シルクたんぱく質からの糸の製造方法および製造装置
本発明はシルクたんぱく質からの糸製造工程とその方法を実行するために適した装置に関する。さらに、本発明は、それにより得られた糸とその使用に関する。本発明は高品質なシルク糸の大量の製造を導く拡散ユニットを使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シルクたんぱく質から糸を製造する方法および前記方法を実行するのに適した装置に関する。さらに、本発明は、それにより得た糸とその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然シルク、例えば、スパイダーシルクは非常に優れた張力と伸展性とを併せ持つ、たぐいまれな素材である。これらの特性により、この素材の大規模な製造が長年に渡り試みられてきた。このために動物、例えば、クモを使用することはできないため、組み換えによりシルク（例えば、スパイダーシルク）たんぱく質の出発原料を得て糸に紡ぐ方法の調査に重点をおいて研究がなされた。
【０００３】
原材料として、本物のシルクたんぱく質（シルク遺伝子の本物の配列を用いて得られた組み換えたんぱく質）および人工のシルクたんぱく質（その一次配列が広く自然配列に対応する人工遺伝子に基づくたんぱく質）が用いられる。人工的に製造された糸の品質は使用された原材料と紡績方法の両方により決定されると考えられる。
【０００４】
天然紡績工程のように、人工紡績工程において、シルクたんぱく質は溶性から不溶性に転移し、その構造はできる限り本物の糸と一致しなければならない。そのため、Ｊｅｌｉｎｓｋｉのワーキンググループは数ミリグラムのシルクたんぱく質を数メートルのシルク糸に紡ぐことができるマイクロ紡績装置を開発した（Ｌｉｉｖａｋ ｅｔ ａｌ．，１９９８）。ヘキサフルオロイソプロパノールに溶解させたクモ（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）のシルクが出発原料として使用された。そのように溶解されたたんぱく質はアセトンの沈殿浴に紡績ノズルを介して注入された。しかしながら、このようにして得られた糸は扱いづらく、天然シルク糸と構造上の類似がほとんどなかった（Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ．，１９９８； Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ， ２０００）。第一に、それを水で処理し、糸を補助的に引き出すと（ｐｏｓｔ ｓｐｉｎ ｄｒａｗ）、機械的および構造上のパラメータを向上させることができた。しかしながら、天然シルクの特性は達成できなかった（Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ．，２０００）。
【０００５】
他のグループは、メタノールと水の混合液を沈殿浴として使用する紡績技術を開発した。これにより、人工シルクたんぱく質とクモ（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）の組み換えＭａＳｐｌを尿素含有の溶液から紡ぐことができた。しかしながら、これらもまた扱いづらかった（Ａｒｃｉｄｉａｃｏｎｏ ｅｔ ａｌ．，２００２）。
【０００６】
同じ技術を用いて、カオトロピック試薬なしで溶解する組み換えＡＤＦ−３を糸に紡ぐことができた。この場合もまた、糸の特性はｐｏｓｔ ｓｐｉｎ ｄｒａｗ（Ｌａｚａｒｉｓ ｅｔ ａｌ．，２００２）によって向上されたが、天然糸の張力を達成することはできなかった。Ｏｘｆｏｒｄ Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ社（オックスフォード、英国）、Ｓｐｉｎ‘Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ社（ルードヴィヒスブルク、ドイツ）、およびＩｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｅｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ ＧｍｂＨ社（マインツ、ドイツ）は、発明者の既知知識により、マイクロダイアリシス方法や類似の方法を用いてシルクたんぱく質を糸に紡ぐ方法を開発した。
【０００７】
加えて、いわゆる電子紡績を用いてシルクたんぱく質から糸を得ることに成功した試みがあった（Ｐｒｏｆ． Ｆｒａｎｋ Ｋｏ、Ｄｒｅｘｅｌ大学、フィラデルフィア、ペンシルバニア州、米国）。しかしながら、そのように製造された糸の機械的特性に関しては未だ何も開示されていない。
【０００８】
ＵＳ２００３／０２０１５６０（特許文献１）はたんぱく質溶液から糸を紡ぐ装置に関する。それによると、前記装置は、前記たんぱく質溶液または「ドープ」がそれぞれ通過するじょうご状の領域を有し、この通路は少なくとも部分的に半透性および／または浸透性の素材でできている。
【０００９】
ＷＯ２００５／０１７２３７（特許文献２）は、とりわけたんぱく質を生産する装置に関する。前記装置はチューブ状の通路を有し、その壁は部分的に透過性または浸透性がある。これはｐＨ、含水量、およびイオン組成をモニタリングする上で有利である。
【００１０】
ＷＯ２００４／０５７０６９（特許文献３）は目的物の製造方法および装置に関し、特に、スパイダーシルクたんぱく質から糸を紡ぐ方法および装置にも関する。この方法は、本質的に、例えばカリウム、好ましくはフッ化カリウムを加えることによって達成されるたんぱく質溶液のゾルゲル遷移に関する。更に、前記方法を実行するために用いる前記装置は、半透過可能または浸透可能に形成された「遷移室」を有すると述べられている。
【００１１】
ＷＯ２００３／０６００９９（特許文献４）はスパイダーシルクファイバーまたはバイオフィラメントのそれぞれの製造に関する。その既定された装置においては、スパイダーシルクたんぱく質溶液が通過する「押出ユニット」について記述されている。ＷＯ２００３／０６００９９は、特に、空気に触れた後フィラメントを凝固浴に挿入することに関する。
【００１２】
このように、従来から使用され公開されているスパイダーシルクたんぱく質を紡ぐ方法は、主にたんぱく質溶液の沈殿浴への注入による。たんぱく質の紡績溶液内での溶解状態を安定させるため、沈殿浴は通常カオトロピック物質または有機溶媒を含む。これらの添加物の影響を補い、たんぱく質集合体を誘発するため、リオトロピック剤が適宜沈殿浴に追加される。
【特許文献１】ＵＳ２００３／０２０１５６０Ａ１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００５／０１７２３７号パンフレット
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００４／０５７０６９号パンフレット
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００３／０６００９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
一方、本発明は、沈殿浴の使用、および天然剤、カオトロピック剤、またはリオトロピック剤の添加を不要とするシルクたんぱく質の製造方法および装置を提供することを目的とする。また、本発明は、天然シルクに近似または一致する機械的特性を有する安定したシルクたんぱく質を製造する方法および装置を提供することを目的とする。本発明のさらなる目的は、大量の、すなわち、大規模生産にふさわしい量のシルク糸を製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの目的は独立クレームの主題によって解決される。好ましい実施の形態は従属クレームに記載される。
【発明の効果】
【００１５】
前述のように、スパイダーシルクたんぱく質を紡績する従来から使用された方法は、主にたんぱく質溶液の沈殿浴への注入に基づき、前記沈殿浴は通常、たんぱく質の紡績溶液内での溶解状態を安定させるため、カオトロピック物質、リオトロピック物質、または有機溶媒を含む。
【００１６】
一方、例えばクモの中の天然シルクの集合は、他の要素によって媒介されることがわかった。重要な工程は、カリウムおよびリン酸イオンの添加により誘発される紡績溶液の水相、低たんぱく質相、および高たんぱく質相への相分離である。前記高たんぱく質相の伸長に続いて完成した糸を引き出すことで、シルクたんぱく質の集合体が得られる。
【００１７】
従来技術により人工的に紡いだ糸の、天然スパイダーシルクに比べると比較的劣る機械的特性は、相分離および伸長が機械的に安定した構造形成のための重要な要素であることを示す。しかしながら、この発見はシルク糸製造には未だ用いられていない。
【００１８】
前述した従来技術の紡績方法に比べると、本発明の取り組みはいくつかの違いがある。
【００１９】
本発明の方法は、非天然のカオトロピック剤、またはリオトロピック剤を添加することなく、水溶液のみに基づく。どのような理論にも束縛されることを意図するものではないが、それにより、たんぱく質が自然状態に対応する立体構造で存在すると推測される。
【００２０】
紡績溶液の組成の変化は拡散を介して達成される。そのため、前記溶液は、沈殿浴の場合のように直ちに固体状態をとることなく、集合可能な状態に転移することができる。
