなどの冶具を用いて数ミクロン以上の厚さにキャストし、その後減圧乾燥又は脱溶媒槽への浸漬により溶媒を脱離することにより得る。

６．架橋
本発明のタンパク質繊維又はフィルムは、ポリペプチド分子間を化学的に架橋させてもよい。ポリペプチドの架橋に使える官能基は、例えばアミノ基、カルボキシル基、チオール基、ヒドロキシ基等があるが、これに限定されるものではない。ポリペプチドに含まれるリジン側鎖のアミノ基は、グルタミン酸若しくはアスパラギン酸側鎖のカルボキシル基と脱水縮合によりアミド結合で架橋できる。架橋は真空加熱下で脱水縮合反応を行なっても良いし、カルボジイミド等の脱水縮合剤により架橋させても良い。また、グルタルアルデヒド等の架橋剤を用いても良い。また、トランスグルタミナーゼ等の酵素により架橋することもできる。一例として、カルボジイミド、グルタルアルデヒド、多官能エポキシ樹脂（一例としてナガゼケムテック社製、商品名”デナコール”）等の架橋剤で架橋反応させても良い。カルボジイミドは一般式Ｒ^１Ｎ＝Ｃ＝ＮＲ^２（但し、Ｒ^１，Ｒ^２は炭素数１〜６のアルキル基、シクロアルキル基を含む有機基を示す。）で示され、具体的化合物は１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）、１−シクロヘキシル−３−（２−モルホリノエチル）カルボジイミド、ジイソプロピルカルボジイミド（ＤＩＣ）などがある。この中でもＥＤＣ、ＤＩＣはペプチド鎖のアミド結合形成能が高く、架橋反応し易いことから好ましい。架橋処理は、ドープ液中に架橋剤を加えて架橋しても良いし、延伸糸に架橋剤を付与して真空熱乾燥で架橋しても良い。架橋剤は１００％品を繊維に付与しても良いし、炭素数１〜５の低級アルコールや緩衝液などで希釈して０．００５〜１０質量％の濃度で繊維に付与しても良い。処理条件は、温度２０〜４５℃で３〜４２時間が好ましい。架橋剤による架橋処理により、強度、タフネス、耐薬品性等を上げることができる。

以下実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１、参考例）
（１）絹フィブロイン原料の準備
（ａ）繭を約２ｍｍ×１０ｍｍ程度に裁断し、沸騰した０．５質量％マルセル石鹸水（マルセル石鹸はおろし金で細かくしたものを使用）で約３０分間煮た。
（ｂ）その後、沸騰したお湯で３０分間煮た。
（ｃ）手順１と２を後２回繰り返した（計３回）。
（ｄ）最後に沸騰したお湯で３０分間煮た。この操作で絹フィブロインを覆うセリシンやその他の添加剤などを完全に除去した。
（ｅ）湿った絹フィブロインを３７℃環境で一晩乾燥させた。
（ｆ）乾燥後の絹の重さを測り、１０ｗ／ｖ％となるように、ＬｉＢｒ水溶液（９ｍｏｌ／Ｌ）を加え、４０℃環境で２時間溶解させた。
（ｇ）その水溶液をセルロース透析膜((VISKASESELES COAP製 Seamless Cellulose Tubing,36/32))に入れ、蒸留水を用いて３〜４日間透析した。
（ｈ）透析後の回収溶液を、２０℃、１５，０００ｒｐｍ、１時間で遠心し、解け残りやゴミ等を除去した。
（ｉ）更に濃度が２質量％以下になるようにＭｉｌｌｉＱで希釈した。
（ｊ）希釈後、ADVANTEC社の１５０μｍフィルターに通し、細かなゴミを完全に除去した。
（ｋ）絹フィブロイン水溶液を−８０℃環境で凍結させ、一晩かけて凍結乾燥した。十分に水分が抜けたことを確認し、絹フィブロイン粉末として保存した。このようにして絹フィブロイン凍結乾燥粉末を得た。

