Views: 246
無機物と有機物の融合
新型コロナウイルスが、世界中の人々、経済に多大なダメージをもたらしました。
肉眼では確認できないミクロの存在であるウィルスが国境を軽々と超え、あっという間に世界中の人々に伝染し、経済をもストップさせてしまう多大な影響力を持つものだと身をもって思い知らされました。
が、マサチューセッツ工科大学で「ウィルスによってバッテリーの電極をつくりだす技術」が開発されていると言います。
生物工学教授アンジェラ・ベルチャーいわく「このうえなくクリーンなテクノロジー」にする研究だと。
生物工学教授アンジェラ・ベルチャーはTEDでも以下のように語っています。興味がある方はぜひご覧ください。
「アワビの貝殻に触発されたアンジェラ・ベルチャーは、人が利用できるようなすばらしいナノ構造を作るようにウイルスをプログラムします。
定向進化を通して優秀な遺伝子を選択することで、高出力の新しい電池、例えば、クリーンな水素燃料や記録的に高効率な太陽電池などを製造するウイルスを生み出しました。
どうやって実現したのかを語っています。」
有機ELディスプレイが、発光ダイオード(LED)と同様の構成を取り、その発光層に有機化合物を添加していますが、この研究も同様に無機物と有機物の融合による技術なのでしょうか？
以下、WIREDより転載します。
「遺伝子操作されたウイルス」が、高性能でクリーンな次世代バッテリーをつくる日がやってくる（WIREDより）
遺伝子操作したウィルスを使って、バッテリーの電極をつくりだすナノエンジニアリング技術が大きな進歩を遂げている。
この技術を用いたバッテリーはエネルギー密度や充電速度が大幅に向上し、環境負荷も少ないとされる。
こうして人々に病と死をもたらす存在だったウイルスが、わたしたちの生活に恩恵をもたらす日が訪れようとしている。
マサチューセッツ工科大学（MIT）の生物工学教授アンジェラ・ベルチャーは2009年、ホワイトハウスに出向いた。
このとき就任からわずか2カ月だったバラク・オバマ大統領の前で、小型の電池をデモンストレーションするためである。
自由主義社会のリーダーの前で電池が披露される機会は、あまりあるものではない。
だが、これは“よくある乾電池”ではなかった。
ベルチャーはリチウムイオン電池の陽極と陰極を組み立てるために、ウイルスを使ったのだ。
電池の製造プロセスで生じる有毒物質の削減と性能向上が見込める、工学的なブレイクスルーだった。
オバマは当時、先端バッテリー技術のために20億ドル（約2,200億円）の拠出を発表する予定であり、ベルチャーのコイン電池は今後もたらされる未来を垣間見せるものだった。
ホワイトハウスでのデモから10年後、ベルチャーが考案したウイルスを用いた組み立てプロセスは急速に進展していた。
ウイルスを使って生産できる素材は150種類以上に増加し、ベルチャーはこの技術が太陽電池などの製造にも応用できることを実証したのである。
ベルチャーが夢想する「ウイルスから動力を得たクルマ」が走り回る未来は、まだ実現してはいない。
だが、MITの仲間たちとの長年の研究開発の末に、ベルチャーはいま、このテクノロジーをラボから解き放ち、実世界に連れ出そうとしている。
生物のツールキットを拡張
ウイルスは顕微鏡でしか見えない自然界の“ゾンビ”であり、生物と無生物の境界線を大胆に飛び越える存在だ。
ウイルスの内部にはDNAが詰まっており、その点はすべての生きものと共通している。
だが、ウイルスは宿主なしでは増殖できないことから、自己複製という生命の定義に当てはまらない。
ベルチャーが実証したように、この特性をナノエンジニアリングに応用してつくりだしたバッテリーは、エネルギー密度や寿命、充電速度が向上する。
しかも、自然環境に負荷の少ない方法で製造可能なのだ。
ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の上席研究員で、先端バッテリーを研究しているコンスタンティノス・ゲラソプーロスは、「バッテリー分野では、電極のナノ構造レヴェルでの素材の探索が盛んになってきています」と説明する。