【００２１】
糸集合体は、部分的に集合した高たんぱく質相を引き出すことにより完成される。化学ポリマーの構造研究から、濃縮ポリマー溶液の伸長は単一高分子鎖の配列をもたらし、故に、それらから形成される繊維の安定性が高まることが知られている。このため、ここで使用される引出による紡績方法は、圧力による方法よりも勝ると考えられている。
【００２２】
本発明の紡績装置によると、技術および産業の多くの分野で使用される、人工スパイダーシルクからの高機能繊維の製造が可能になる。防弾装置の開発などの弾道応用だけでなく、人工スパイダーシルクは、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品、ならびに軽量な建設構成要素にまでも使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は以下の実施形態に関する。
【００２４】
第一の側面として、本発明は、下記ａ）〜ｅ）の工程を含む、シルクたんぱく質からの糸の製造方法に関する。
ａ）シルクたんぱく質の溶液を準備し、
ｂ）カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物を含む拡散ユニットに前記溶液を転移し、
ｃ）前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触するように前記溶液を前記拡散ユニットに通し、
ｄ）前記溶液を高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離し、
ｅ）前記高たんぱく質相からシルク糸を得る。
【００２５】
シルク糸は引出によって得られるのが好ましい。
【００２６】
本出願で使用される「シルクたんぱく質」という語は基本的に何ら制限されないことに留意すべきである。唯一、たんぱく質が適切な条件下で糸に製造されることのみ要求される。さらに制限された意味では、前記シルクたんぱく質は、それぞれ天然または組み換えを起源とするたんぱく質であり、例えば、クモ（蛛形網）や昆虫（昆虫網）に由来のたんぱく質などであることを特徴とする。たんぱく質の起源としては、カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ）、ミドリクサカゲロウ（Ｃｈｒｙｓｏｐｅｒｌａ ｃａｒｎｅａ）、オニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）、および女郎蜘蛛（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）などが挙げられる。
【００２７】
ここで用いられるシルクたんぱく質は、自然配列を構成する本物のたんぱく質でも、その一次配列が広く自然配列に対応する人工遺伝子に基づく人工たんぱく質でもよい。
【００２８】
単一のシルクたんぱく質配列は、データベースを介して当業者がアクセス可能であり、ほんの一例として、Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓの配列ＡＤＦ−３およびＡＤＦ−０４は、番号Ｕ４７８５５およびＵ４７８５６でアクセス可能である。
【００２９】
ここで使用される「拡散ユニット」という語は、成分をその内外に拡散可能な貯留媒体を指す。本発明の拡散ユニットは、先行技術において従来使用されていた、貯留の性質を持たずに成分を一方向に通過させることができる浸透性または半透過性の膜ではない。本発明の拡散ユニットは、一方で高たんぱく質相と低たんぱく質相の形成に必要なカリウムおよびリン酸イオンを提供し、他方で（糸製造に使用されない）低たんぱく質相が吸収される、むしろマトリックスといえる。
【００３０】
一実施形態において、前記ａ）で提供される紡績溶液は少なくとも１〜５０％、好ましくは１０〜４０％、より好ましくは１０〜２０％（ｗ／ｖ）のシルクたんぱく質を含む。経験から、溶液のｐＨは４．０〜１２．０、好ましくは６．５〜８．５、より好ましくは８．０である。前記溶液は「ドープ」とも呼ばれる。「ドープ」とは、たんぱく質単量体のほかに、更に、二量体、三量体、および／または四量体などのたんぱく質集合体を有することができる液体または溶液を意味する。前述した溶媒に加えて、このたんぱく質溶液は、例えば、溶液の安定または処理性を高める薬剤だけではなく、例えば保存料などの添加物を有することができる。
【００３１】
本発明の方法において、前記溶液は、水、アルコール、およびそれらの混合物から選択される極性溶液を含むことが好ましい。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、またはグリセロールやプロピレングリコールなどの多価アルコールが挙げられる。最後に述べた溶媒は、それら溶媒の特性以外に粘度設定剤および／または保存料としても使用することができる。
【００３２】
好ましい実施の形態によると、シルク糸を得る工程は高たんぱく質相とガスまたは液体を接触させる工程を有する。通常、とりわけ酸化作用が望まれる場合には、ガスは酸素含有ガスである。一方、ガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスでもよいし、それらガスの混合ガスでもよい。
【００３３】
ガス状物質との接触に加え、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、アセトン、アセトニトリルなどの液体、好ましくはメタノールと接触してもよい。
【００３４】
特に好ましい実施の形態において、本発明の拡散ユニットはゲル素材から形成される。ゲル素材としては、ヒドロゲル、特にポリアクリルアミド、セルロース誘導体、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）、ポリスチレン−ポリブタジエン（ＰＳ−ＰＢ）、ステアリルアクリレート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイソプロピレンアクリルアミド、ポリエーテルスルホン酸、および／またはシリコーンヒドロゲルを含むヒドロゲルを使用することが好ましい。
【００３５】
あるいは、前記拡散ユニットはセラミックスから形成されてもよい。
【００３６】
第二の側面として、本発明は、上記のように定義した方法を実行する装置であって、
シルクたんぱく質の溶液を前記拡散ユニットに転移する第１装置と、
カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物に囲まれ前記溶液を通す通路を有する拡散ユニットとを有し、前記拡散ユニットは、前記溶液を前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触させて、その通路の出口において高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離された溶液を提供し、かつ、
前記溶液の前記高たんぱく質相から前記シルク糸を製造する第２装置とを有する。
【００３７】
本発明の装置の好ましい一実施形態において、前記第１装置は、制御可能ポンプと結合するシリンジとして形成される。例えば、マイクロコントローラなどの制御装置が制御可能ポンプを制御する。前記制御装置は、制御可能ポンプを作動するための逐次プログラムを記憶することができるメモリを有することが好ましい。
【００３８】
好ましい一実施形態によると、前記第１装置は、前記溶液を連続的に前記拡散ユニットに転移する制御可能ポンプシステムとして形成される。特に、前述の制御プログラムは、前記溶液の前記拡散ユニットへの転移の連続的な過程を制御し確実にするように形成される。
【００３９】
他の実施形態によると、前記拡散ユニットはその通路の前記出口において先細りまたはノズルを有し、それにより前記溶液の前記拡散ユニットからの排出を制御可能とする。前記ノズルまたは先細りはその断面積が外側に向かって小さくなるように構成されている。
【００４０】
他の好ましい実施形態によると、前記第２装置は、作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニットの前記出口において前記溶液の前記高たんぱく質相から形成した液滴から前記シルク糸を引き出す。特に前記作動装置は、前記制御装置のメモリに記憶された逐次プログラムが前記作動装置も制御するように前記制御装置とも結合し、それにより、とりわけ糸を引き出す連続的な工程を確実にする。
【００４１】
他の好ましい実施形態によると、たんぱく質集合体に必要な張力によって前記ロールまたはリールがスパイダーシルク糸を引き出す。
【００４２】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットは交換可能なカートリッジとして形成される。
【００４３】
他の好ましい実施形態によると、前記作動装置はモータおよび／またはギアボックスを有する。
【００４４】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットの前記通路は前記溶液を通す為のほぼ一定の内径を有する。
【００４５】