２．溶媒(極性溶媒と溶解促進剤)
(1)極性溶媒
極性溶媒は、アクリル繊維の重合、紡糸液用、ポリイミドの重合溶媒として使用されている極性溶媒を中心に検討した。
ＤＭＡ：Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド
ＤＭＦ:Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド
ＤＭＩ:１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン
ＮＭＰ：Ｎ−メチル−２−ピロリドン
ＨＦＩＰ：ヘキサフルオロイソプロパノール
ＤＭＳＯ：ジメチルスルホキシド
蟻酸
炭酸ブチレン
炭酸プロピレン
γ−ブチロラクトン
ヘキサメチルホスホルアミド
(2)溶解促進剤（無機塩）
溶解促進剤として下記の無機塩を検討した。
アルカリ金属ハロゲン化物:LiCl,LiBr
アルカリ土類金属ハロゲン化物:CaCl₂
アルカリ土類金属硝酸塩:Ca(NO₃)₂
チオシアン酸ナトリウム:NaSCN

＜溶解性試験＞
表１に示すように、極性溶媒とこれに無機塩を加えた系で溶解性試験をした。温度は１００℃とした。絹フィブロインの濃度は４質量％とした。下記の表１以下の溶解性評価は次の基準に従った。なお、表１において、無機塩の質量％は、極性溶媒と無機塩の全体質量に対する無機塩の質量の割合である。
［溶解性評価基準］
Ａ 溶解する。
Ｂ 大部分溶解するが一部不溶物が残る。
Ｃ 溶解しない。

表１から明らかなとおり、ジメチルスルホキシド(DMSO)、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド(DMF)、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド(DMA)及びＮ−メチル−２−ピロリドン(NMP)と無機塩を含む溶媒であれば、選択的に溶解度が高く、高温溶解が可能であることが確認できた。

次に、表１の溶解性評価基準がＡのものについて可紡性を調べた。可紡性は湿式紡糸を採用し、図４Ａに示す紡糸装置において、紡糸液をシリンダーに充填し、０．３ｍｍ径のノズルからシリンジポンプを用い、２．０ｍｌ／ｈの速度で押し出し、１００質量％メタノール凝固液中で溶媒を抽出して未延伸糸が作製できるか否かで判断した。脱溶媒槽（凝固液槽）の長さは２５０ｍｍ、巻き取り速度は２．１ｍ／ｍｉｎとした。その結果、表１の溶解性評価基準がＡのものはいずれも可紡性があった。

（実施例２）
紡糸液（ドープ液）を用いて湿式紡糸し延伸して繊維を作成した。
（１）紡糸液（ドープ液）の調整
タンパク質成分の濃度（ドープ濃度）を１５質量％、溶媒はＤＭＳＯ＋10質量％ＬｉＣｌとした。
（２）湿式紡糸
図３に示す紡糸装置を用いた。湿式紡糸における各条件は次のとおりである。
押し出しノズル直径：０．３ｍｍ
押し出し速度：３．０ｍｌ／ｈ
凝固液槽の湯温：10℃
（３）延伸
５０℃の温水中での延伸倍率（一段延伸）：３．０倍
巻取速度：６．６ｍ／ｍｉｎ（６６ｒｐｍ）で巻取った。
（４）得られた延伸糸の物性
得られた繊維の物性を下記のように測定した。その結果、単繊維の平均直径：３７．０μｍ、最大点応力：１３５．１ＭＰａ、初期弾性率：５．８ＧＰａ、破断点変位（伸度）：７１．４％、タフネス：８２．４ＭＪ／ｍ^３であった。得られた単繊維の応力−変位（ひずみ）曲線は図５に示した。
（ａ）光学顕微鏡を用いて繊維の直径を求めた。
（ｂ）引張り試験
温度：２５℃、相対湿度６０％の雰囲気温度で引張り試験機（島津社製小型卓上試験機ＥＺ−Ｓ）を用いて繊維の強度、初期弾性率（２０点の最大傾きで測定。５０ｍｓｅｃ間隔で測定し、傾きの計算を２０点間隔で行ったときの最大傾きを初期弾性率とした。）、伸度を測定し、タフネスを算出した。サンプルは厚紙で型枠を作製したものに貼り付け、つかみ具間距離は２０ｍｍ、引張り速度は１０ｍｍ／ｍｉｎで行った。ロードセル容量１Ｎ、つかみ冶具はクリップ式とした。測定値はサンプル数ｎ＝５の平均値とした。タフネスの算出式は次のとおりとした。
［Ｅ／（ｒ^２×π×Ｌ）×１０００］（単位：ＭＪ／ｍ^３）
但し、
Ｅ 破壊エネルギー（単位：Ｊ）
ｒ 繊維の半径（単位：ｍｍ）
π 円周率
Ｌ 引張り試験測定時のつかみ具間距離：２０ｍｍ

