ミニスピドロイン融合タンパク質から作られた内在性色の人工絹繊維

有害な染料を使わずに光る絹

色鮮やかな衣類には隠れた代償があることが多い：ほとんどの繊維用染料は化石燃料由来であり、大量の水を消費し、河川を汚染したり健康に悪影響を与えることがある。本研究はまったく異なる発想を探る――仕上げの染色を必要とせず、繊維そのものに色を組み込むことだ。エンジニアリングされたクモの糸タンパク質を用いて自然に明るい赤色に発光する素材を作ることで、研究者は水ベースの工程で強く柔軟かつ内在性色を持つ繊維を作れることを示しており、高性能で環境負荷の小さい繊維への道を示している。

クモの糸が新材料に示す示唆

クモの糸は、頑丈で伸びやすく、それでいて軽く生分解性があるため長く研究者の関心を集めてきた。近年、簡略化したクモ糸タンパク質、いわゆるミニスピドロインを大規模にバクテリアで生産する技術が確立されている。こうした人工絹は、本物のクモ糸の驚くべき特性のいくつかを再現する繊維に紡績できる。しかしこれまでの多くの取り組みは強度や靭性の模倣に注力しており、内在性色や生物学的機能のような付加価値の付与にはあまり踏み込んでこなかった。一方で、従来の繊維染色法は依然として強い化学薬品、大量の水、化石由来の染料に頼っており、よりクリーンな代替手段を見つける動機は強い。

繊維自体に色を組み込む

研究者たちは、完成した繊維を染める必要がない、色を持つ絹タンパク質を設計することを目指した。よく知られた赤色蛍光タンパク質mCherryを、すでに繊維化に適したミニスピドロインに融合させた。この融合タンパク質はA3I-A-mCherryと名付けられ、給餌バッチ式バイオリアクターで培養したバクテリアから生産され、培養液1リットル当たり約20グラムという高級繊維用途として有望な収量に達した。チームは優しい水系条件でタンパク質を精製でき、解析によりこの種の絹タンパク質で期待されるように主に二量体を形成していることが確認された。重要なのは、タンパク質溶液が濃いバーガンディ色を示し、紫外線下で明るい赤に発光したことで、mCherry部分が正しく折りたたまれ機能していることを示している。

水中で光る繊維を紡ぐ

次に、赤色の融合タンパク質を全水系の生体模倣的紡糸法で連続的な繊維に紡げるかを試した。この手法では粘性の高いタンパク質溶液を細いノズルからやや酸性の水浴に押し出し、タンパク質が結合して固体の繊維になる――クモが巣を作る際の腺内プロセスに類似する。融合タンパク質のみで紡いだ場合、生成されたのは脆く切れやすい糸だった。研究者らは、着色された融合タンパク質を未修飾のミニスピドロインと混合することでこれを解決し、赤タンパク質を重量で12.5%、25%、50%含む混合物を作成した。これらのブレンドは連続的に湿式紡糸でき、通常光下でもバーガンディ色を保持し、紫外光で赤く蛍光することから多くのmCherryが損なわれずに残っていることが示された。

強度、伸び、そして持続する発色

研究者たちは次に、かさばるmCherryの付加が絹繊維の機械的特性を損なうかどうかを検証した。標準的な引張試験の結果、mCherry含有量が増すにつれて繊維はやや強度が低下する傾向がある一方で、若干伸びやすくなる傾向が見られた。統計的に明確な差が見えたのは、mCherryを含まない繊維と50%含有の繊維との比較のみだった。それでも赤色繊維は引張強度で67〜115メガパスカルの範囲に達し、水系紡糸で作られた他の人工絹と同等の水準にある。強度と伸びを組み合わせた総合的な靭性はすべての繊維タイプで類似していた。顕微鏡観察と赤外分光法は、繊維が典型的な絹様構造を持ちつつ、折りたたまれたmCherryタンパク質の特徴的な指紋を保持していることを確認した。1週間にわたる蛍光イメージングでは、赤い発光が繊維内で安定して維持されることが示され、色が時間経過でも耐久的であることが示唆された。

よりクリーンでスマートな繊維へ向けて

一般向けに言えば、重要なメッセージは研究者たちが「既に色が組み込まれた」絹繊維の概念実証を示したことだ。その色相は外部の染料から来るのではなく、タンパク質の構成要素自体に由来する。製造から紡糸まで水ベースの条件のみを用いることで、絹の機械的性能と色タンパク質の蛍光性の両方を保っている。このアプローチは、色や追跡機能、その他の機能が繊維の段階から設計される未来の繊維を想起させ、染色に伴う汚染を減らし、石油由来の合成繊維の一部に代わり得る新しい種類のスマートでバイオ由来の材料をもたらす可能性がある。

引用: Bohn Pessatti, T., Schmuck, B., Greco, G. et al. Intrinsically colored artificial silk fibers made from mini-spidroin fusion proteins. Commun Mater 7, 70 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01079-z

キーワード: クモの糸, バイオ由来繊維, 蛍光繊維, 持続可能な材料, タンパク質工学