理化学研究所など 迅速な自己修復性ポリマーの開発に成功

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2021年12月10日

 理化学研究所と大分大学の共同研究チームはこのほど、2種類の極性オレフィンとエチレンの精密三元共重合により迅速な自己修復性能を示すポリマーの創製に成功した。

 従来の自己修復性材料は、水素結合やイオン相互作用などを利用するため、水や酸などで壊れやすく、自然環境下ではほとんど機能しない。同グループは以前、独自の希土類触媒により、優れた自己修復性能を示すエチレンとアニシルプロピレン類の二元共重合ポリマーを開発。アニシルプロピレン上の置換基が物性や自己修復性に影響するため、今回、置換基の異なる二種類のアニシルプロピレン(ヘキシルアニシルプロピレン、メトキシアリールプロピレン)とエチレンとの三元共重合に取り組んだ。

 スカンジウム触媒・エチレン一気圧の条件下、一段階で高分子量ポリオレフィンとなり、伸び率約1400%、破断強度約3M㎩のエラストマー物性を示した。構造解析と物性測定の結果、「ヘキシルアニシルプロピレン・エチレン」交互ユニットが柔軟成分、「エチレン・エチレン」の固い結晶ユニットと「メトキシアリールプロピレン・エチレン」交互ユニットが物理的架橋点として働く、三元共重合体であることが分かった。

 切断面をくっつけると、これら架橋点が分子間相互作用で再凝集して自己修復する。大気中では5分で引っ張り強度が97%回復し、対応する二元共重合体の5日間に比べて大幅に短縮した。水や酸、アルカリ性水溶液中でも、48時間程度で自己修復した。ヘキシル基の導入で柔軟成分が動きやすくなり、メトキシアリール基の導入で架橋点が増えたためであると考えられる。また、2種類のアニシルプロピレン類の組成比を変えることで、ガラス転移点をマイナス31℃~98℃の任意の温度で制御できた。

 今回の成果は、今後の自己修復性材料の設計・開発に重要な指針を与えるものだ。このポリマー合成は簡便で、置換基の種類やモノマー組成比によって熱物性・機械物性を制御できるため、様々な環境下で自己修復し、実用性の高い新規機能性材料の開発への貢献が期待される。

理化学研究所 無溶媒で超分子ポリマーの精密重合に成功

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2021年12月2日

 理化学研究所はこのほど、フタロニトリル分子からフタロシアニンの超分子ポリマーを無溶媒条件下で合成することに成功した。超分子ポリマーはモノマーが非共有結合で連結したもので、モノマーにまで切断・再利用できるため、持続可能な社会の実現に向けて有望だ。

 一般に、超分子ポリマーは溶媒中で生成させる。無溶媒条件で生成した超分子ポリマーは、その構造を保ったままで使用できるメリットはあるが、反応が不均一になりやすく、鎖長や異種モノマーの順番をそろえた精密合成は不可能だと考えられてきた。

 今回、アミド含有ジチオアルキル基を2個もつフタロニトリル分子を合成。それをガラス板に挟み、160℃で溶融させると、緑色の繊維状結晶が生成し成長した。紫外可視光吸収測定とマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析により、フタロニトリル4分子が環化してできたフタロシアニンで構成されていることが分かった。

 偏光顕微鏡観察から高い結晶性をもつこと、粉末X線回折、X線小角散乱、制限視野電子回折による構造解析から、フタロシアニンがアミド同士の水素結合を介して一次元に連結した超分子ポリマーであることが分かった。また、金属塩を共存させると、金属フタロシアニン単独の超分子ポリマーが生成した。

 フタロニトリルの加熱とともに、フタロシアニンの吸収波長700㎚の光吸収が増加。その増加挙動から、フタロシアニンが自己触媒的に生成している可能性が示された。190℃24時間加熱後のフタロシアニン収率は83%で、通常の液相合成の20~25%に比べて極めて高い。これは、ポリマー末端のフタロシアニン上に四つのフタロニトリルが水素結合と双極子相互作用で環状に配列する「自己触媒作用」のためだと考えられる。