（実施例３〜７）
本実施例は絹フィブロインとクモ糸タンパク質に由来するポリペプチドとを混合したハイブリッド繊維の例である。
１．クモ糸タンパク質に由来するポリペプチドの準備
＜遺伝子合成＞
（１）ＡＤＦ３Ｋａｉの遺伝子の合成
ニワオニグモの２つの主要なしおり糸タンパク質の一つであるＡＤＦ３（ＮＣＢＩアクセッション番号：ＡＡＣ４７０１０、ＧＩ：１２６３２８７）の部分的なアミノ酸配列をＮＣＢＩのウェブデータベースより取得し、同配列のＮ末端に開始コドン、Ｈｉｓ１０タグ及びＨＲＶ３Ｃプロテアーゼ（Human rhinovirus 3Cプロテアーゼ）認識サイトからなるアミノ酸配列（配列番号４）を付加したアミノ酸配列（配列番号２）をコードする遺伝子を、ＧｅｎＳｃｒｉｐｔ社に合成受託した。その結果、配列番号５で示す塩基配列からなるＡＤＦ３Ｋａｉの遺伝子が導入されたｐＵＣ５７ベクター（遺伝子の５’末端直上流にＮｄｅ Ｉサイト、及び５’末端直下流にＸｂａ Ｉサイト有り）を取得した。その後、同遺伝子をＮｄｅ Ｉ及びＥｃｏＲ Ｉで制限酵素処理し、ｐＥＴ２２ｂ（＋）発現ベクターに組み換えた。

（２）ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅの遺伝子の合成
ＡＤＦ３Ｋａｉを鋳型にＴ７プロモータープライマー（配列番号８）とＲｅｐ Ｘｂａ Ｉプライマー（配列番号９）を用いてＰＣＲ反応を行い、ＡＤＦ３Ｋａｉの遺伝子配列における５’側半分の配列（以下、配列Ａと記す。）を増幅し、同断片をＭｉｇｈｔｙ Ｃｌｏｎｉｎｇ Ｋｉｔ（タカラバイオ株式会社製）を使用して、予めＮｄｅ Ｉ及びＸｂａ Ｉで制限酵素処理をしておいたｐＵＣ１１８ベクターに組み換えた。同様に、ＡＤＦ３Ｋａｉを鋳型にＸｂａ Ｉ Ｒｅｐプライマー（配列番号１０）とＴ７ターミネータープライマー（配列番号１１）を用いてＰＣＲ反応を行い、ＡＤＦ３Ｋａｉの遺伝子配列における３’側半分の配列（以下、配列Ｂと記す。）を増幅し、同断片をＭｉｇｈｔｙ Ｃｌｏｎｉｎｇ Ｋｉｔ（タカラバイオ株式会社製）を使用して、予めＸｂａ Ｉ、ＥｃｏＲ Ｉで制限酵素処理をしておいたｐＵＣ１１８ベクターに組み換えた。配列Ａの導入されたｐＵＣ１１８ベクターをＮｄｅ Ｉ、Ｘｂａ Ｉで、配列Ｂの導入されたｐＵＣ１１８ベクターをＸｂａ Ｉ、ＥｃｏＲ Ｉでそれぞれ制限酵素処理し、ゲルの切り出しによって配列Ａ及び配列Ｂの目的ＤＮＡ断片を精製した。ＤＮＡ断片Ａ、Ｂ及び予めＮｄｅ Ｉ及びＥｃｏＲ Ｉで制限酵素処理をしておいたｐＥＴ２２ｂ（＋）をライゲーション反応させ、大腸菌ＤＨ５αに形質転換した。Ｔ７プロモータープライマー及びＴ７ターミネータープライマーを用いたコロニーＰＣＲにより、目的ＤＮＡ断片の挿入を確認した後、目的サイズ（３．６ ｋｂｐ）のバンドが得られたコロニーからプラスミドを抽出し、３１３０ｘｌ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｚｅｒ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）を用いたシーケンス反応により全塩基配列を確認した。その結果、配列番号６に示すＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅの遺伝子の構築が確認された。なお、ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅのアミノ酸配列は配列番号３で示すとおりである。

