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企画特集 10-9 INNOVATIONの最先端 ~Life & Green Nanotechnologyが培う新技術~
<第53回>
不凍タンパク質の開発とその応用展開に向けて
~食品・医療・ものづくりへの貢献~

株式会社ニチレイ 技術戦略企画部 石井 寛崇氏に聞く

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 第16回国際ナノテクノロジー総合展(nano tech 2017)の最終日に行われたnano tech大賞の表彰式において,ライフナノテクノロジー賞を受賞したのは株式会社ニチレイ(以下ニチレイ)の不凍タンパク質の展示であった.受賞理由は「寒冷地に生息する魚類から発見した不凍タンパク質を冷凍食品に利用する研究を続けてきた.このタンパク質を医療・土木など食品以外の様々な産業に役立てようとしている活動を賞す.」であった.

 この度,ニチレイで不凍タンパク質の開発を担当している石井 寛崇(いしいひろたか)氏を同社 技術戦略企画部 基盤研究グループに尋ね,ユニークな特徴と秘められた多くの可能性を持つ不凍タンパク質とその応用について伺った.





1.ニチレイの製氷の歴史と不凍タンパク質

 ニチレイは表1の経歴が示すように,国内の製氷事業の元祖を源流とする氷のスペシャリストであり,その始まりも,やけどや熱病などの治療用や食品保存などライフに直接関わる需要に応ずるものであった.第二次世界大戦中の国の統制会社を経て,戦後,民間会社 日本冷蔵株式会社として再出発した.冷凍事業を中心とした多角的経営を行うことを基本方針として,水産・冷蔵・製氷の3事業でのスタートであった.1952年に製造・販売を開始した調理冷凍食品は,まだ家庭に電気冷蔵庫が普及していない時代で,学校給食が主な販路となった.肉食が盛んになった1956年には畜産事業を開始した.オイルショック後の1985年に社名をニチレイに変更した.当時はCI(コーポレートアイデンティティー)がブームになっており,事業内容の中心も水産会社から冷凍食品の会社に移行しつつあったことから,柔らかいカタカナの名前とし,商品ブランド名でもあったニチレイに決定し,企業イメージを一新して新たなスタートを切った.


表1 ニチレイの事業展開の経緯
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 1980年代には社内キャンペーンによる提案の中から,アセロラ事業が生まれ,またバイオサイエンス事業も始まっている.時代の変化に即した事業展開を図り,2005年には持株会社体制に移行し,ニチレイフーズ(加工食品),ニチレイフレッシュ(水産・畜産),ニチレイロジグループ(低温物流),ニチレイバイオサイエンス(バイオサイエンス)に分社化して今日に至っている.

 不凍タンパク質との繋がりは,2002年に,国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)で進めてきた不凍タンパク質の研究を食品への応用を進める目的で開発をスタートしている.当初は,食品分野を対象として応用を図ってきたが,製造コストや匂い除去の問題などで,製品化に繋がらない時期が続いた.しかし,近年,不凍タンパク質の応用分野が食品だけでなく,バイオ・医療,さらに工業分野への適用の可能性が見えてきており,開発担当部署も3年前から,ニチレイフーズ内から持株会社内へ移管されている.色々な分野の多くの研究開発現場からの問い合わせも増えており,不凍タンパク質の実用化に向けた動きが期待される.


2.不凍タンパク質(AFP)とは

2.1 研究の経緯

 不凍タンパク質(AFP:Antifreeze Protein)は,地球上の氷に覆われるような陸や海に棲む生物の体内に存在し,その身体が凍結するような低温に耐えて生存するために備わったものである.1969年に米国イリノイ大学Arthur DeVries教授により南極海に棲む魚の血清から発見されて以来学術的に関心がもたれ,魚以外にも昆虫,植物,菌類などから発見されている.