このように、本発明のアプローチは、その全ての実施例において、じょうごとしてチューブ状の断面を描いた、例えばＵＳ２００３／０２０１５６０などの技術の到達水準とは著しく異なる。それは、収束形状のノズルを使用できれば繊維内の分子の配向を向上することができると具体的に指摘している。好ましくは、本発明はそのアプローチに追随しない。
【００４６】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットは前記高たんぱく質相を前記拡散ユニットから除去できる第３装置を有する。
【００４７】
他の好ましい実施形態によると、前記第３装置は真空ポンプとして形成される。
【００４８】
第三の側面として、本発明は、請求項１〜１０のいずれか１項以上に記載の方法で得られる糸に関する。この糸は防弾装置の開発などの弾道応用、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品の製造、医療技術だけでなく、航空機における軽量な建設構成要素の技術および産業において使用されることが好ましい。
【００４９】
本発明を図面と実施例を用いて説明する。図面は以下の通りである。
図１はシルクたんぱく質から糸を製造する本発明の装置の一実施例の略ブロック図である。
図２は本発明の拡散ユニットの一実施例の略ブロック図である。
図３は本発明の装置の写真である。
図４は本発明の拡散ユニットの写真である。
図５は糸集合体の分析を示す。
図６のＡ−ＣはＡ． Ｄｉａｄｅｍａｔｕｓからの天然シルクであり、
Ａは張力試験の前を、Ｂはサンプルを切断した後を、Ｃは断面を示し、
Ｄ−Ｆは人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３ サンプル１であり、
Ｄは張力試験の前を、Ｅはサンプルを切断した後を、Ｆは断面を示す。
【００５０】
全ての図面において、同一または機能的に同一の要素及び装置は、特に明記しない限り、同一符号を付している。
【００５１】
図１に、本発明の装置の好ましい実施例の略ブロック図を示す。
【００５２】
シルクたんぱく質からシルク糸７を製造する方法を実行する本発明の装置１は、第１装置２、拡散ユニット４、および第２装置６を有する。
【００５３】
前記第１装置２はシルクたんぱく質の溶液３を前記拡散ユニット４に転移する。前記第１装置２は制御可能ポンプ２１に結合するシリンジ２２として形成されることが好ましい。前記ポンプ２１と前記シリンジ２２の間に前記溶液３の貯留部２３が配置されることが好ましい。図１によると、符号Ｆは前記貯留部３における前記溶液３の流れの方向を示す。前記第１装置２はさらに前記溶液３を連続的に前記拡散ユニット４に移す制御可能ポンプシステムとして形成される。前記ポンプシステムは少なくとも１つのホースポンプを有することが好ましい。
【００５４】
たとえば、前記第１装置２はカニューレ８を介して前記拡散ユニット４と接続される。
【００５５】
前記拡散ユニット４は前記溶液３を通す通路４１を有する。前記通路４１はカリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物４２に囲まれる。前記溶液３が前記拡散ユニット４から拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触することにより、前記拡散ユニット４はその通路４１の出口４３において高シルクたんぱく質相５と低シルクたんぱく質相に分離された溶液３を提供する。好ましくは、前記拡散ユニット４はその通路４１の前記出口４３において先細りまたはノズル４４を有し、とりわけその幾何学的構造により前記溶液３の前記拡散ユニット４からの排出を制御可能とする。
【００５６】
さらに、本発明の装置１は前記溶液３の高たんぱく質相５からシルク糸７を製造する第２装置６を有する。特に、前記第２装置６は作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニット４の前記出口４３において前記溶液３の前記高たんぱく質相５から形成した液滴から前記シルク糸７を引き出す。前記ロール６は特に、たんぱく質集合体に必要な張力によって前記シルク糸を引き出す。前記ロール６を作動する前記作動装置は特にモータおよび／またはギアボックスを有する。
【００５７】
図２は図１の拡散ユニット４のより好ましい実施の形態を示す。溶液３を通過させる通路４１の内径ｄはほぼ一定であることが好ましい。
【００５８】
前記拡散ユニット４は、好ましくは交換可能なカートリッジとして形成されることにより、前記溶液３の前記低たんぱく質相が飽和した際に前記拡散ユニット４を交換することができる。前記拡散ユニット４は、特に第３装置を有し、それにより前記拡散ユニット４の前記低たんぱく質相を除去することができる。たとえば、この第３装置は真空ポンプとして形成される。さらに、図２に示されるユニットは符号４５のバッファー槽を有する。
【実施例】
【００５９】
ここに記載の発明は、これらの工程を、機械的弾性のあるたんぱく質糸の自動製造を可能にする紡績方法に組み入れる。
【００６０】
図１は本発明の一実施例による紡績方法の略図を示す。この方法は実質的に４つの構成要素を有する。制御可能なモータ／ギアボックスユニットは、紡績溶液をシリンジを介して拡散ユニットに連続的に供給するために設けられる。ゲルで形成されるこのユニットにおいて、カリウムおよびリン酸イオンが前記紡績溶液に拡散することにより相分離がおこる。高たんぱく質相および低たんぱく質相はさらに拡散ユニットの出口に運ばれ、そこで空気と接触する。この接触が紡績工程には非常に重要で、乾燥工程により水相の削減がなされると考えられる。
【００６１】
糸は前記高たんぱく質相より形成された液滴から引き出される（図２）。制御可能モータを介して作動されたロールが前記糸を巻き取ることにより、たんぱく質集合体に必要な張力が保たれ、連続的な糸の形成が達成される。図２は本発明の一実施例による拡散ユニットの構成要素を示す。
【００６２】
本技術の機能はプロトタイプの構造により示される（図３）。プロトタイプの骨格だけでなくモータおよびギアボックスユニットは金属構造キット（Ｃｏｍｐａｋｔ Ｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ社、シュリースハイム、ドイツ）の部品から構築された。金属針（ゲージ２２、ポイントスタイル３；Ｈａｍｉｌｔｏｎ社、ボナドゥッツ、スイス）を有する２５μｌのガラスシリンジが紡績溶液を供給するために使用された。図３は本発明の好ましい実施の形態を示す。
【００６３】
前記拡散ユニットは、０．５Ｍのリン酸カリウムｐＨ８．０によって平衡化された２０％のポリアクリルアミドゲルによって構成される。０．７ｍｍの径を有する通路はゲルを貫通してプラスチックチップにおいておよそ０．２ｍｍの内径で終端した（図４）。たんぱく質糸は、４ｃｍの直径を有し６０ｒｐｍで回転するテフロン(登録商標)のロールにより巻き上げられる。図４は拡散ユニットの要点を示す。
【００６４】
このプロトタイプにおいて、人工シルクたんぱく質（ＡＱ）２４ＮＲ３（Ｈｕｅｍｍｅｒｉｃｈ ｅｔ ａｌ．，２００４参照）の２５％溶液は、太さ４μｍの糸に紡ぐことができた。図５は糸集合体の分析を示す。図５Ｂにおいて、糸はテフロン(登録商標)のロールによって巻き上げられる。図５Ｂは製造された糸の走査電子顕微鏡写真である。
【００６５】
前述の紡績装置内で紡がれた後の人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３の繊維と比較したニワオニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）の天然シルクの機械的特性（図５Ｃ参照）：
【００６６】
【表１】
【００６７】
参考文献
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【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１はシルクたんぱく質から糸を製造する本発明の装置の一実施例の略ブロック図である。
【図２】図２は本発明の拡散ユニットの一実施例の略ブロック図である。
【図３】図３は本発明の装置の写真である。
【図４】図４は本発明の拡散ユニットの写真である。
【図５】図５は糸集合体の分析を示す。
【図６】図６のＡ−ＣはＡ． Ｄｉａｄｅｍａｔｕｓからの天然シルクであり、 Ａは張力試験の前を、Ｂはサンプルを切断した後を、Ｃは断面を示し、 Ｄ−Ｆは人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３ サンプル１であり、 Ｄは張力試験の前を、Ｅはサンプルを切断した後を、Ｆは断面を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シルクたんぱく質から糸を製造する方法および前記方法を実行するのに適した装置に関する。さらに、本発明は、それにより得た糸とその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然シルク、例えば、スパイダーシルクは非常に優れた張力と伸展性とを併せ持つ、たぐいまれな素材である。これらの特性により、この素材の大規模な製造が長年に渡り試みられてきた。このために動物、例えば、クモを使用することはできないため、組み換えによりシルク（例えば、スパイダーシルク）たんぱく質の出発原料を得て糸に紡ぐ方法の調査に重点をおいて研究がなされた。