 これはリビング重合であり、フタロシアニンと金属フタロシアニンの順番や長さを精密に制御したブロックコポリマーを合成することも可能だ。通常の化学合成では反応を均一にするために大量の溶媒が使われるが、この反応系に溶媒を用いると、これらの特性は発現しない。

 今回の結果は、ポリマーの精密合成に対する先入観を一掃し、持続可能な社会の実現に向けた理想的なポリマー製造プロセスの姿を示すもので、大きなインパクトを与えるものだとしている。

理化学研究所 マイクロ波と光の協働で合成反応を促進

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2021年11月26日

 理化学研究所はこのほど、東京大学と京都大学との共同研究グループが光とマイクロ波の協働的な触媒的化学合成反応系の開発に成功したと発表した。

 マイクロ波には、電子レンジに応用されているような局所的・効率的な加熱効果がある。近年、マイクロ波を照射したときにだけ観測される化学反応や反応の加速効果が数多く報告され、加熱効果とは異なる原理による「非熱的マイクロ波効果」の機構解明や応用研究を行う「マイクロ波化学」という新しい研究分野も確立されている。固体表面上の反応に関する機構は解明されつつあるが、有機単分子でのマイクロ波効果についてはほとんど知られていない。

 今回、フェニルアセチレンを光触媒とするジメチルスルホキシドの酸素酸化反応系で、有機分子に対するマイクロ波効果の観測に成功した。まず光照射により、フェニルアセチレンの基底状態S0の電子はS1準位に励起され、速やかに隣のT1準位へ移動する。このT1準位の電子は酸素分子を活性化し、この活性酸素によりジメチルスルホキシドは酸化され、牛乳や穀物などに含まれ健康食品などに使われるジメチルスルホンになる。このT1準位は3つの副準位に分かれている。

 光励起した電子のほとんどは中位のT1(2)準位に入るが、寿命が短いため酸素分子の活性化収率は低い。これらの副準位間のエネルギー差に相当する2.45㎓のマイクロ波を照射することで、電子が長寿命の副準位T1(1)、(3)に移動すれば、酸素分子の活性化収率が上がりジメチルスルホンの収率が上がることが期待される。1気圧の酸素雰囲気下、光量450㎚・30㎽/㎠、50℃、48時間反応させたときの収率は、マイクロ波ありで77%、マイクロ波なしで21%、光なしで0%、触媒なしで4%であった。この反応系では光と触媒が必須であり、マイクロ波が反応効率の向上に大きく影響していることが分かった。

 光・マイクロ波協働効果により低出力のマイクロ波で効率的に光触媒反応を促進させることが可能で、省エネルギー合成法として注目されるマイクロ波化学反応の機構解明や、新たなカーボンニュートラル合成法の開発への貢献が期待される。

ユーグレナら アミノ酸・有機酸の発酵生産、pHで影響

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2020年10月29日

 ユーグレナと明治大学、理化学研究所の研究グループはこのほど、微細藻類ユーグレナ(和名:ミドリムシ)の発酵による有機酸やアミノ酸などの有用産物の生産について、その種類と生産量が発酵時のpHやバッファー(緩衝液)によって変化することを発見した。

 ユーグレナは食品や飲料に利用され認知度が上がってきた。光があると光合成によりCO2を固定して多糖のパラミロンを生産。暗所では蓄積したパラミロンを分解して様々な物質を作り、特に無酸素の発酵条件ではコハク酸などの有機酸やグルタミン酸、グルタミンなどのアミノ酸を細胞外に放出する。パラミロンは免疫調節機能や抗ウイルス作用などが期待され、コハク酸は貝の旨味成分でもあるがバイオプラスチックの原料にもなる。グルタミン酸やグルタミンは旨味成分の原料や栄養補助に使われる。また、ワックスエステルも発酵で作られ、ジェット燃料への利用が進められている。

