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人類の世界を変える革新技術;人工光合成、iPS細胞など新技術の開発の様子、現況とや見通しの最新情報。

 
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人工光合成

光合成

樹木は、大気中の二酸化炭素を吸収して光合成を行い、炭素を有機物として幹や枝などに蓄え成長する。


光合成=明反応+暗反応

光合成は明反応と暗反応に大別され、明反応では、最初のステップで水の分解により酸素が生じ、次いでATPとNADPHという物質が蓄積される。暗反応は、ATPとNADPHを使って、二酸化炭素から糖質を産生する。




植物の光合成メカニズムで太陽エネルギーを用いて水から水素を製造する人工光合成技術
−可視光での水の完全分解反応を世界で初めて達成
−−−産総研 エネルギー技術研究部門 太陽光エネルギー変換グループ







人工光合成:技術の背景


技術の背景:
光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学反応(明反応)と、化学エネルギーから糖を合成するカルビン回路(暗反応)に大別できる。太陽光を集光する「光捕集系」ではクロロゾーム (Chlorosome) の人工的利用が研究されている。「反応中心」では酸化還元因子を組み込んだ合成ペプチドを利用した研究や、自然界でのバクテリオクロロフィルに代え、亜鉛クロリンやフリーベースポルフィリンを用いた研究が行われている。Acr+-Mesを光触媒とし、白金クラスタを用いることによりNADHを電子源とし効率よく水素が発生することが発見された。水素はCO2固定触媒でギ酸として貯蔵することが考えられている。必要に応じてギ酸分解触媒により水素を取り出すことが可能である。二酸化炭素の固定に関しては、合理的な遺伝子操作を施したCO2固定酵素RuBisCOの利用が考えられる。

ランタンを1%ほどドープし、表面に酸化ニッケルを塗布したタンタル酸ナトリウムに波長300nm以下の紫外光を当てると水が分解され、酸素と水素を生じる。この反応は量子収率50%を越え、2005年日本国際博覧会にも出展されたが、紫外光しか使えないため実用化には至っていない。

ロジウムをドープしたチタン酸ストロンチウムは、可視光線を照射することにより水を還元し水素を発生する光触媒であることが発見され、同様に可視光で酸素を発生するバナジン酸ビスマスと組み合わせることにより、水の分解に成功している。この反応は電子の流れから「Zスキーム」と呼ばれるが、量子収率は約3%、太陽光エネルギーの変換効率は0.1%ほどである。

純粋な水の分解ではないが、硫黄系還元剤を含む水溶液に、金属の硫化物を触媒として可視光線を照射すると水素を生じる反応も発見されている。
−−−ウィキペデイア

歴史と将来展望

太陽電池の研究は19世紀から始まり、1839年にフランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルが光起電力効果を発見、1884年にはアメリカの科学者チャールズ・フリッツ (Charles Fritts) が世界初の太陽電池を製作した。一方光合成の研究は1910年頃から行われ、1956年にルドルフ・マーカスにより電子移動反応理論を発表。1972年には東京大学の本多健一と藤嶋昭により、酸化チタン電極を用い、紫外線を照射することにより水を水素と酸素に分解する本多-藤嶋効果が発表された。1974年から2000年にかけては、日本の新エネルギー研究プロジェクトであるサンシャイン計画・ニューサンシャイン計画が実行された。2011年には、根岸英一らと文部科学省とが人工光合成などの技術革新の具体化を進めることで合意した。2011年4月、大阪市立大学の研究チームは植物での光合成の基となるタンパク質複合体の構造を解明。同じ構造を持つ触媒により、2020年までに二酸化炭素と水からメタノール燃料の製造を行う構想を打ち出している。2011年9月には豊田中央研究所が世界で初めて、水と二酸化炭素と太陽光のみを用いた人工光合成に成功した。特殊な光触媒を用いることで、犠牲薬を添加することなく擬似太陽光での有機物の生成を可能にした。2012年7月30日、パナソニックは窒化物半導体を利用した人工光合成システムを発表した。光電極側に窒化物半導体を使い、もう一方の金属触媒電極からギ酸を得るものであり、触媒の種類を変えることにより有機物の種類を選択できる。エネルギー変換効率は0.2%で植物に匹敵し、発表時点で世界最高水準である。



人工光合成のイメージ(読売新聞)

現在の動向(日本、各国)


人工光合成の研究で日本は世界のトップを行く。国、大学、企業が密接に連携して研究開発を行っているが、人工光合成研究センター長の井上春夫氏は「日本には光合成の研究で30年の歴史があります。外国の力を借りず、日本人だけで研究してきました。これまで日本は世界をリードしてきたわけで、そう簡単には追いつかれません。課題は、人工光合成の研究とその成果を次の世代、あるいはさらにその次の世代にどう伝えるか。バトンタッチをどうするかにかかっていると思います」
日本は世界をリードし、多くの研究成果を出してきた。将来の産業化をめざすプロジェクトも立ち上がり、国、大学、企業がこれまでにないほど密接に連携して研究開発を行っている。一方、世界各国も人工光合成の研究に力を入れ始めた。