 国内では国立研究開発法人 産業技術総合研究所 北海道センターの津田 栄氏が1990年代からAFPの研究を行い,北海道近海の魚にもAFPを蓄えているものがいることを発見した.以前は血液の中に存在し,微量しか採取できないものと考えられていたが,魚肉の部分にも存在することが分かり,量の確保が可能となった.2002年,食品への応用に関して産総研と共同研究を開始し,ニチレイでのAFPの開発が始まった.以来ニチレイはAFPを大量に採取する技術に取り組み,共同研究によりAFPの抽出・精製法の確立・製品化に成功して,2016年9月に試験研究用の製品の発売を開始した[1].


2.2 AFPが発揮する機能

 AFPは次のようなユニークな機能を持つタンパク質である.

(1) 氷結晶成長抑制機能:氷の結晶に結合して氷が大きな塊になるのを阻止する機能で,凍結物の品質を守る.

(2) 細胞保護機能:細胞膜に結合して膜を安定化し細胞の生存時間を延長する.

 表2には,これらの機能が応用されると期待される分野の例を示した.


表2 不凍タンパク質に期待する応用分野
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 以下に(1)の氷結晶成長抑制機能に関して説明する.上記(2)の細胞保護機能は氷の出来ない融点より高い温度での事象であり,AFPの新たに見出された応用分野であるので,3.4節で詳述する.


2.3 AFPの機能発現メカニズムとその種類

(1)AFPによる氷結晶成長抑制の現象

 通常の氷は凍結速度に応じて氷結晶の大きさが変化し,凍結速度が遅いと,氷結晶の数が少なく,個々の結晶が大きく成長するが(図1左上),AFPを含む水を凍らせた場合には,AFPが氷結晶に結合してその成長を阻止し,2個の6角錘を底辺同士を結合したバイピラミダルな形状の微細氷晶を作る(図1右上).氷晶同士の結合も防がれ,凍結速度にほとんど関係なく凍結物の品質が守られる.現在生鮮食品の冷凍保存には低い温度で急速凍結を行っているが,もし,不凍タンパク質が利用できれば,急速冷凍不要の省エネ凍結技術の創出になる.まだ解決すべき技術的壁もあるが,期待される分野である.


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図1 AFPによる氷の成長の抑制


 バイピラミダルな形状形成のメカニズムは次のように説明される.先ず氷の結晶の核は6角柱の形で成長する.AFPはその側面即ちプリズム面に結合し,上下の面には結合しない.そこで,氷の結晶は側面方向への成長が抑えられ,上下方向だけに成長する.その結果が,図1に模式図で示すように,二つの6角錐が底辺を結合した形状,即ちバイピラミダルな形状をとると共に,結晶同士が結び付いて大きな塊になることが抑制される.従って,不凍タンパク質を添加した水を凍らせると,バイピラミダルな細かい結晶の集合体となり,氷は大きな塊になることはない[2][3].

 なお,AFPによる氷結晶成長制御の様態についての研究はさらに続いており,2017年2月16日に産総研から,「Ⅰ型AFPに相当する構造を持った魚から得たAFPで,水への添加量が少ない場合は上に説明したのと同様に氷結晶のプリズム面だけに付着するが,添加量を多くしていくと,AFPが氷結晶の上下の面をも蔽い,結果としてバイピラミダル形状の角がとれて小型化し,最終的には小さなレモンの形状になることが観測された」と報告されている[4][5].


(2)AFPの種類と特徴

 なお,AFPは,魚や昆虫,植物により構造が異なり,魚でも種類によって構造が異なり,特性に差がある.図2に現在把握している魚類の種類に由来する主なAFPとその特徴を示す.


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図2 魚類由来のAFPの種類,構造とその特性


 図に示すように,AFP(AFGPも含んだ総称)はアラニン(Ala)及びスレオニン(Thr)などのアミノ酸で構成されるが,その配列の構造や,糖鎖,メチル基やOH基などの側鎖の接続状況が,魚の種類により大きく異なる.しかし,これらAFPはいずれも氷に結合して氷結晶の成長を抑制する効果がある.不凍タンパク質以外ではこうした機能の発表はこれまで見られない.氷とAFPの結合は,OH基やメチル基が関係しているという見方があるが,まだ十分な解明はなされていない.


