タンパク質―材料界面の設計:ハイブリッド構造の制御と新素材開発(Designing Protein-Material Interfaces)

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2026-01-16 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)の研究チームは、タンパク質と材料の界面(プロテイン・マテリアル・インターフェース)を合理的に設計する新しい研究枠組みを提示した。タンパク質が固体表面とどのように結合し、構造や機能を変化させるかは、バイオセンサー、触媒、医療材料、エネルギー変換材料の性能を左右する重要因子である。本研究では、計算科学、分子シミュレーション、実験データを統合し、タンパク質配列や立体構造と材料表面特性との相互作用を予測・制御する方法が示された。これにより、目的機能に応じてタンパク質を最適配置する設計指針が明確化され、従来の試行錯誤型開発からの脱却が可能となる。こうした成果は、持続可能材料、人工酵素、次世代バイオナノテクノロジーの開発を加速させる基盤技術として期待されている。

タンパク質―材料界面の設計:ハイブリッド構造の制御と新素材開発(Designing Protein-Material Interfaces)
Complex material structures can form through templated crystal growth or direct protein self-assembly across a range of natural and designed proteins.(Figure by Shuai Zhang | Pacific Northwest National Laboratory; reproduced from s41586-019-1361-6 and s41467-023-43608-1)

<関連情報>

タンパク質と物質の界面の設計 Designing protein–material interfaces

Shuai Zhang,Harley Pyles,David Baker & James J. De Yoreo
MRS Bulletin  Published:11 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1557/s43577-025-01008-4

Abstract

This article addresses recent advances in using de novo protein design to create coherent interfaces between proteins and inorganic materials, either through protein self-assembly on crystal lattices or through directed nucleation and growth of crystals by protein scaffolds. Inspired by natural protein–crystal interfaces, we focus on designed helical repeat proteins that present a repeating pattern of charged amino acid residues that epitaxially match a target inorganic crystal lattice. We describe the use of in situ imaging and spectroscopic methods to investigate both the assembly of these proteins and their ability to direct crystal nucleation and growth. The findings reveal the importance of surface charge, facet-specific binding, solvent organization, and, more generally, the balance of protein–substrate–solvent interactions in determining how organized protein–materials interfaces emerge. The results  highlight the vast potential of protein design in materials science and inform our understanding of the mechanisms by which interactions between biomolecules and inorganic surfaces lead to unique materials and morphologies.

生物化学工学
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