アメリカの動向:
中でもアメリカは、クリーンエネルギー政策の柱として巨額を投じて研究所を作り、第一線の研究者を集めて、人工光合成の研究に本腰を入れている。
アメリカもDOE(Department of Energy: エネルギー省)が100億円の予算をかけて、2010年からSolar Innobvation Hubの人工光合成の大型プロジェクトがスタートした。
人工光合成ジョイントセンター(JCAP)」に大学や研究施設などからさまざまな分野の専門家が集められ、実用化を目指している。センターのリーダーは「今後3年間で、植物の10倍以上の効率にすることを目指している」と語る。

人工光合成ジョイントセンター北(JointCenter for ArtificialPhotosynthesis-North : JCAP-
北))は、姉妹施設のJCAP-南(カリフォルニア州パサディナ)は、米国エネルギー省( Department of Energy:DOE)の「エネルギー・イノベーション・ハブ(拠点)」プログラムを通し、今後5 年間にわたり、最高1 憶2,200万ドルの資金提供を受ける。両施設のミッションは、緑色植物が太陽エネルギーを糖分に変換するプロセスをモデル化した太陽-燃料変換技術の開発で、「地球に豊富にある」安価な原料を使用し、10 倍の効率で変換を行うことができる変換技術の開発である。水、二酸化炭素(CO2)および太陽光の組み合わせから作られる液体燃料は、クリーンかつ環境に優しく、再生可能な国内のエネルギー源として、ガソリンやその他の輸送燃料に取って代わるものとなる可能性を持っている。

カリフォルニア州に人工光合成ジョイントセンターが作られ、130人の研究者が集まって研究をしている。人工光合成ジョイントセンターのネイサン・ルイスさんは、研究から技術開発まで一つ屋根の下で行なっているのが我々の強みだと話す。この一体となった体勢は1日に10万種類以上の触媒を作り出すなど開発でも成果を出している。






人工光合成 無尽蔵なCO2と水から工業原料生産 高い変換効率、世界をリード(25.7.27)

太陽光エネルギーは、地球に降り注ぐ1時間分だけで人類が必要とするエネルギーの1年分に相当する。「水の惑星」とも呼ばれる地球は表面積の約7割が水で覆われ、CO2は地球を温暖化させるほど増加が続いている。


研究進む人工光合成

 人工光合成は、これらの無尽蔵な資源から、燃料になるメタノールや化学製品の基礎原料となるエチレンなどの多様な物質を、原材料費ほぼゼロで生み出すことができる。

 研究は日本の独走状態だ。これまでは室内で疑似的な太陽光を使った実験にとどまっていたが、パナソニックは昨年12月、屋外の自然光での実験に成功し、単純な有機化合物のギ酸を作り出した。

 今年5月にはトヨタ自動車グループの豊田中央研究所(愛知県)も、方法や条件が異なる屋外実験でギ酸を生成。いずれも世界初の成功で、実用化への大きな一歩といえる。

 研究に火を付けたのは約2年前、大阪市立大の神谷信夫教授が発表した論文だ。植物が光合成で水を分解する際に、触媒として働くマンガンクラスターという物質の構造を初めて突き止めた。似た構造の触媒を作れば人工光合成が実現に近づくため、世界中で競争が始まった。

 実証実験に世界で初めて成功したのは豊田中央研だ。平成23年9月、ギ酸を生成。太陽光エネルギーの変換効率は植物(0・2%)の5分の1の0・04%だったが、現在は0・14%に向上しており、28年度末に1%を目指す。

パナソニックは異なる条件で昨年7月、植物と同じ0・2%の変換効率を初めて実現。生成物はギ酸だったが、現在は触媒の改善で「効率は約2倍に向上し、メタノールやエタノール、エチレン、メタンも生成できた」(同社)という。

 目覚ましい進展の背景には、国を挙げての支援がある。その素地を作ったのは22年のノーベル化学賞に輝いた根岸英一・米パデュー大特別教授だった。受賞直後、根岸氏は「資源が乏しい日本は人工光合成に注力すべきだ」と文部科学省幹部に直談判し、国家プロジェクトを立ち上げた。

 経済産業省も昨年11月、文科省と連携して10年間で計約150億円の予算投入を決定。28年度末に3%、33年度末に10%の変換効率を達成目標に掲げた。

 低コスト化や大規模な装置開発など課題は多いが、神谷教授は「新触媒を開発し、42年にメタノールの効率的生成を実用化したい」と話す。欧米や中国、韓国の追い上げは激しいが、実用化でも日本が優位性を確保し、エネルギー革命や経済成長につなげることが期待される。