【０００３】
原材料として、本物のシルクたんぱく質（シルク遺伝子の本物の配列を用いて得られた組み換えたんぱく質）および人工のシルクたんぱく質（その一次配列が広く自然配列に対応する人工遺伝子に基づくたんぱく質）が用いられる。人工的に製造された糸の品質は使用された原材料と紡績方法の両方により決定されると考えられる。
【０００４】
天然紡績工程のように、人工紡績工程において、シルクたんぱく質は溶性から不溶性に転移し、その構造はできる限り本物の糸と一致しなければならない。そのため、Ｊｅｌｉｎｓｋｉのワーキンググループは数ミリグラムのシルクたんぱく質を数メートルのシルク糸に紡ぐことができるマイクロ紡績装置を開発した（Ｌｉｉｖａｋ ｅｔ ａｌ．，１９９８）。ヘキサフルオロイソプロパノールに溶解させたクモ（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）のシルクが出発原料として使用された。そのように溶解されたたんぱく質はアセトンの沈殿浴に紡績ノズルを介して注入された。しかしながら、このようにして得られた糸は扱いづらく、天然シルク糸と構造上の類似がほとんどなかった（Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ．，１９９８； Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ， ２０００）。第一に、それを水で処理し、糸を補助的に引き出すと（ｐｏｓｔ ｓｐｉｎ ｄｒａｗ）、機械的および構造上のパラメータを向上させることができた。しかしながら、天然シルクの特性は達成できなかった（Ｓｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ．，２０００）。
【０００５】
他のグループは、メタノールと水の混合液を沈殿浴として使用する紡績技術を開発した。これにより、人工シルクたんぱく質とクモ（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）の組み換えＭａＳｐｌを尿素含有の溶液から紡ぐことができた。しかしながら、これらもまた扱いづらかった（Ａｒｃｉｄｉａｃｏｎｏ ｅｔ ａｌ．，２００２）。
【０００６】
同じ技術を用いて、カオトロピック試薬なしで溶解する組み換えＡＤＦ−３を糸に紡ぐことができた。この場合もまた、糸の特性はｐｏｓｔ ｓｐｉｎ ｄｒａｗ（Ｌａｚａｒｉｓ ｅｔ ａｌ．，２００２）によって向上されたが、天然糸の張力を達成することはできなかった。Ｏｘｆｏｒｄ Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ社（オックスフォード、英国）、Ｓｐｉｎ‘Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ社（ルードヴィヒスブルク、ドイツ）、およびＩｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｅｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ ＧｍｂＨ社（マインツ、ドイツ）は、発明者の既知知識により、マイクロダイアリシス方法や類似の方法を用いてシルクたんぱく質を糸に紡ぐ方法を開発した。
【０００７】
加えて、いわゆる電子紡績を用いてシルクたんぱく質から糸を得ることに成功した試みがあった（Ｐｒｏｆ． Ｆｒａｎｋ Ｋｏ、Ｄｒｅｘｅｌ大学、フィラデルフィア、ペンシルバニア州、米国）。しかしながら、そのように製造された糸の機械的特性に関しては未だ何も開示されていない。
【０００８】
ＵＳ２００３／０２０１５６０（特許文献１）はたんぱく質溶液から糸を紡ぐ装置に関する。それによると、前記装置は、前記たんぱく質溶液または「ドープ」がそれぞれ通過するじょうご状の領域を有し、この通路は少なくとも部分的に半透性および／または浸透性の素材でできている。
【０００９】
ＷＯ２００５／０１７２３７（特許文献２）は、とりわけたんぱく質を生産する装置に関する。前記装置はチューブ状の通路を有し、その壁は部分的に透過性または浸透性がある。これはｐＨ、含水量、およびイオン組成をモニタリングする上で有利である。
【００１０】
ＷＯ２００４／０５７０６９（特許文献３）は目的物の製造方法および装置に関し、特に、スパイダーシルクたんぱく質から糸を紡ぐ方法および装置にも関する。この方法は、本質的に、例えばカリウム、好ましくはフッ化カリウムを加えることによって達成されるたんぱく質溶液のゾルゲル遷移に関する。更に、前記方法を実行するために用いる前記装置は、半透過可能または浸透可能に形成された「遷移室」を有すると述べられている。
【００１１】
ＷＯ２００３／０６００９９（特許文献４）はスパイダーシルクファイバーまたはバイオフィラメントのそれぞれの製造に関する。その既定された装置においては、スパイダーシルクたんぱく質溶液が通過する「押出ユニット」について記述されている。ＷＯ２００３／０６００９９は、特に、空気に触れた後フィラメントを凝固浴に挿入することに関する。
【００１２】
このように、従来から使用され公開されているスパイダーシルクたんぱく質を紡ぐ方法は、主にたんぱく質溶液の沈殿浴への注入による。たんぱく質の紡績溶液内での溶解状態を安定させるため、沈殿浴は通常カオトロピック物質または有機溶媒を含む。これらの添加物の影響を補い、たんぱく質集合体を誘発するため、リオトロピック剤が適宜沈殿浴に追加される。
【特許文献１】ＵＳ２００３／０２０１５６０Ａ１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００５／０１７２３７号パンフレット
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００４／０５７０６９号パンフレット
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００３／０６００９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
一方、本発明は、沈殿浴の使用、および天然剤、カオトロピック剤、またはリオトロピック剤の添加を不要とするシルクたんぱく質の製造方法および装置を提供することを目的とする。また、本発明は、天然シルクに近似または一致する機械的特性を有する安定したシルクたんぱく質を製造する方法および装置を提供することを目的とする。本発明のさらなる目的は、大量の、すなわち、大規模生産にふさわしい量のシルク糸を製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの目的は独立クレームの主題によって解決される。好ましい実施の形態は従属クレームに記載される。
【発明の効果】
【００１５】
前述のように、スパイダーシルクたんぱく質を紡績する従来から使用された方法は、主にたんぱく質溶液の沈殿浴への注入に基づき、前記沈殿浴は通常、たんぱく質の紡績溶液内での溶解状態を安定させるため、カオトロピック物質、リオトロピック物質、または有機溶媒を含む。
【００１６】
一方、例えばクモの中の天然シルクの集合は、他の要素によって媒介されることがわかった。重要な工程は、カリウムおよびリン酸イオンの添加により誘発される紡績溶液の水相、低たんぱく質相、および高たんぱく質相への相分離である。前記高たんぱく質相の伸長に続いて完成した糸を引き出すことで、シルクたんぱく質の集合体が得られる。
【００１７】
従来技術により人工的に紡いだ糸の、天然スパイダーシルクに比べると比較的劣る機械的特性は、相分離および伸長が機械的に安定した構造形成のための重要な要素であることを示す。しかしながら、この発見はシルク糸製造には未だ用いられていない。
【００１８】
前述した従来技術の紡績方法に比べると、本発明の取り組みはいくつかの違いがある。
【００１９】
本発明の方法は、非天然のカオトロピック剤、またはリオトロピック剤を添加することなく、水溶液のみに基づく。どのような理論にも束縛されることを意図するものではないが、それにより、たんぱく質が自然状態に対応する立体構造で存在すると推測される。
【００２０】
紡績溶液の組成の変化は拡散を介して達成される。そのため、前記溶液は、沈殿浴の場合のように直ちに固体状態をとることなく、集合可能な状態に転移することができる。
【００２１】
糸集合体は、部分的に集合した高たんぱく質相を引き出すことにより完成される。化学ポリマーの構造研究から、濃縮ポリマー溶液の伸長は単一高分子鎖の配列をもたらし、故に、それらから形成される繊維の安定性が高まることが知られている。このため、ここで使用される引出による紡績方法は、圧力による方法よりも勝ると考えられている。
【００２２】
本発明の紡績装置によると、技術および産業の多くの分野で使用される、人工スパイダーシルクからの高機能繊維の製造が可能になる。防弾装置の開発などの弾道応用だけでなく、人工スパイダーシルクは、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品、ならびに軽量な建設構成要素にまでも使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は以下の実施形態に関する。