(3)AFPの熱ヒステリシス活性-------氷結晶成長抑制効果の指標

 氷結晶成長抑制効果の指標として,AFP添加で起こる氷の凝固点と融点が異なる現象,即ち,熱ヒステリシス現象が使われる.通常の水は凝固点と融点の温度は同一である.しかしAFPを添加した場合,融点は変わらないが,凝固点の温度は低下する.凝固点と融点の間の温度帯は水と氷が共存する領域で,この温度帯の大きさは,AFPの氷結晶成長抑制機能の強さ,即ち,活性を表すので熱ヒステリシス活性と表記している.数値が大きいほど氷結晶成長抑制効果が大きい.具体的値は表3に記載している.


表3 ニチレイのサンプル出荷製品の熱ヒステリシス活性
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 AFP水溶液を一度加熱した後のAFP熱ヒステリシス活性の低下状況を,加熱温度との関係で調べた結果を図3に示す.表3に示す高度精製品3種目と,粗精製品1種目についての実験例である.横軸は加熱温度,縦軸は加熱処理後の残存活性で,熱処理する前の20℃の時を100%とした値である.AFGPの場合は100℃に加熱した後でも活性を失っていない.Ⅰ型AFPの場合は80℃,Ⅲ型AFPの場合は50℃までほとんど劣化していない.また,粗精製製品ではⅠ型AFPの例を示したが,劣化の始まりは60℃に下がっている.ここにグラフは割愛したが粗精製Ⅲ型AFPも同様に約2割の劣化が見られた.一方,粗精製AFGPでは100℃でも劣化が見られていない.


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図3 各種不凍タンパク質の活性度の高温における劣化の状況.
高度精製のAFGP,Ⅰ型AFP,Ⅲ型AFP,および粗精製のⅠ型AFPの例


(4)ニチレイに於けるAFPの製品化

 ニチレイは産総研との共同研究の中で,AFPの抽出・精製法を確立した.精製法は膜分離とカラムクロマトグラフィーを採用している.ユーザである大学や企業の研究開発機関からは高度精製品への要望が多かったので,2016年9月,表3に示すように,5種類のAFPを製品化している[1].ただし,これら製品は試験研究用であり,販売先は法人または研究機関に限られている.


3.応用分野に向けての特徴を示す実験例

3.1 氷結晶再結晶化抑制効果

 表2に示した氷結晶再結晶化の抑制機能を卵白アルブミンゲルを用いて実験した.図4に示すように,凍結直後でもAFP添加の場合の方が氷結晶が小さいが,2週間の冷凍保管後にはAFP無添加の場合は氷が粗大化し組織を破壊するのに対し,AFP添加では氷結晶は小さいまま保たれている.


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図4 卵白アルブミンゲルについて,Ⅰ型AFP 5%溶液に一晩浸漬し,-40℃で2時間凍結した直後と,その後-10℃で2週間放置した後の電子顕微鏡写真(下段)と,AFPの添加なしの同様な凍結直後と2週間放置後の電子顕微鏡写真(上段).


 この効果を活用する応用分野と考えられるアイスクリームや氷菓では,保管中の品質変化がおこり難く,口当たりが滑らかな状態を保てる.特にアイスクリームでは微量のAFP添加だけで手軽に高級品の食感が得られる.もう一つの応用分野である冷凍食品の場合は,凍結解凍した後のドリップを軽減する.また,食感の変化を軽減する.

 ただし,アイスクリーム用でも実用化のためには,コストの低減と,臭いの除去の課題を解決する必要がある.臭いは,魚由来のAFPで特に粗精製の場合,不純物から発生する.これら課題の解決は本格的生産化が進む中での検討が考えられている.また,多くの食品の場合,組織内部にAFPをどのように侵入させるかが問題となる.今後の検討課題とのことである.