 植物の光合成のように、太陽光のエネルギーを使って水と二酸化炭素(CO2)から有機物を作る「人工光合成」の研究が加速している。地球のありふれた物質から、燃料や工業原料を生み出す夢の技術だ。自然光を使った屋外実験や、植物並みの高い変換効率など国内企業による世界初の成果が相次いでおり、日本の新たなお家芸になりそうだ。
−−−産経新聞(25.7.27)






 ニュース・最新の動向


光合成のタンパク構造解明 太陽光発電応用も、岡山大 (27.5.29)

植物の光合成で重要な役割を果たすタンパク質の構造を岡山大の沈建仁教授(生化学)らのチームが解明し、29日付の米科学誌サイエンスに発表した。光合成と同じく光エネルギーを利用する太陽光発電などで、光を効率良く活用する技術への応用が期待される。

 このタンパク質は「光化学系1複合体」。植物の葉などにあり、光合成では、太陽光を吸収し、植物が利用できるエネルギーに変換する役割を果たす。

 今回解明したのは1複合体に含まれる、いずれも色素のクロロフィルやカロテノイドの数や配置。同様の配置を人工的につくれば、太陽光発電などでエネルギー利用の効率向上が望めるという。

ーーー(共同)東京新聞(27.5.29)
 



人工光合成へ一歩、重要物質の類似化合物を合成(27.5.8)

植物の光合成で重要な働きをする物質とよく似た化合物を作ったと、岡山大の沈建仁教授ら日中独の研究グループが発表した。

 水から水素などを生み出す「人工光合成」の実現につながる成果だと話している。論文は米科学誌サイエンスに8日掲載される。

 光合成では、光のエネルギーで水を分解して酸素や水素イオンを作り出す。この際、葉緑体内のたんぱく質が水の分解を促す働きをする。研究グループはこのたんぱく質の構造にそっくりの化合物を合成した。ただ、葉緑体のたんぱく質に比べて水の分解能力は0・5%にとどまった。

 沈教授は「化合物は天然のものと構造が一部異なっている。改良を進め、成功率を高めていきたい」と話している。

 野口巧・名古屋大教授(生物物理学)の話「光合成の仕組みはわかっていない部分が多い。今回の成果は、人工光合成の実現に向けて非常に大きな一歩と言える」
ーーー読売新聞(27.5.8)




水から高効率に水素生成(27.4.18)

エネルギーで化学反応を起こさせる「光触媒」を使って、世界最高レベルの約2%の変換効率で水から水素を生成することに成功したと東京大と三菱化学などのチームが18日までに発表した。今後は変換効率10%を目標にして、できた水素と二酸化炭素(CO2)を使って有機物を作る「人工光合成」の実現を目指す。
光触媒を配置したシート(中央)(人工光合成化学プロセス技術研究組合提供) 光触媒を配置したシート(中央)(人工光合成化学プロセス技術研究組合提供)

光触媒を配置したシートから発生する水素や酸素の泡(人工光合成化学プロセス技術研究組合提供)
光触媒を配置したシートから発生する水素や酸素の泡(人工光合成化学プロセス技術研究組合提供)

 チームは、金属のランタンやビスマスなどから作った水素発生用と酸素発生用の2種類の光触媒を無作為に配置したシートを水の中に入れ、太陽光に似せた光を照射した。
 その結果、それぞれの触媒から水素と酸素が生成された。光エネルギーから水素を作る変換効率は最高で2・2%、1時間平均で1・95%だった。
 太陽光から水素を製造するには、太陽電池を使って水を電気分解する方法もあるが、今回のように電力を使わない光触媒のみによる方法では変換効率が0・1%程度しかなかった。光触媒を無作為に配置したことや原材料を工夫したことで効率が上がったとみられる。
ーーー産経新聞(27.4.18)




宇宙から見た、地球上の植物が放つ“光合成”が教えてくれるもの(26.4.10)



地上の植物が放つ蛍光。2007〜2011年の6月初めの衛星データから作成した画像。

健康な植物の葉緑素は、光合成の際に光を吸収してエネルギーに変換するが、このとき同時に、(使われなかったエネルギーとして、熱放散と同時に)人間の目には見えないわずかな光を放つ。この蛍光(クロロフィル蛍光)を利用して、特定地域の植物の生産性を測定する方法が考案された。

米航空宇宙局(NASA)などの研究チームが考案したこの技法は、オゾンの監視など、まったく目的の異なる人工衛星から得た既存データを利用するものだ。この方法によって、北半球の植物の生育期には、米国の中西部が南米アマゾンの熱帯雨林を上回り、地球上で最も光合成活動が盛んになることが示された(ただし、年間ベースでは熱帯地域のほうが生産性が高い)。