【００２４】
第一の側面として、本発明は、下記ａ）〜ｅ）の工程を含む、シルクたんぱく質からの糸の製造方法に関する。
ａ）シルクたんぱく質の溶液を準備し、
ｂ）カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物を含む拡散ユニットに前記溶液を転移し、
ｃ）前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触するように前記溶液を前記拡散ユニットに通し、
ｄ）前記溶液を高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離し、
ｅ）前記高たんぱく質相からシルク糸を得る。
【００２５】
シルク糸は引出によって得られるのが好ましい。
【００２６】
本出願で使用される「シルクたんぱく質」という語は基本的に何ら制限されないことに留意すべきである。唯一、たんぱく質が適切な条件下で糸に製造されることのみ要求される。さらに制限された意味では、前記シルクたんぱく質は、それぞれ天然または組み換えを起源とするたんぱく質であり、例えば、クモ（蛛形網）や昆虫（昆虫網）に由来のたんぱく質などであることを特徴とする。たんぱく質の起源としては、カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ）、ミドリクサカゲロウ（Ｃｈｒｙｓｏｐｅｒｌａ ｃａｒｎｅａ）、オニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）、および女郎蜘蛛（Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ）などが挙げられる。
【００２７】
ここで用いられるシルクたんぱく質は、自然配列を構成する本物のたんぱく質でも、その一次配列が広く自然配列に対応する人工遺伝子に基づく人工たんぱく質でもよい。
【００２８】
単一のシルクたんぱく質配列は、データベースを介して当業者がアクセス可能であり、ほんの一例として、Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓの配列ＡＤＦ−３およびＡＤＦ−０４は、番号Ｕ４７８５５およびＵ４７８５６でアクセス可能である。
【００２９】
ここで使用される「拡散ユニット」という語は、成分をその内外に拡散可能な貯留媒体を指す。本発明の拡散ユニットは、先行技術において従来使用されていた、貯留の性質を持たずに成分を一方向に通過させることができる浸透性または半透過性の膜ではない。本発明の拡散ユニットは、一方で高たんぱく質相と低たんぱく質相の形成に必要なカリウムおよびリン酸イオンを提供し、他方で（糸製造に使用されない）低たんぱく質相が吸収される、むしろマトリックスといえる。
【００３０】
一実施形態において、前記ａ）で提供される紡績溶液は少なくとも１〜５０％、好ましくは１０〜４０％、より好ましくは１０〜２０％（ｗ／ｖ）のシルクたんぱく質を含む。経験から、溶液のｐＨは４．０〜１２．０、好ましくは６．５〜８．５、より好ましくは８．０である。前記溶液は「ドープ」とも呼ばれる。「ドープ」とは、たんぱく質単量体のほかに、更に、二量体、三量体、および／または四量体などのたんぱく質集合体を有することができる液体または溶液を意味する。前述した溶媒に加えて、このたんぱく質溶液は、例えば、溶液の安定または処理性を高める薬剤だけではなく、例えば保存料などの添加物を有することができる。
【００３１】
本発明の方法において、前記溶液は、水、アルコール、およびそれらの混合物から選択される極性溶液を含むことが好ましい。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、またはグリセロールやプロピレングリコールなどの多価アルコールが挙げられる。最後に述べた溶媒は、それら溶媒の特性以外に粘度設定剤および／または保存料としても使用することができる。
【００３２】
好ましい実施の形態によると、シルク糸を得る工程は高たんぱく質相とガスまたは液体を接触させる工程を有する。通常、とりわけ酸化作用が望まれる場合には、ガスは酸素含有ガスである。一方、ガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスでもよいし、それらガスの混合ガスでもよい。
【００３３】
ガス状物質との接触に加え、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、アセトン、アセトニトリルなどの液体、好ましくはメタノールと接触してもよい。
【００３４】
特に好ましい実施の形態において、本発明の拡散ユニットはゲル素材から形成される。ゲル素材としては、ヒドロゲル、特にポリアクリルアミド、セルロース誘導体、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）、ポリスチレン−ポリブタジエン（ＰＳ−ＰＢ）、ステアリルアクリレート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイソプロピレンアクリルアミド、ポリエーテルスルホン酸、および／またはシリコーンヒドロゲルを含むヒドロゲルを使用することが好ましい。
【００３５】
あるいは、前記拡散ユニットはセラミックスから形成されてもよい。
【００３６】
第二の側面として、本発明は、上記のように定義した方法を実行する装置であって、
シルクたんぱく質の溶液を前記拡散ユニットに転移する第１装置と、
カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物に囲まれ前記溶液を通す通路を有する拡散ユニットとを有し、前記拡散ユニットは、前記溶液を前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触させて、その通路の出口において高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離された溶液を提供し、かつ、
前記溶液の前記高たんぱく質相から前記シルク糸を製造する第２装置とを有する。
【００３７】
本発明の装置の好ましい一実施形態において、前記第１装置は、制御可能ポンプと結合するシリンジとして形成される。例えば、マイクロコントローラなどの制御装置が制御可能ポンプを制御する。前記制御装置は、制御可能ポンプを作動するための逐次プログラムを記憶することができるメモリを有することが好ましい。
【００３８】
好ましい一実施形態によると、前記第１装置は、前記溶液を連続的に前記拡散ユニットに転移する制御可能ポンプシステムとして形成される。特に、前述の制御プログラムは、前記溶液の前記拡散ユニットへの転移の連続的な過程を制御し確実にするように形成される。
【００３９】
他の実施形態によると、前記拡散ユニットはその通路の前記出口において先細りまたはノズルを有し、それにより前記溶液の前記拡散ユニットからの排出を制御可能とする。前記ノズルまたは先細りはその断面積が外側に向かって小さくなるように構成されている。
【００４０】
他の好ましい実施形態によると、前記第２装置は、作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニットの前記出口において前記溶液の前記高たんぱく質相から形成した液滴から前記シルク糸を引き出す。特に前記作動装置は、前記制御装置のメモリに記憶された逐次プログラムが前記作動装置も制御するように前記制御装置とも結合し、それにより、とりわけ糸を引き出す連続的な工程を確実にする。
【００４１】
他の好ましい実施形態によると、たんぱく質集合体に必要な張力によって前記ロールまたはリールがスパイダーシルク糸を引き出す。
【００４２】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットは交換可能なカートリッジとして形成される。
【００４３】
他の好ましい実施形態によると、前記作動装置はモータおよび／またはギアボックスを有する。
【００４４】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットの前記通路は前記溶液を通す為のほぼ一定の内径を有する。
【００４５】
このように、本発明のアプローチは、その全ての実施例において、じょうごとしてチューブ状の断面を描いた、例えばＵＳ２００３／０２０１５６０などの技術の到達水準とは著しく異なる。それは、収束形状のノズルを使用できれば繊維内の分子の配向を向上することができると具体的に指摘している。好ましくは、本発明はそのアプローチに追随しない。
【００４６】
他の好ましい実施形態によると、前記拡散ユニットは前記高たんぱく質相を前記拡散ユニットから除去できる第３装置を有する。
【００４７】
他の好ましい実施形態によると、前記第３装置は真空ポンプとして形成される。
【００４８】
第三の側面として、本発明は、請求項１〜１０のいずれか１項以上に記載の方法で得られる糸に関する。この糸は防弾装置の開発などの弾道応用、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品の製造、医療技術だけでなく、航空機における軽量な建設構成要素の技術および産業において使用されることが好ましい。