（３）ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅ−ＮＲＳＨ１の遺伝子の合成
上記で得られたＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅの遺伝子が導入されたｐＥＴ２２ｂ（＋）ベクターを鋳型に、ＰｒｉｍｅＳｔａｒ Ｍｕｔａｇｅｎｅｓｉｓ Ｂａｓａｌ Ｋｉｔ（タカラバイオ株式会社製）を用いた部位特異的変異導入により、ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅのアミノ酸配列（配列番号３）における第１１５５番目のアミノ酸残基グリシン（Ｇｌｙ）に対応するコドンＧＧＣを終止コドンＴＡＡに変異させ、配列番号７に示すＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅ−ＮＲＳＨ１の遺伝子をｐＥＴ２２ｂ（＋）上に構築した。変異の導入の正確性については、３１３０ｘｌ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｚｅｒ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）を用いたシーケンス反応により確認した。なお、ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅ−ＮＲＳＨ１のアミノ酸配列は配列番号１で示すとおりである。

上記で得られたＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅ−ＮＲＳＨ１の遺伝子配列を含むｐＥＴ２２ｂ（＋）発現ベクターを、大腸菌Ｒｏｓｅｔｔａ（ＤＥ３）に形質転換した。得られたシングルコロニーを、アンピシリンを含む２ｍＬのＬＢ培地で１５時間培養後、同培養液１．４ｍｌを、アンピシリンを含む１４０ｍＬのＬＢ培地に添加し、３７℃、２００ｒｐｍの条件下で、培養液のＯＤ_６００が３．５になるまで培養した。次に、ＯＤ_６００が３．５の培養液を、アンピシリンを含む７Ｌの２×ＹＴ培地に５０％グルコース１４０ｍＬと共に加え、ＯＤ_６００が４．０になるまでさらに培養した。その後、得られたＯＤ_６００が４．０の培養液に、終濃度が０．５ｍＭになるようにイソプロピル−β−チオガラクトピラノシド（ＩＰＴＧ）を添加してタンパク質発現を誘導した。ＩＰＴＧ添加後２時間経過した時点で、培養液を遠心分離し、菌体を回収した。ＩＰＴＧ添加前とＩＰＴＧ添加後の培養液から調製したタンパク質溶液をポリアクリルアミドゲルに泳動させたところ、ＩＰＴＧ添加に依存して目的サイズ（約１０１．１ｋＤａ）のバンドが観察され、目的とするタンパク質が発現していることを確認した。ＡＤＦ３Ｋａｉ−Ｌａｒｇｅ−ＮＲＳＨ１のタンパク質を発現している大腸菌を冷凍庫（−２０℃）で保存した。