中西部における光合成のほとんどは、米国の「コーンベルト」と呼ばれる地域の農業活動によるものだ。この地域では熱帯雨林と異なり、品種改良や遺伝子操作が施された作物が栽培されており、可能な限り生産性が高められている。

上の画像は、2007年から2011年にかけて収集されたデータを組み合わせたものだ。

クロロフィル蛍光を用いる手法は、農業活動のレベルを測定するうえで、現行のどんな手法よりも優れている、と研究チームは考えている。地上での炭素フラックス(大気や森林といった炭素プール間での炭素の移動量)の測定データや、作物収穫高の統計データなどと比較したところ、蛍光が示した結果は正確であることが裏付けられたという。
ーーー産経新聞(26.4.10)






光当たる人工光合成 低炭素社会実現へ激しい研究競争

太陽光と水、空気から効率良くエネルギーを作る――。植物の光合成のメカニズムを生かして、低炭素社会を実現させる研究が、大学や企業で熱を帯びている。日本は、「お家芸」であるモノ作りの技術を生かし、世界をリードする存在だ。強みを生かそうと、国も後押ししている。

 学校の理科の授業でも習う植物の光合成は、われわれが最もなじみのある自然現象の一つだ。葉で太陽光を集め、水と空気中の二酸化炭素をとりこみ、酸素と炭水化物に変える。

 光合成の反応の中に、水を酸素と水素に分解するプロセスがあり、これは5段階で進行する。原子レベルの詳しいしくみは未解明だったが、最近、最初の段階を進める酵素の構造を、日本の研究グループが突き止めた。この酵素は、光合成の主役である葉緑体に含まれるものだ。

ーーー朝日新聞(2014年1月6日)





世界初の「完全」人工光合成に成功 豊田中央研究所


トヨタ自動車グループの豊田中央研究所(愛知県長久手町)は20日、太陽光、水、二酸化炭素(CO2)のみを使った人工光合成に世界で初めて成功したと発表した。CO2吸収だけでなく、バイオ燃料の生成も可能といい、環境問題の解決策として注目されそうだ。

 人工光合成の研究は、1970年代から世界的に進められている。ただ、高濃度の紫外線や、特殊な薬品を使用する必要があり、植物と同様な自然状態での光合成の成功は例がなかった。

 今回の研究では、光合成の作用のうち、水を分解して酸素を作り出す反応を半導体に、CO2から有機物を取り出す働きをもうひとつの半導体と特殊な金属に担わせることで「自然状態」での光合成に成功した。有機物として酢酸に似たギ酸が生成されるが、アルコール成分などバイオ燃料の生成も可能という。

 梶野勉・主席研究員は「CO2を『資源』に活用できる可能性が開ける。エネルギー問題の解決につながれば」と話している。
−−−産経新聞(23.9.20)





CO2からアルコール 人工光合成、異端の発想で進化 (パナソニック研究所)

植物のように太陽光のエネルギーを使って二酸化炭素(CO2)と水からアルコールなどの有機物を生み出す「人工光合成」のテクノロジーが急速に進化している。今年に入ってエネルギーの変換効率が一けた向上、ついに植物並みのレベルに到達した。植物のメカニズム解明と再現に重きを置いた従来型アプローチとは全く違う“異端”の発想がブレークスルーをもたらした。

パナソニックが開発した人工光合成の仕組み

 2020年、年間10トンのCO2を吸収して6000リットルのエタノールを生産する敷地面積1ヘクタールの人工光合成プラントを稼働させる――。パナソニックの先端技術研究所は今、こんな夢を追いかけ人工光合成の技術革新に挑んでいる。決して夢物語ではない。研究メンバーらがそう信じるには訳がある。研究着手から3年目の今夏、0.2%という世界最高の変換効率(生成された物質が持つエネルギーを、照射した太陽光エネルギーで割った値)を実現したのだ。

 革新をもたらしたのは発想の転換だった。従来の研究は光合成で有機物を生み出す植物の複雑なプロセスを解明・再現することに主眼を置いていた。パナソニックはこのプロセスを可能な限り簡素化し、最も効率的に有機物を作り出すことだけを追求した。

 CO2と水素イオンなどから有機物を合成する化学反応を促す触媒には、植物の仕組みを模した有機触媒ではなく金属触媒を利用。無機材料だけで構成する高効率の仕組みをつくることに成功した。

 その仕組みには2つのポイントがある。1つ目は、半導体の窒化ガリウムを水中に入れて太陽光を当てると、水分子が酸素分子、水素イオン、電子に分解される光触媒反応だ。ここで大事なのは、電子が持つエネルギーレベルをいかに高くできるか。このレベルが低いと、有機物(ギ酸)をうまく作成できない問題が生じるのだ。