【００４９】
本発明を図面と実施例を用いて説明する。図面は以下の通りである。
図１はシルクたんぱく質から糸を製造する本発明の装置の一実施例の略ブロック図である。
図２は本発明の拡散ユニットの一実施例の略ブロック図である。
図３は本発明の装置の写真である。
図４は本発明の拡散ユニットの写真である。
図５は糸集合体の分析を示す。
図６のＡ−ＣはＡ． Ｄｉａｄｅｍａｔｕｓからの天然シルクであり、
Ａは張力試験の前を、Ｂはサンプルを切断した後を、Ｃは断面を示し、
Ｄ−Ｆは人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３ サンプル１であり、
Ｄは張力試験の前を、Ｅはサンプルを切断した後を、Ｆは断面を示す。
【００５０】
全ての図面において、同一または機能的に同一の要素及び装置は、特に明記しない限り、同一符号を付している。
【００５１】
図１に、本発明の装置の好ましい実施例の略ブロック図を示す。
【００５２】
シルクたんぱく質からシルク糸７を製造する方法を実行する本発明の装置１は、第１装置２、拡散ユニット４、および第２装置６を有する。
【００５３】
前記第１装置２はシルクたんぱく質の溶液３を前記拡散ユニット４に転移する。前記第１装置２は制御可能ポンプ２１に結合するシリンジ２２として形成されることが好ましい。前記ポンプ２１と前記シリンジ２２の間に前記溶液３の貯留部２３が配置されることが好ましい。図１によると、符号Ｆは前記貯留部３における前記溶液３の流れの方向を示す。前記第１装置２はさらに前記溶液３を連続的に前記拡散ユニット４に移す制御可能ポンプシステムとして形成される。前記ポンプシステムは少なくとも１つのホースポンプを有することが好ましい。
【００５４】
たとえば、前記第１装置２はカニューレ８を介して前記拡散ユニット４と接続される。
【００５５】
前記拡散ユニット４は前記溶液３を通す通路４１を有する。前記通路４１はカリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物４２に囲まれる。前記溶液３が前記拡散ユニット４から拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触することにより、前記拡散ユニット４はその通路４１の出口４３において高シルクたんぱく質相５と低シルクたんぱく質相に分離された溶液３を提供する。好ましくは、前記拡散ユニット４はその通路４１の前記出口４３において先細りまたはノズル４４を有し、とりわけその幾何学的構造により前記溶液３の前記拡散ユニット４からの排出を制御可能とする。
【００５６】
さらに、本発明の装置１は前記溶液３の高たんぱく質相５からシルク糸７を製造する第２装置６を有する。特に、前記第２装置６は作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニット４の前記出口４３において前記溶液３の前記高たんぱく質相５から形成した液滴から前記シルク糸７を引き出す。前記ロール６は特に、たんぱく質集合体に必要な張力によって前記シルク糸を引き出す。前記ロール６を作動する前記作動装置は特にモータおよび／またはギアボックスを有する。
【００５７】
図２は図１の拡散ユニット４のより好ましい実施の形態を示す。溶液３を通過させる通路４１の内径ｄはほぼ一定であることが好ましい。
【００５８】
前記拡散ユニット４は、好ましくは交換可能なカートリッジとして形成されることにより、前記溶液３の前記低たんぱく質相が飽和した際に前記拡散ユニット４を交換することができる。前記拡散ユニット４は、特に第３装置を有し、それにより前記拡散ユニット４の前記低たんぱく質相を除去することができる。たとえば、この第３装置は真空ポンプとして形成される。さらに、図２に示されるユニットは符号４５のバッファー槽を有する。
【実施例】
【００５９】
ここに記載の発明は、これらの工程を、機械的弾性のあるたんぱく質糸の自動製造を可能にする紡績方法に組み入れる。
【００６０】
図１は本発明の一実施例による紡績方法の略図を示す。この方法は実質的に４つの構成要素を有する。制御可能なモータ／ギアボックスユニットは、紡績溶液をシリンジを介して拡散ユニットに連続的に供給するために設けられる。ゲルで形成されるこのユニットにおいて、カリウムおよびリン酸イオンが前記紡績溶液に拡散することにより相分離がおこる。高たんぱく質相および低たんぱく質相はさらに拡散ユニットの出口に運ばれ、そこで空気と接触する。この接触が紡績工程には非常に重要で、乾燥工程により水相の削減がなされると考えられる。
【００６１】
糸は前記高たんぱく質相より形成された液滴から引き出される（図２）。制御可能モータを介して作動されたロールが前記糸を巻き取ることにより、たんぱく質集合体に必要な張力が保たれ、連続的な糸の形成が達成される。図２は本発明の一実施例による拡散ユニットの構成要素を示す。
【００６２】
本技術の機能はプロトタイプの構造により示される（図３）。プロトタイプの骨格だけでなくモータおよびギアボックスユニットは金属構造キット（Ｃｏｍｐａｋｔ Ｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ社、シュリースハイム、ドイツ）の部品から構築された。金属針（ゲージ２２、ポイントスタイル３；Ｈａｍｉｌｔｏｎ社、ボナドゥッツ、スイス）を有する２５μｌのガラスシリンジが紡績溶液を供給するために使用された。図３は本発明の好ましい実施の形態を示す。
【００６３】
前記拡散ユニットは、０．５Ｍのリン酸カリウムｐＨ８．０によって平衡化された２０％のポリアクリルアミドゲルによって構成される。０．７ｍｍの径を有する通路はゲルを貫通してプラスチックチップにおいておよそ０．２ｍｍの内径で終端した（図４）。たんぱく質糸は、４ｃｍの直径を有し６０ｒｐｍで回転するテフロン(登録商標)のロールにより巻き上げられる。図４は拡散ユニットの要点を示す。
【００６４】
このプロトタイプにおいて、人工シルクたんぱく質（ＡＱ）２４ＮＲ３（Ｈｕｅｍｍｅｒｉｃｈ ｅｔ ａｌ．，２００４参照）の２５％溶液は、太さ４μｍの糸に紡ぐことができた。図５は糸集合体の分析を示す。図５Ｂにおいて、糸はテフロン(登録商標)のロールによって巻き上げられる。図５Ｂは製造された糸の走査電子顕微鏡写真である。
【００６５】
前述の紡績装置内で紡がれた後の人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３の繊維と比較したニワオニグモ（Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ）の天然シルクの機械的特性（図５Ｃ参照）：
【００６６】
【表１】
【００６７】
参考文献
Ａｒｃｉｄｉａｃｏｎｏ， Ｓ．， Ｍｅｌｌｏ， Ｃ．Ｍ．， Ｂｕｔｌｅｒ， Ｍ．， Ｗｅｌｓｈ， Ｅ．， Ｓｏａｒｅｓ， Ｊ． Ｗ．， Ａｌｌｅｎ， Ａ．， Ｚｉｅｇｌｅｒ， Ｄ．， Ｌａｕｅ， Ｔ． ＆ Ｃｈａｓｅ， Ｓ． （２００２） Ａｑｕｅｏｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｏｆ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔ ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋｓ． Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ３５： １２６２−６．
Ｈｕｅｍｍｅｒｉｃｈ， Ｄ．， Ｈｅｌｓｅｎ， Ｃ． Ｗ．， Ｑｕｅｄｚｕｗｅｉｔ， Ｓ．， Ｏｓｃｈｍａｎｎ， Ｊ．， Ｒｕｄｏｌｐｈ， Ｒ． ＆ Ｓｃｈｅｉｂｅｌ， Ｔ． （２００４） Ｐｒｉｍａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｐｉｄｅｒ ｄｒａｇｌｉｎｅ ｓｉｌｋｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ４３： １３６０４−１２
Ｌａｚａｒｉｓ， Ａ．， Ａｒｃｉｄｉａｃｏｎｏ， Ｓ．， Ｈｕａｎｇ， Ｙ．， Ｚｈｏｕ， Ｊ． Ｆ．， Ｄｕｇｕａｙ， Ｆ．， Ｃｈｒｅｔｉｅｎ， Ｎ．， Ｗｅｌｓｈ， Ｅ．Ａ．， Ｓｏａｒｅｓ， Ｊ． Ｗ． ＆ Ｋａｒａｔｚａｓ， Ｃ． Ｎ． （２００２） Ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ ｆｉｂｅｒｓ ｓｐｕｎ ｆｒｏｍ ｓｏｌｕｂｌｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔ ｓｉｌｋ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｍａｍｍａｌｉａｎ ｃｅｌｌｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９５： ４７２−６
