Self-assembly of synthetic cellulose during in-vitro enzymatic polymerization process as studied by a combined small-angle scattering method

酵素触媒重合によるセルロースの人工合成と合成反応過程におけるセルロースの自己組織化機構の複合小角散乱法を用いた研究

田中 宏和*; 小泉 智; 橋本 竹治; 黒崎 一裕*; 小林 四郎*

Tanaka, Hirokazu*; Koizumi, Satoshi; Hashimoto, Takeji; Kurosaki, Kazuhiro*; Kobayashi, Shiro*

酵素触媒重合法により人工合成されたセルロース高分子の自己秩序化過程を、特異場での化学反応と反応生成物の自己組織化機構に関する普遍的問題として、非平衡状態におけるパターン形成の概念に基づき探求した。化学反応過程における自己秩序化機構は、複合小角散乱法(小角・超小角中性子散乱法並びにX線散乱)によるその場,実時間測定及び走査電子顕微鏡法により解析し、以下の事実を世界で初めて明らかにするとともに、それらの機構を明らかにするモデルも提唱した。(1)酵素触媒として用いたセルラーゼは、反応溶液中で会合体を形成する。(2)酵素会合体中の活性中心から繰り返し合成され、反応溶液中に噴出する莫大な数のセルロースは同会合体の周りに会合し、フラクタル構造を形成する。(3)反応終了時においてセルロース会合体は30nmから30m(3桁の空間スケール)に渡る表面フラクタル構造を形成する。

We have investigated the self-assembling process of cellulose artificially synthesized via enzymatic polymerization as one of general problems of non-equilibrium phenomenon and pattern formation. The chemical reaction and the self-assembling process were explored at real time and in-situ by a combined small-angle neutron scattering (SANS), small-angle X-ray scattering (SAXS), ultra-SANS and ultra-SAXS method, together with wide-angle X-ray diffraction and field-emission scanning electron microscopy. The results revealed for the first time the following pieces of new evidence: (1) The enzymes (cellulase) as a catalyst aggregate themselves into associations; (2) Cellulose molecules created at each active site of enzymes associate themselves around the enzyme associations into cellulose aggregates having surface fractal dimensions Ds, increasing from 2 to 2.3 with reaction time. (3) The fractal structure formed at the end of the reaction extends over a surprisingly wide length scale ranging from 30 nm to 30 m (3 orders of magnitude).