＜タンパク質の抽出及び精製＞
（Ｉ）遠沈管（５０ｍｌ）にＡＤＦ３ＫａｉーＬａｒｇｅーＮＲＳＨ１のタンパク質を発現している大腸菌の菌体約４．５ｇと、緩衝液ＡＩ（２０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ｐＨ７．４）３０ｍｌを添加し、ミキサー（ＧＥ社製「ＳＩ−０２８６」、レベル１０）で菌体を分散させた後、遠心分離機（トミー精工製の「ＭＸ−３０５」）で遠心分離（１０，０００ｒｐｍ、１０分、室温）し、上清を捨てた。
（II）遠心分離で得られた沈殿物（菌体）に緩衝液ＡＩを３０ｍｌと、０．１ＭのＰＭＳＦ（イソプロパノールで溶解）を０．３ｍｌ添加し、上記ＧＥ社製のミキサー（レベル１０）で３分間分散させた。その後、超音波破砕機（ＳＯＮＩＣ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＩＮＣ製「ＶＣＸ５００」）を用いて菌体を破砕し、遠心分離（１０，０００ｒｐｍ、１０分、室温）した。
（III）遠心分離で得られた沈殿物に緩衝液ＡＩを３０ｍＬ加え、ミキサー（ＩＫＡ社製「Ｔ１８ベーシック ウルトラタラックス」、レベル２）で３分間分散させた後、上記トミー精工製の遠心分離機で遠心分離（１０，０００ｒｐｍ、１０分、室温）し、上清を除去した。
（IV）上清を捨てた遠沈管に７．５Ｍの尿素緩衝液Ｉ（７．５Ｍ 尿素、１０ｍＭ リン酸二水素ナトリウム、２０ｍＭ ＮａＣｌ、１ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ｐＨ７．０）を加え、上記ＳＭＴ社製の超音波破砕機（レベル７）で沈殿を良く分散させた。その後、上記タイテック社製のシェイカー（２００ｒｐｍ、６０℃）で１２０分間溶解させた。溶解後のタンパク質溶液を上記トミー精工製の遠心分離機で遠心分離（１１，０００×ｇ、１０分、室温）し、上清を透析チューブ（三光純薬株式会社セルロースチューブ３６／３２）を用いて水で透析を行った。透析後に得られた白色の凝集タンパク質を遠心分離により回収し、凍結乾燥機で水分をのぞき、凍結乾燥粉末を回収した。得られた凍結乾燥粉末における目的タンパク質ＡＤＦ３ＫａｉーＬａｒｇｅーＮＲＳＨ１（約１０１．１ｋＤａ）の精製度は、粉末のポリアクリルアミドゲル電気泳動（ＣＢＢ染色）の結果をＴｏｔａｌｌａｂ（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｌｔｄ．）を用いて画像解析することにより確認した。その結果、ＡＤＦ３ＫａｉーＬａｒｇｅーＮＲＳＨ１の精製度は約８５％であった。

２．紡糸液（ドープ液）の調整
実施例２と同様にしてドープ液を作成した。具体的条件は表２に示す。ドープ液を調整する際に、絹フィブロインとクモ糸タンパク質を混合した。絹フィブロインは実施例1と同一物を使用した。

３．延伸条件と結果
延伸は第１延伸として湯浴で行い、第２延伸は湯浴（実施例３〜５,７）と乾熱（実施例６）で行った。第１延伸の湯浴延伸は凝固工程の後に連続して行った。絹フィブロインとクモ糸タンパク質の質量混合割合、延伸工程の条件を表２に、上述のとおりに測定した物性の結果を表３に示す。