3.2 氷結晶成長抑制効果と多孔質セラミック製造技術への活用

 表2に示した氷結晶成長抑制機能を卵白アルブミンゲルを用いて実験した.図5は,同ゲルをⅢ型AFP 0.2%溶液に一晩浸漬し,各種温度で2時間凍結し,クライオ電子顕微鏡で観察したものである.AFP無添加の場合,冷却速度の速い-68℃,-110℃の低温での凍結では氷は小さいが,-18℃では冷却速度が遅いので,氷結晶が大きく成長していることが分かる.食品を冷却した場合組織が破壊されて品質が劣化することになる.AFP添加で,氷の成長が抑制され,氷を除いた跡は小さな孔の緻密な集合体となっていることがわかる.


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図5 卵白アルブミンゲルを色々な温度で急冷却した場合の顕微鏡写真.
上はAFP無添加,下はAFPを添加した場合.


 応用分野としてまず考えられる食品分野では,豆腐や寒天などのようにゲル状食品に適用すれば,凍結解凍後の組織ダメージが少なく,品質を保持できる.

 一方,工業分野への応用として最近新しく浮上してきたのは,多孔質素材の製造への適用である.具体例は,産総研中部センターが開発を進めているゲル化凍結法による多孔質セラミック製造工程への適用である.ゲル化凍結法とは,セラミックス粉末と大量の水を保水できる高分子とで構成するゲルを凍結し,ゲル内に出来た細孔源となる氷を取り除いて焼結するものである.排水リサイクルや排気ガスの有害微粒子除去用フィルターを始めとする幅広い応用を狙っており,セラミックスの種類を問わない,簡便で低環境負荷の製法である[6].この製法において,凍結時にゲルの表面と内部で冷却速度に差ができるので,発生する氷のサイズに大きな差ができる問題が発生する.AFPを添加することで,細孔のサイズの小型高密度で高均一性が著しく向上するので,多孔質セラミックスの性能や適用分野の大幅な拡大が予想される.AFPの新しい応用分野の広がりが期待される.


3.3 溶質の均一分散

 溶液を凍結する場合,氷結晶の粗大化に伴って溶質が濃縮する.しかし,不凍タンパク質を添加した場合は,氷結晶の拡大を抑制し溶質の均一分散が保たれる.図6aは実験例で,色素で着色した水で,不凍タンパク質の0.5%水溶液を紙コップに入れて,家庭用冷蔵庫の冷凍室で一晩凍結した結果である.3種類の不凍タンパク質を添加した試料はいずれも色素は一様に分散したままであるが,不凍タンパク質を添加しない試料では色素が底に濃縮された.


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図6 不凍タンパク質の溶質成分均一分散効果(a)とそのメカニズム(b)


 図6bはその理由を説明している.紙コップの表面から凍結が始まり,AFP無添加の場合は氷が粗大化し,氷結晶は色素を取り込まないので,色素が残って濃縮される(bの上の図).一方,AFP添加の場合は,氷結晶が微細化し,色素と混在する形で凍結している.

 応用分野としては,機能性氷,即ち,溶質やガスを分散させた氷の作製や,食品の場合では,成分の偏りを制御したり,酵素反応による品質劣化を軽減することが,挙げられている.

3.4 細胞の冷蔵保存

 以上はAFPが氷の結晶に結合してその成長を制御する機能の活用であるが,ここでは,AFPが細胞に結合して保存性が延長する能力を発揮するという新しい機能の例を紹介する.産総研との共同研究のなかで,ラットの膵島細胞を対象に,AFPを保存液に添加することにより4℃保存の生存率が高まることが実証された.図7は実証実験の結果を示すもので,AFPの場合,魚の種類によって効果が異なるが,Ⅰ型AFPおよびⅢ型AFPの場合,図に示すように4℃保存で72時間後でも60%生存しており,120時間後でも生存していた細胞はインスリン産生能力を保持していたとのことである.AFPが細胞の保存性を高める理由については,図8に示すようにAFPが細胞の周囲を取り囲んでいる状況から,これが細胞の膜を保護していると推察されている.