Ｌｉｉｖａｋ， Ｏ．， Ｂｌｙｅ， Ａ．， Ｓｈａｈ， Ｓ． ＆ Ｊｅｌｉｎｓｋｉ， Ｌ． Ｗ． （１９９８） Ａ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｗｅｔ−Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｔｏ Ｓｐｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ｏｆ Ｓｉｌｋ Ｐｒｏｔｅｉｎｓ． Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ． Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ３１： ２９４７−５１
Ｓｅｉｄｅｌ， Ａ．， Ｌｉｉｖａｋ， Ｏ． ＆ Ｊｅｌｉｎｓｋｉ， Ｌ． Ｗ． （１９９８） Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｉｄｅｒ Ｓｉｌｋ． Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ３１： ６７３３−６
Ｓｅｉｄｅｌ， Ａｌ．， Ｌｉｉｖａｋ， Ｏ．， Ｃａｌｖｅ， Ｓ．， Ａｄａｓｋａ， Ｊ．， Ｊｉ， Ｇ． Ｄ．， Ｙａｎｇ， Ｚ． Ｔ．， Ｇｒｕｂｂ， Ｄ．， Ｚａｘ， Ｄ． Ｂ． ＆ Ｊｅｌｉｎｓｋｉ， Ｌ． Ｗ． （２０００） Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ： Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ３３： ７７５−８０
Ｖｏｌｌｒａｔｈ， Ｆ． ＆ Ｋｎｉｇｈｔ， Ｄ．Ｐ． （２００１） Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｏｆ ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ． Ｎａｔｕｒｅ ４１０： ５４１−８
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１はシルクたんぱく質から糸を製造する本発明の装置の一実施例の略ブロック図である。
【図２】図２は本発明の拡散ユニットの一実施例の略ブロック図である。
【図３】図３は本発明の装置の写真である。
【図４】図４は本発明の拡散ユニットの写真である。
【図５】図５は糸集合体の分析を示す。
【図６】図６のＡ−ＣはＡ． Ｄｉａｄｅｍａｔｕｓからの天然シルクであり、 Ａは張力試験の前を、Ｂはサンプルを切断した後を、Ｃは断面を示し、 Ｄ−Ｆは人工シルク（ＡＱ）２４ＮＲ３ サンプル１であり、 Ｄは張力試験の前を、Ｅはサンプルを切断した後を、Ｆは断面を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シルクたんぱく質からの糸の製造方法であって、
下記ａ）〜ｅ）の工程を含む、製造方法。
ａ）シルクたんぱく質の溶液を準備し、
ｂ）カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物を含む拡散ユニットに前記溶液を転移し、
ｃ）前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触するように前記溶液を前記拡散ユニットに通し、
ｄ）前記溶液を高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離し、
ｅ）前記高たんぱく質相からシルク糸を得る。
【請求項２】
前記紡績溶液が、少なくとも１〜５０％、好ましくは１０〜４０％、より好ましくは１０〜２０％（ｗ／ｖ）のシルクたんぱく質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶液のｐＨが、４．０〜１２．０、好ましくは６．５〜８．５、より好ましくは８．０である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶液が天然または人工のシルクたんぱく質を有する、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項５】
前記シルクたんぱく質がＢｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ、 Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ、および／または Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ種に由来する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記溶液が、好ましくは水、アルコール、およびそれらの混合物から選択される極性溶液を含む、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項７】
前記シルク糸の製造が、高たんぱく質相を気体または液体と接触させる工程を有する、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項８】
前記気体がＯ２、不活性ガス、またはそれらの混合物から選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記拡散ユニットがゲル素材またはセラミックスから形成される、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項１０】
前記ゲル素材が、ヒドロゲル、特にポリアクリルアミド、セルロース誘導体、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）、ポリスチレン−ポリブタジエン（ＰＳ−ＰＢ）、ステアリルアクリレート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイソプロピレンアクリルアミド、ポリエーテルスルホン酸、シリコーンヒドロゲルから選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法を実行する装置（１）であって、
シルクたんぱく質の溶液（３）を前記拡散ユニット（４）に転移する第１装置（２）と、
カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物（４２）に囲まれ前記溶液（３）を通す通路（４１）を有する前記拡散ユニット（４）とを有し、前記拡散ユニット（４）は、前記溶液（３）を前記拡散ユニット（４）から拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触させて、その通路（４１）の出口（４３）において高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相（５）に分離された溶液（３）を提供し、かつ、
前記溶液（３）の前記高たんぱく質相（５）から前記シルク糸（７）を製造する第２装置（６）とを有する装置。
【請求項１２】
前記第１装置（２）が制御可能ポンプ（２１）と結合するシリンジ（２２）として形成される請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１装置（２）が前記溶液（３）を連続的に前記拡散ユニット（４）に転移する制御可能ポンプシステムとして形成される請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記拡散ユニット（４）がその通路（４１）の前記出口（４３）において先細りまたはノズル（４４）を有し、それにより前記溶液（３）の前記拡散ユニット（４）からの排出を制御可能とする、請求項１１〜１３のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２装置（６）が作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニット（４）の前記出口（４３）において前記高たんぱく質相（５）から形成された液滴から前記シルク糸（７）を引き出す、請求項１１〜１４のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１６】
たんぱく質の集合に必要な張力によって前記ロールまたはリール（６）がスパイダーシルク糸（７）を引き出す、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記拡散ユニット（４）が交換可能なカートリッジとして形成される、請求項１１〜１６のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１８】
前記作動装置がモータおよび／またはギアボックスを有する、請求項１１〜１７のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１９】
前記拡散ユニット（４）の前記通路（４１）が前記溶液（３）を通す為のほぼ一定の直径（ｄ）を有する、請求項１１〜１８のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２０】