色の変化でギ酸の生成を確認する(人工光合成の実験装置

 水分子を高い効率で分解し、次の化学反応を促すよう、窒化ガリウムの表面にアルミを含む層を張り付けるなど工夫を重ねた。「電機メーカーとして培ってきた半導体や電気化学など専門家の技術を組み合わせた」(四橋聡史主幹研究員)という。

 2つ目のポイントは、水を分解して取り出した水素イオンと電子をCO2にくっつけてギ酸をつくる、インジウム系の金属触媒を使った反応だ。金属触媒は、従来使われてきた有機触媒に比べ反応速度を高められるため、照射する光を強くすると、それに比例してギ酸の生成量を増やすことが可能になる。

 この2つのポイントを組み合わせ、それぞれ改良を繰り返した結果、豊田中央研究所が同じく反応プロセスを簡素化し11年秋に達成した0.04%を一けた上回る0.2%の変換効率を実現した。これは、雑草の一種であるスイッチグラスの光合成の能力とほぼ同等という。

 金属触媒を銅系や銀系などに変えることでアルコールや炭化水素の生成にも成功。現在の変換効率はアルコールで0.03%にとどまるが、これを小数点一けた台まで引き上げるのが今後の課題だ。

金属触媒も改良を重ね、ギ酸を効率よく生成きるようにした

 カギを握る改善点が、光のエネルギーをどう有効活用するか。現在は太陽光の全波長の2%弱にあたる紫外線しか活用できていない。これを可視光まで広げる仕組みを考え出す必要がある。可視光は窒化ガリウムを透過してしまうため、窒化ガリウムの裏側で可視光をとらえる方法などがあるという。

 「植物のメカニズムを追求する従来の研究アプローチとは違う異端児」と山田由佳グループマネージャーは自分たちの研究チームを表現する。その異端児が突如、世界のフロントランナーに躍り出た。過去3年と同様、研究課題を1つずつつぶす地道な作業が今後も続く。

 研究メンバーらにはエタノールプラントの実現とは別のもう一つの夢がある。いつの日か、CO2から作ったアルコール飲料で祝杯をあげることだそうだ。

−−−日経新聞(24.12.10)




常温常圧の自然な条件で人工光合成:豊田中央研究所

空気と水から有用な物質を作り上げる人工光合成は、有機化学者の夢であり、1950年にカルヴィンとベンソンが植物の光合成における二酸化炭素固定反応の秘密を解き明かして以来、長く研究が続いてきた。

 現在は特殊な条件下であれば人工光合成が可能になった。太陽光よりも高いエネルギーを持つ紫外線を照射する他、装置の外部から電力を供給する、酸化還元反応を仲立ちする犠牲試薬を加えると言った手法を採れば空気と水から有機物を作り出せる。しかし、これらの方法は外部から太陽光以外のエネルギーを加えている。植物のように常温常圧で外部電力なし、自然の太陽光だけで光合成を進められないのだろうか。

 トヨタグループの研究開発企業である豊田中央研究所は、2011年9月20日、人工光合成の実証に世界で初めて成功したと発表した*1)。「ずる」をせず、CO2(二酸化炭素)とH2O(水)からHCOOH(ギ酸)*2)を合成した(図1)。常温、常圧、太陽光と同じ光強度(1kW/m2)で反応が進み、水に加えた物質は無機の電解質のみだ。「実験の再現性は高いと考えており、他の実験グループによる追試の結果が楽しみだ」(豊田中央研究所で首席研究員を務める梶野勉氏)。


人工光合成の構成 図左側で太陽光のエネルギーを利用して水を酸化してO2(酸素)とH(プロトン)を得る。光触媒としてTiO2を用いた。図中央にはプロトンだけを通すプロトン交換膜を置く。図右側でCO2(二酸化炭素)をプロトンと結合させて還元し、HCOOH(ギ酸)を得る。水を電子ドナーとプロトンソースとして利用し、2ステップ光励起システムを作り上げたことが特長。反応式は、CO2+H2O→HCOOH+1/2O2 出典:豊田中央研究所

 実験では、太陽エネルギーの変換効率は0.03〜0.04%だった。植物の光合成の1/5程度にせまっている。最初の実証実験としては高い値なのではないだろうか。今後はCH3OH(メタノール)など、より付加価値が高く、例えば燃料電池の燃料として直接利用できる物質の合成に挑戦するという。

どうやって成功させたのか
 人工光合成の取り組みはこれまでも部分的には成功していた。例えば、効率は低いものの、半導体であるTiO2を使って、水から水素を生成できる。だが、豊田中央研究所の実験でも半導体だけでは、CO2からHCOOHは合成できなかった。

 図1の右側にある反応をいかに進めるかが、カギだった。答えは金属錯体*3)ポリマーと半導体を組み合わせることにあった(図2)。

図2 CO2還元光触媒の機能 半導体(図中左の灰色)内部で電子eの光励起が起こり、金属錯体(図中紫色の板)上で、CO2と、Hが集まって還元反応が起こり、電子を受け取って、HCOOHが生成する。出典:豊田中央研究所