「ナノ素材を生み出す従来の化学的手法はいくつかあります。一方で、ウイルスなどの生物素材を使う手法の利点は、最初からナノスケールで存在するので、バッテリー素材を合成する際に天然のテンプレートや基礎構造になることです。」
自然界を見渡せば、ウイルスの助けなしに無機物から有用な構造をつくりだす方法はたくさんある。
ベルチャーのお気に入りの例であるアワビの貝殻は、ナノスケールで高度に構造化されていて、軽量かつ頑丈だ。
数千万年にわたる進化の結果、アワビはミネラルに富む海水中からカルシウム分子を取り出し、整然と体の表面に層状に蓄積させるたんぱく質をDNAにコードするようになった。
アワビはバッテリーづくりにはかかわっていないが、基本的にこれと同じプロセスを利用すれば、ヒトにとって有用な素材をウイルスに生産させることが可能だとベルチャーは気づいた。
「わたしたちは生物学的特性を操作して、通常なら生物がつくらないナノ素材を自在につくりだせるようになりました」と、ベルチャーは言う。
「生物のツールキットを拡張して、新素材を扱えるようにしたのです」
葉巻型のウイルスを活用
ベルチャーが選んだのは、細菌の内部で増殖する「M13バクテリオファージ」と呼ばれる葉巻型のウイルスだった。
ナノエンジニアリングに利用できるウイルスはほかにもあるが、ベルチャーによると、この種の利点は遺伝情報に手を加えやすいことだという。
ウイルスに電極をつくらせるには、まず加工させたい素材にウイルスを晒す。
すると、ウイルスの一部に自然に、あるいはヒトが誘発させるかたちで遺伝的変異が生じ、素材に付着する。
その後、変異したウイルスを抽出し、これを細菌に感染させて無数の完全に同一のコピーを得る。
このプロセスを何度も繰り返すうちに、ウイルスの“バッテリー職人”としての腕にはますます磨きがかかっていく。
ベルチャーが遺伝子操作したウイルスは、バッテリーの陽極と陰極を区別しないが、そもそもその必要はない。
DNAにプログラムされた仕事はシンプルだが、無数のウイルスの個体が同時に同じタスクを実行することで、利用可能な素材ができあがるのだ。
例えば、ウイルスの遺伝子を改変して表面に酸化コバルト粒子を引きつけるたんぱく質を発現させ、ウイルスをこの物質で包み込む。
たんぱく質の発現量が増えるほど、酸化コバルト粒子の回収効率が上がる。
つまり、ウイルスを鎖状につなげれば、酸化コバルトのナノワイヤーが形成され、バッテリーの電極として利用できるのだ。
未解決の問題を生物学で解決
ベルチャーの方法は、DNA配列を周期表のなかの元素と結合させて、急速な「不自然淘汰」を起こさせるというものだ。
DNAのコードをどう書き換えるかによって、ウイルスはリン酸鉄と結合したり、酸化コバルトに結合したりする。
この手法は、周期表のどの元素にも応用可能であり、必要なのはその元素に対応するDNA配列を見つけることだけだ。
ベルチャーのしていることはある意味、愛犬家が望ましい美的形質の数々を備えた犬種を選択交配によってつくりだす行為と同じともいえる。
選ばれる特徴の組み合わせは自然界では決して現れないものだ。
プードルをブリードする代わりに、ベルチャーはバッテリーをつくるウイルスを養殖している。
ベルチャーはこれまでに、ウイルスによる組み立て技術を利用してつくった電極を、さまざまな種類のバッテリーに応用してきた。
オバマ前大統領にプレゼンしたのは、腕時計によく使われる標準的なリチウムイオンのコイン電池で、彼女はこれを使って小さなLEDを点灯させた。
しかし、普段の彼女が扱うのは、リチウム空気電池やナトリウムイオンバッテリーなど、もっと聞きなれない代物だ。
確立された技術をもつリチウムイオンバッテリーメーカーと競っても意味はないからだと、彼女は言う。
「現行の技術に対抗するつもりはありません。わたしたちが取り組んでいるのは、未解決の問題を生物学で解決できるかという挑戦なのです」
このうえなくクリーンなテクノロジーに
期待がもてる応用例のひとつが、ウイルスを使って極めて規則的な電極構造をつくることによって、イオンが電極の中を移動する経路を短縮させることだ。
実現すれば、バッテリーの充放電速度を伸ばせるはずで、これはエネルギー貯蔵の「聖杯のひとつ」だと、イリノイ大学素材研究所所長のポール・ブラウンは言う。