前記拡散ユニット（４）が、前記低たんぱく質相を前記拡散ユニット（４）から除去する第３装置を有する、請求項１１〜１９のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３装置が真空ポンプとして形成される、請求項１１〜２１のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２２】
請求項１〜１０のいずれか１項以上に記載の方法で得られる糸。
【請求項２３】
防弾装置の開発などの弾道応用、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品の製造、医療技術、ならびに航空機における軽量な建設構成要素の技術および産業における、請求項２２に記載の糸の使用。
【請求項１】
シルクたんぱく質からの糸の製造方法であって、
下記ａ）〜ｅ）の工程を含む、製造方法。
ａ）シルクたんぱく質の溶液を準備し、
ｂ）カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物を含む拡散ユニットに前記溶液を転移し、
ｃ）前記拡散ユニットから拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触するように前記溶液を前記拡散ユニットに通し、
ｄ）前記溶液を高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相に分離し、
ｅ）前記高たんぱく質相からシルク糸を得る。
【請求項２】
前記紡績溶液が、少なくとも１〜５０％、好ましくは１０〜４０％、より好ましくは１０〜２０％（ｗ／ｖ）のシルクたんぱく質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶液のｐＨが、４．０〜１２．０、好ましくは６．５〜８．５、より好ましくは８．０である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶液が天然または人工のシルクたんぱく質を有する、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項５】
前記シルクたんぱく質がＢｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ、 Ａｒａｎｅｕｓ ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ、および／または Ｎｅｐｈｉｌａ ｃｌａｖｉｐｅｓ種に由来する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記溶液が、好ましくは水、アルコール、およびそれらの混合物から選択される極性溶液を含む、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項７】
前記シルク糸の製造が、高たんぱく質相を気体または液体と接触させる工程を有する、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項８】
前記気体がＯ２、不活性ガス、またはそれらの混合物から選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記拡散ユニットがゲル素材またはセラミックスから形成される、前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法。
【請求項１０】
前記ゲル素材が、ヒドロゲル、特にポリアクリルアミド、セルロース誘導体、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）、ポリスチレン−ポリブタジエン（ＰＳ−ＰＢ）、ステアリルアクリレート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイソプロピレンアクリルアミド、ポリエーテルスルホン酸、シリコーンヒドロゲルから選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記請求項のいずれか１項以上に記載の方法を実行する装置（１）であって、
シルクたんぱく質の溶液（３）を前記拡散ユニット（４）に転移する第１装置（２）と、
カリウムおよびリン酸イオンを含有する組成物（４２）に囲まれ前記溶液（３）を通す通路（４１）を有する前記拡散ユニット（４）とを有し、前記拡散ユニット（４）は、前記溶液（３）を前記拡散ユニット（４）から拡散されるカリウムおよびリン酸イオンと接触させて、その通路（４１）の出口（４３）において高シルクたんぱく質相と低シルクたんぱく質相（５）に分離された溶液（３）を提供し、かつ、
前記溶液（３）の前記高たんぱく質相（５）から前記シルク糸（７）を製造する第２装置（６）とを有する装置。
【請求項１２】
前記第１装置（２）が制御可能ポンプ（２１）と結合するシリンジ（２２）として形成される請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１装置（２）が前記溶液（３）を連続的に前記拡散ユニット（４）に転移する制御可能ポンプシステムとして形成される請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記拡散ユニット（４）がその通路（４１）の前記出口（４３）において先細りまたはノズル（４４）を有し、それにより前記溶液（３）の前記拡散ユニット（４）からの排出を制御可能とする、請求項１１〜１３のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２装置（６）が作動装置によって作動されるロールまたはリールとして形成され、前記拡散ユニット（４）の前記出口（４３）において前記高たんぱく質相（５）から形成された液滴から前記シルク糸（７）を引き出す、請求項１１〜１４のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１６】
たんぱく質の集合に必要な張力によって前記ロールまたはリール（６）がスパイダーシルク糸（７）を引き出す、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記拡散ユニット（４）が交換可能なカートリッジとして形成される、請求項１１〜１６のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１８】
前記作動装置がモータおよび／またはギアボックスを有する、請求項１１〜１７のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項１９】
前記拡散ユニット（４）の前記通路（４１）が前記溶液（３）を通す為のほぼ一定の直径（ｄ）を有する、請求項１１〜１８のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２０】
前記拡散ユニット（４）が、前記低たんぱく質相を前記拡散ユニット（４）から除去する第３装置を有する、請求項１１〜１９のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３装置が真空ポンプとして形成される、請求項１１〜２１のいずれか１項以上に記載の装置。
【請求項２２】
請求項１〜１０のいずれか１項以上に記載の方法で得られる糸。
【請求項２３】
防弾装置の開発などの弾道応用、パラシュート、特殊ロープおよびネット、スポーツ用品、繊維製品の製造、医療技術、ならびに航空機における軽量な建設構成要素の技術および産業における、請求項２２に記載の糸の使用。
【図１】
【図２】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００９−５０８０１２（Ｐ２００９−５０８０１２Ａ）
【公表日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２９５６７（Ｐ２００８−５２９５６７）
【出願日】平成１８年９月１３日（２００６．９．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００８９２４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３１３０１
【国際公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（５０４１３５９４１）テッヒニシェ・ウニヴェルジテート・ミュンヘン (4)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１３日（２００６．９．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００８９２４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３１３０１
【国際公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（５０４１３５９４１）テッヒニシェ・ウニヴェルジテート・ミュンヘン (4)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ
【Ｆターム（参考）】
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