 金属錯体はCO2の光触媒として機能し、反応の量子効率や電流効率が高い他、狙った物質だけを合成する選択性が高かった。しかし、水から電子を抜き出してCO2を還元できるものが見つかっていない。このため従来は(CH2OHCH23N(トリエタノールアミン)のような犠牲試薬を使っていた。

 半導体材料は水から電子を抜き出せる。CO2を還元できるわけだ。しかし、効率が低い上に、実際には水素合成が優先されてしまい、有機物が生成しない。

 豊田中央研究所は、この2つを組み合わせた。「Zn(亜鉛)でドープしたInP(インジウムリン)半導体基板上にRu(ルテニウム)金属錯体を垂らして乾燥させるドロップコート法で反応面を作成した」(梶野氏)。

効率を高めるためにはどうすればよいのか

 植物並の変換効率を実現するにはどうすればよいだろうか。2つ手法があるという。半導体の選択と、アンカー配位子を含めた金属錯体の選択だ。

 どのような半導体が人工光合成に必要なのだろうか。「2つ条件がある。CO2を還元する能力が要求されるため、伝導帯の最小エネルギー(ポテンシャルエネルギー)が高い半導体でなくてはならない。次に、電子を放出しやすい必要があるため、p型特性が高くなくてはならない」。そこで、N(窒素)ドーブしたTa2O5(酸化タンタル)と、GaP(ガリウムリン)、InP(インジウムリン)という3種類の半導体を実験対象として選んだ。

 実験を進めると、Ta2O5よりも、InPの方がCO2の生成率が高いことが分かった。これはInPの方がポテンシャルエネルギーが高いことで説明できる。ところが、GaPはInPよりもポテンシャルエネルギーが高いのにもかかわらず、生成率はInPの方が高い。「半導体の格子欠陥など、ポテンシャルエネルギー以外の特性が影響している可能性があり、今後の研究目標の1つだ」(梶野氏)。

 実験では4種類の金属錯体とその組み合わせを試した。このうち、最適な組みあわせが見つかったことで変換効率が高くなった。今後は、アンカー配位子について研究を進める必要があるという。半導体と金属配位子はドロップコート法で物理的に結合しているだけであり、界面でも物質同士は別々だ。これでは金属錯体が半導体からはがれやすくなる。そこで半導体と強い化学結合を起こす配位子を金属錯体に入れ込んだ。これがアンカー(錨)配位子だ。「アンカー配位子の役割はもう1つあるようだ。アンカー配位子を加えることで還元反応が劇的に増強されたからだ。アンカー配位子が半導体から金属錯体への電子移動を助けている可能性がある。今後はフェムト秒オーダーの高速分光分析を進めて、アンカー配位子の機能を探る」(梶野氏)。

さらに複雑な有機物を作るには

 HCOOHよりもCH3OHの方がさまざまな用途が開けていく。狙った有機物を作り上げるにはどうしたらよいのだろうか。

 「今回の実験では、Ru錯体の表面上に反応場が出来上がり、CO2が吸着されて、2電子を受け取り、Hと結合してHCOOHが生成している。つまり金属錯体の設計によって生成物を制御できるはずだ。次の大きな目標はC(炭素)を2つ含む有機物の合成だ。常温常圧下で金属錯体触媒を使ってC-C結合を作り上げたという報告はない。これが実現すれば、作り出せる物質の種類が飛躍的に増えるだろう」(梶野氏)。

−−−アイティメディア株式会社(Mono ist)




人工光合成で燃料製造へ 大阪市立大、研究センター開設


大阪市立大学は18日、大阪市住吉区の杉本キャンパスに人工光合成研究センターを開いた。航空機や自動車などの燃料になるメタノールを人工的な光合成で作り出す研究を進める。今後、企業との共同研究を呼びかけ、産学連携の拠点にも活用する方針だ。

 人工光合成は植物の光合成と似た技術で、水と二酸化炭素から太陽光を使って燃料となる化合物をつくる。大阪市大は太陽光を効率的に集めてエネルギーに転換する研究などが進んでいる。大学に専門の研究所を設けるのは全国でも珍しいという。

 センターの建物は鉄筋コンクリート造3階建てで延べ床面積1500平方メートル。入居企業向けに2階に研究室、3階に実験室を設けた。市が8億8000万円を投じた。

 光合成を研究する神谷信夫教授を所長に大阪市大の研究者が2人体制で、企業研究者の受け入れを想定している。

 大阪市大は開所を機に光合成の仕組みづくりの開発を本格化し、2019年の技術確立を目指す。開発した技術を活用してもらい、企業のメタノール生産に役立ててもらう。

 18日の開所式には大阪商工会議所副会頭、シャープ執行役員ら80人以上が出席した。
−−−日経新聞(25.6.19)