ウイルスによる組み立てプロセスを利用すれば、理論上は電極構造を大幅に効率化し、充電速度を劇的にアップさせることが可能だとブラウンは説明する。
いまのところ、ベルチャーがウイルスに組み立てさせた電極は、基本的にランダムな構造をしている。
研究チームは、ウイルスによって規則的な配列をつくらせる方法を開発中だ。
とはいえ、現段階でもウイルスの力を借りたベルチャーのバッテリーは、エネルギー容量、サイクル寿命、充電速度などの面で、すでに従来の製造手法でつくられた電極を備えたバッテリーと同等か、それ以上の性能をもっている。
だが、ベルチャーがウイルスによる組み立ての最大の利点として挙げるのは、環境への配慮だ。
従来の電極製造法では、有毒物質と高温が必須だった。
一方、ベルチャーの手法では、電極の材料になる物質と常温の水、それに遺伝子組み換えウイルスさえあればいい。
「現在、わたしのラボで全力を注いでいるのは、このうえなくクリーンなテクノロジーにすることです」と、ベルチャーは言う。
これには電極の材料となる鉱物資源がどこでどのように採掘されたかや、電極の製造に伴う廃棄物の処理などが含まれる。
まだ何年も研究が必要
ベルチャーの技術はまだ商用化されてはいないが、チームが学術誌に投稿して査読中の複数の論文には、この技術をエネルギーだけでなくさまざまな事業で実用化する方法が述べられている（彼女は詳細についてコメントを避けている）。
DNAベースの組立ラインを使えば、人類に役立つ素材をつくりだせる可能性があるとベルチャーが初めて提唱したとき、多くの同業者は疑問を投げかけた。
「イカれてると、みんなに言われました」と、彼女は言う。現在は、もはやそこまで突飛なアイデアではなくなったとはいえ、技術をラボから実世界に広めるには困難を伴う。
インディアナ大学ブルーミントン校の化学教授ボグダン・ドラグネアは、「従来のバッテリー製造技術は、原料もプロセスも安価です。
一方、ウイルスの製造効率を向上させ、スケール化させる問題を解決するには、まだ何年も研究が必要でコストもかかるでしょうね」と指摘する。
「わたしたちはまだ、物理特性の観点からみたウイルスベースの素材の可能性に気づきはじめたばかりの状態なのです」
ベルチャーはすでに、自身のウイルスによる組み立てプロセスの研究を基幹とする2つの企業を共同で創業した。
04年創業のキャンブリオス・テクノロジーズ（Cambrios Technologies）は、ウイルスを利用したプロセスを採用し、タッチスクリーン用の電子素材を製造する。
もう1社のシルリア・テクノロジーズ（Siluria Technologies）は、工業用に広く使われるエチレンをメタンから合成するプロセスに、ウイルスを利用している。
ベルチャーは以前、太陽電池の製造にもウイルスを利用してみたが、ペロブスカイト太陽電池という新技術の登場に、効率の面で太刀打ちできなかったという。
ウイルスが恩恵をもたらす未来
バッテリー電極のウイルスによる組み立てを、商業生産に必要なレヴェルでスケール化できるかについては、まだ答えは出ていない。
ジョンズ・ホプキンス大学のゲラソプーロスは、「バッテリー工場では何トンもの材料を扱います。生物由来の材料でその規模の生産をするのは容易ではないでしょう」と指摘する。
彼自身は超えられない壁だとは思わないが、「現段階での主要課題のひとつ」だと考えている。
「ウイルスで駆動されるテスラ車」が披露される日は、来ないかもしれない。
だが、ベルチャーの生物学的ナノエンジニアリングのアプローチは、電気と無関係の分野でも極めて前途有望だ。
MITにおけるベルチャーらのチームは、ウイルスによる組み立て技術を利用することで、がんを探知するナノ粒子の製造に取り組んでいる。
医師にはとうてい発見できないような、極めて小さな腫瘍細胞を探知するように設計されたナノ粒子ができれば、がんの初期発見率を劇的に向上させ、死亡率を下げられるかもしれない。
さらに、まだ長期的目標ではあるが、こうした粒子にがん細胞を殺す生物素材を装備させることも、原理的には不可能ではない。
人類の歴史のすべてにわたって、ウイルスは病と死をもたらす存在だった。
しかしベルチャーの研究は、このDNAの小包が、さまざまな恩恵をもたらす未来を指し示している。