表２〜３の結果から、絹フィブロインとクモ糸タンパク質を混合したハイブリッド繊維の物性値は高いことがわかる。

本発明のタンパク質溶液及びこれを用いたタンパク質繊維は、樹脂や金属の強化繊維、複合材料、射出成形等に好適に使用できる。その用途は、自動車等の輸送機器部材、タイヤの補強繊維等に適用できる。さらに手術用糸、マスク、フィルター、創傷被覆材、再生医療シート、バイオシート等にも適用できる。形態としては織物、編物、組み物、不織布などに応用できる。

１，３１，６１，８１ 押し出し装置
２，３０，６２，８０ 未延伸糸製造装置
３，４０ 湿熱延伸装置（１段目延伸装置）
４，５０，６３，９０ 乾熱延伸装置（２段目延伸装置）
５，３９，４４，６４，８６，９２ 巻糸体
６，３２，６６，８２ 紡糸液
７ 貯槽
８ ギアポンプ
９，６９，８３ 口金
１０，６０ 紡糸延伸装置
１１，３５，７１，８５ 凝固液
３６ 未延伸糸
１２，３８ 温水
１３，１５，４１，４５ 供給ニップローラ
１４，１６，４２，４６ 引き取りニップローラ
１７，４３，７７，８９ 乾熱延伸装置
１８ａ〜１８ｆ 糸ガイド
１９，７３ エアギャップ
２０，３４，７２，８４ 凝固液槽
２１，３７ 延伸浴槽
２２，４７，７８，９１ 糸道

配列番号１〜４ アミノ酸配列
配列番号５〜７ 塩基配列
配列番号８〜１１ プライマーシーケンス

Claims (9)

1. 絹フィブロインを含むタンパク質成分をジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド及びＮ−メチル−２−ピロリドンから選ばれる少なくとも一つの極性溶媒及び無機塩を含む溶液に溶解させ、ドープ液とし、このドープ液を紡糸して得られるタンパク質繊維の製造方法であって、
   前記ドープ液を口金から凝固液槽に押し出し、前記凝固液の温度を３〜３０℃、前記凝固槽における滞留時間を０．０１〜０．１５ｍｉｎとし、前記極性溶媒を脱離させるとともに繊維形成して未延伸糸とし、
   前記未延伸糸を温水温度３０〜９０℃の湯浴で第１段延伸し、延伸繊維を得ることを特徴とするタンパク質繊維の製造方法。
2. 前記絹フィブロインを含むタンパク質成分は、前記タンパク質成分を１００質量％としたとき、質量比で絹フィブロイン：クモ糸タンパク質に由来するポリペプチドが１００：０〜１０：９０である請求項１に記載のタンパク質繊維の製造方法。
3. 前記タンパク質溶液を１００質量％としたとき、前記タンパク質の割合が３〜４５質量％の範囲である請求項１又は２に記載のタンパク質繊維の製造方法。
4. 前記溶解成分を１００質量％としたとき、無機塩の割合が０．１〜２０質量％の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載のタンパク質繊維の製造方法。
5. 前記溶解成分を１００質量％としたとき、前記極性溶媒の割合が２０質量％以上１００質量％以下であり、残余はアルコール及び／又は不可避的含有成分を含んでも良い請求項１〜４のいずれか１項に記載のタンパク質繊維の製造方法。
6. 前記溶解成分を１００質量％としたとき、前記極性溶媒の割合が１０質量％以上１００質量％以下であり、残余は水及び／又は不可避的含有成分を含んでも良い請求項１〜５のいずれか１項に記載のタンパク質繊維の製造方法。
7. 前記無機塩が、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属硝酸塩、チオシアン酸ナトリウム(NaSCN)から選ばれる少なくとも一つである請求項１〜６のいずれか１項に記載のタンパク質繊維の製造方法。
8. 前記第１段延伸の延伸倍率は１．０５〜６倍である請求項１〜７のいずれか１項に記載のタンパク質繊維の製造方法。
9. 前記第１段延伸の後、第２延伸を湯浴又は乾熱で行う請求項１〜８のいずれか１項に記載のタンパク質繊維の製造方法。

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