アメリカの人工光合成センター(JCAP)情報

人工光合成センター (JCAP) は、米国最大人工太陽光燃料発電技術開発研究プログラム専用研究所です2010 年に、米国エネルギー (DOE) エネルギーイノベーション ・ ハブとして設立されJCAPは日光二酸化炭素のみを使用して燃料生産するコスト効果の高い方法発見すること目的とする。

JCAP は、日光、水と二酸化炭素だけの原料から、水素、炭素ベースの燃料などのエネルギー密度の高い燃料を生産する新しい方法を発見を目指す。人工光合成バイオ燃料生産プロセスよりも大幅により効率的でスケールアップしたものを目指し、耕作可能な土地や農業の原料、エネルギーや水の実質的な原料を必要としない。成功の場合は、最終的に商業開にどこにでも簡単に配置できるように設計された太陽燃料システムを導入できる可能性がある。

JCAP は、研究材料設計や、新しい光の基本的な発見から、完全に機能するのプロトタイプのテストに至るまでの成果を求めて努力する。


二酸化炭素のみ使用クリーン再生可能な燃料生成する人工光合成システム概念




電極表面水素イメージ

JCAP科学者は、電極表面水素反応速度イメージを作成する方法開発したレーザー走査共焦点蛍光顕微鏡と組み合わせて pH 感受性 fluorophores技術で、電極表面pH 勾配定量的イメージングにおける水分解の速度を示すもの。




穴は光陽極の酸化又は水の酸化をするか?
Photocorrosion挙動予測
水溶液における化合物半導体熱力学的安定性を調べる方法JCAP 研究者によって開発された太陽燃料世代デバイスにおける酸化及び還元 photocorrosion 挙動予測基づいている。


電子顕微鏡で見る世界:

電子ビームで作られたシリコン柱


ポリクリスタルタングステン



シリコン柱とピットパターン化


エッジングされたシリコン


シリコンの表面にチオフェン分子を付けた構成図








iPS細胞・人工細胞、人工多能性幹細胞

人工多能性幹細胞(じんこう たのうせい かんさいぼう、英: induced pluripotent stem cells)とは、体細胞へ数種類の遺伝子を導入することにより、ES細胞(胚性幹細胞)のように非常に多くの細胞に分化できる分化万能性 (pluripotency)と、分裂増殖を経てもそれを維持できる自己複製能を持たせた細胞のこと。

肺の再生へのiPS細胞の適用例を示す模式図/再生医療におけるiPS細胞の実用化は未だ成されていない。


iPS細胞

英語名の頭文字を採って iPS細胞(アイピーエスさいぼう:iPS cells, iPSCs)と呼ばれるほか、英語名の意訳で誘導多能性幹細胞(ゆうどう たのうせい かんさいぼう)とも呼ばれる。 命名者の山中教授が最初を小文字の「i」にしたのは、当時世界的に大流行していた米アップルの携帯音楽プレーヤーである『iPod』のように普及してほしいとの願いが込められている。

2006年(平成18年)、山中伸弥率いる京都大学の研究グループによってマウスの線維芽細胞(皮膚細胞)から初めて作られた。


脱分化多能性の概要 大人細胞多能性または全能に戻すさまざまな方法が存在する全能場合成熟した中期 II 卵母細胞細胞移植 (ウィルマット et al., 1997年) を介して媒介される最近は除核受精卵または核膜破り化学的に有糸分裂間に初期割球染色体転送 と呼ばれるプロセス全能サポート実証されている



細胞の初期化、山中博士とガードン博士の違い







iPS細胞、初の患者治療 14年夏にも (25.6.27)


厚生労働省の審査委員会は26日、理化学研究所などが申請していたiPS細胞を使う臨床研究計画を承認した。目の難病になった患者が対象で、2014年夏をメドにiPS細胞を使った初の治療が国内で始まる。京都大学の山中伸弥教授が人のiPS細胞を開発してから6年あまりで、同細胞を使う再生医療が実現に向けて大きく動き出した。

臨床研究は理研の高橋政代プロジェクトリーダーと先端医療振興財団(神戸市)などが計画し、今年2月に厚労省へ申請した。目の網膜の病気で失明の恐れもある「加齢黄斑変性」という難病が対象で、日本人に多い「滲出(しんしゅつ)型」の患者に実施する。物がゆがんで見えたり視野の中心部が暗く見えたりする。国内に70万人の患者がいるとされ、根本的な治療法はない。

 同日開いた厚労省の審査委員会は国の指針に基づいて審査し、安全性や倫理面で問題はないと結論づけた。ただしiPS細胞ががんを起こさないことなどを確認するとの条件を付けた。7月中旬に厚生科学審議会(厚生労働相の諮問機関)の科学技術部会で審議に諮って厚労相に答申。理研などが臨床研究を実施する。実質的な審査は今回で終わった。iPS細胞の臨床研究が承認されたのは世界で初めて。