 この機能は,今後,発展が予想される医療・創薬分野において,細胞・組織の保存液などの応用分野が広がるものと大きく期待される.


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図7 細胞を4℃で保存した場合の生存率の比較.
サンプルは,市販の細胞保存液(ユーロコリンズ)および,
同保存液に各種溶質を10mg/ml添加したもので保存.


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図8 AFPが細胞を保護する様態


4.今後の展開と課題

 ニチレイは,2002年から,産総研との協力関係の下,AFPの製造を研究レベルから実用レベルに高める努力を続けてきた.2016年9月に試料レベルの製品出荷を始めている.企業や大学の研究機関からの要望に応えて,高度精製品を揃えている.一方,応用分野の開拓については,当初は食品分野を対象としたが[7],魚由来のAFPの臭いの問題とコストが高く製品化に至っていない.しかし近年,多孔質セラミック製造への適用や,医療応用など,新しい応用分野への広がりの可能性が見えてきた.ニチレイとしては社会的課題対応に貢献するような製品市場を掴むことを期待している.それにより,生産量が増えれば製造コストも下がり,食料品を含む広い市場に対応できる.

 先日のnano tech 2017国際ナノテクノロジー総合展への出展ブースでの来場者を始めとして,最近は顧客との接触も多くなっている.応用分野によって,製品への要望の違いも見えてくるので,顧客と連携しながら解を出していくとしている.


5.おわりに

 不凍タンパク質(AFP)の機能が,極寒の地域の生物に備わっていることは,自然界の神秘な力を感じさせる.今回の取材で人間の知恵でその神秘な力を活用しようと試みている話を伺った.19世紀後半,病気の下熱や食品の長期保存に活用するなどQuality of Life(QOL)の改善に寄与した氷製造業を源流のひとつとするニチレイが,21世紀の今,氷の成長を抑制し制御する技術で,より高い次元で,人々のQOLの改善,医療や産業の進化に貢献しようとしている.エールを送りたい.


参考文献

[1] 株式会社ニチレイ,プレスリリース,「不凍タンパク質」発売のお知らせ」2016年9月9日.
http://www.nichirei.co.jp/news/2016/283.html
[2] 田中正太郎,小橋川敬博,三浦和紀,西宮佳志,三浦愛,津田栄,「不凍タンパク質」,生物物理, Vol. 43, No. 3, pp. 130-135 (2003). [3] 西宮佳志,近藤英昌, 坂下真実, 三浦愛,津田栄,「不凍タンパク質―機能と応用―」,化学と生物,Vol. 48, No. 6, pp.381-388 (2010). [4] 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 ,プレスリリース,「連結して氷の結晶成長を食い止める不凍タンパク質を発見」2017年2月16日.
http://www.aist.go.jp/aist_j/new_research/2017/nr20170216/nr20170216.html
[5] S. Mahatabuddin, Y. Hanada, Y. Nishimiya , A. Miura, H.Kondo, P.L. Davies and S. Tsuda, "Concentration-dependent oligomerization of an alpha-helical antifreeze polypeptide makes it hyperactive", Scientific Reports, Vol. 7, Article number 42501 (2017).
[6] 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 ,プレスリリース,「氷を利用してマイクロメートルサイズの細孔を持つセラミックス多孔体を作製」,2008年9月9日.
[7] 井上敏文,小泉雄史,「大量精製が可能になった不凍タンパク質の応用―食品―」,冷凍Vol. 86, 第1005号 (2011).

 図面はすべてニチレイから提供されたものである.


(向井 久和)


「10-9 INNOVATIONの最先端」 企画特集は, NanotechJapan Bulletin と nano tech のコラボレーション企画です. nanotech2018_banner.jpg