 高橋プロジェクトリーダーは「正式な通知を受けていないので詳細は分かりませんが、慎重かつ迅速に審査していただいた。(委員会から出た)条件については詳細を確認した上で対応したい」とのコメントを発表した。

 研究は同財団の先端医療センター病院(同市)と神戸市立医療センター中央市民病院が連携して手がけ、8月にも患者の治療に向けた準備を始める。患者の中から50歳以上で既存の薬が効かず、眼鏡などで矯正しても視力0.3未満などの条件を満たした6人を選ぶ。

 患者自身の皮膚などの細胞からiPS細胞を作った後、シート状の網膜細胞に育て患者の網膜の傷んだ部分と入れ替える。皮膚細胞からシートを作るには約10カ月かかるため患者の目に移植する治療は来夏になる見込み。治療を受けた患者は視力の大幅な回復は難しいものの、病気の進行は抑えられ、失明は避けられると期待される。

 今回の臨床研究は安全性を最優先して進める。移植してから1年間は1〜2カ月に1度の頻度で検査し、その後も3年間は経過を観察する。iPS細胞はがん細胞になる可能性が指摘されているが、目はがんになりにくいとされている。万が一、がんになってもすぐに診断できるうえ、治療も比較的容易であることなど患者の安全面を配慮した。

 全国の病院で多くの患者が治療を受けられるようになるには、今回の臨床研究が成功するかどうかを慎重に見極める必要があるため、時間がかかる見通し。
−−−日経新聞(25.6.27)








iPS細胞、世界初の臨床応用へ 目の難病向け、国了承


iPS細胞(人工多能性幹細胞)が世界で初めて、人の病気の治療研究に使われることになった。26日、目の難病・加齢黄斑変性の臨床研究計画についての国の審査が実質的に終わり、来夏にも移植手術が行われる。人での作製発表から6年で、iPS細胞は、再生医療への応用に向けて大きく動き出した。


日本発のiPS細胞(人工多能性幹細胞)の実力がいよいよ医療の場で試される。山中伸弥京都大教授がヒトで作製してから6年。治療法がなく、長年苦しんできた患者の期待は膨らむ。ただし、まだ安全性を確認する段階だ。冷静に受け止める声もある。「患者さんみなさんにとって、よかったです」大阪府茨木市の田村幸子さん(82)は26日、臨床研究計画の審査終了を聞いて、こう語った。

 iPS細胞のような新しい幹細胞技術は人体への影響がわからないことが多く、厚生労働省の指針で国が審査することになっている。理化学研究所発生・再生科学総合研究センター(神戸市)の高橋政代プロジェクトリーダーらのチームが2月、審査委に申請した。

 審査委は、iPS細胞が移植後に異常な振る舞いをしないかなど今回の研究の第一の目的である安全性の確認について集中的に議論した。
−−−朝日新聞(25.6.27)






iPS細胞の利用方法



ips細胞を使った初めて承認された臨床試験の流れ




ips細胞を使った目の治療計画





ips細胞を使った医療や研究開発;心筋細胞、神経細胞、赤血球、肝細胞、再生医療、治療法や薬の開発


    
ips細胞を利用した再生医療や新薬の期待




ips細胞から分化された細胞;神経細胞、線維芽細胞、心筋細胞等



ips心筋細胞を用いた人間への心筋細胞移植





人クローン胚のES細胞とiPS細胞の違い





自由診療で行われる幹細胞治療と問題点







世界初、iPS細胞から筋肉細胞、筋ジストロフィー治療に光 京大


さまざまな組織や臓器になるヒトの人工多能性幹細胞(iPS細胞)から腕や足を動かす筋肉「骨格筋」の細胞を効率よく作ることに京都大iPS細胞研究所の桜井英俊講師のチームが成功、24日付の米オンライン科学誌プロスワンに発表した。さらに筋肉の萎縮と筋力低下が起きる筋ジストロフィーの一種の患者の細胞から作製したiPS細胞を骨格筋にし、病態を体外で作り出すことに世界で初めて成功。筋疾患の治療法開発や新薬の試験に役立つと期待される。

 チームは、細胞の運命を骨格筋に変える遺伝子「MyoD1」をiPS細胞に導入し働かせて培養。9日後に70〜90%の高い割合で骨格筋細胞になった。さらに6日後には、電気刺激により収縮するなど機能性を持つ骨格筋細胞ができた。

 これまでは、骨格筋細胞のもとになる中胚葉という細胞集団をiPS細胞から作った後にMyoD1を働かせていたが、中胚葉になる前に働かせることで、40%程度だった作製効率を向上させた。
−−−産経新聞(25.4.24)










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