 今回、発酵時の培地pHを3~8の6条件、3種類のバッファーの組み合わせで3日間発酵させ、コハク酸、グルタミン酸、グルタミンの生産量と細胞の形態変化を調べた。

 グルタミン酸やグルタミンの生産量は酸性で多く中性では少ない傾向。コハク酸はpHによらずバッファーの種類に大きく影響され、酢酸バッファーでは大きく減少した。発酵後の細胞形態は酸性では紡錘形、中性では円形の傾向にあったが、生産量との関係性は低かった。発酵時の細胞密度を10倍に上げたところ、コハク酸の生産量は10倍近くに増加したが、グルタミン酸は1.5倍程度にとどまった。

 今後、発酵生産物の量や種類を決定する因子のメカニズムレベルでの解明が求められる。ユーグレナは食品、化成品、燃料など様々な物質を生産する能力があるため、CO2からの物質生産系が発展することで、環境にやさしいものづくりの可能性が期待されている。

日本触媒 バイオマス由来難重合性モノマーの重合技術を開発

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2020年10月8日

 日本触媒はこのほど、理化学研究所との共同研究チームが、バイオマス由来の難重合性モノマーの重合について、効率的に高分子量化できる重合システムを開発し、高性能なポリマーを得ることに成功したと発表した。

 バイオマス資源からは、不飽和炭素‐炭素二重結合をもつ脂肪族化合物や芳香族化合物が数多く得られる。ケイ皮酸モノマーやクロトン酸モノマーは、β位に置換基があるα,β‐不飽和カルボン酸化合物(β置換アクリレート)に分類することができる。これらを重合して得られるポリマーはモノマー単位当たり2つの光学中心をもち、高度に立体規則性を制御することができるため、バイオマス由来の高性能・高機能な新規樹脂素材の創出が期待される。

 しかしながら、β置換アクリレートは、β位置換基の立体的、あるいは電子的要因で通常のラジカル重合法では高分子量化が困難な難重合性モノマーの1つ。また、数少ない重合例では、工業的には実現困難な反応条件を必要とするなど、実生産への多くの課題もあった。

 両者の共同研究チームは、β置換アクリレートの重合に対して、モノマーを活性化させることで重合を進める点が特徴的である有機酸触媒を用いたグループトランスファー重合(GTP)技術が適用可能であることを見出だした。そして、技術開発を進めるとともに、重合メカニズムを解明することで、高分子量化を阻んでいた要因を特定し、重合を効率化するための知見を見出だした。 

 さらに、使用する有機酸触媒や開始剤の置換基構造を検討して重合条件を最適化することで、温和な条件下で効率的に高分子量化を実現する重合技術の開発に成功した。得られたケイ皮酸系ポリマーは、ポリカーボネートと同等、あるいはそれ以上の耐熱性を示すとともに、多くの薬剤への耐薬品性を示す。また、機械的性質については、高強度な材料への展開が期待できる。

 一方、クロトン酸系ポリマーは、ポリメチルメタクリレート(PMMA)に匹敵する透明性をもちつつ、メタクリレートポリマーに比較して高い耐熱性、および耐薬品性を示す。これらの特徴は、高度に制御された立体規則性によって発現する液晶性に起因するものであると考えられる。両者は今後、生産技術の確立を進めるとともに、ポリマー用途開発を加速していく。

ケイ皮酸系ポリマー
ケイ皮酸系ポリマー
クロトン酸系ポリマー
クロトン酸系ポリマー

宇部興産 CO2回収・資源化プロセス、NEDO事業に

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2020年9月10日

 宇部興産は9日、東京大学、大阪大学、理化学研究所、清水建設、千代田化工建設、古河電気工業と共同で提案した、「電気化学プロセスを主体とする革新的CO2大量資源化システムの開発」プロジェクトが、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託事業に採択されたと発表した。

 同事業は、「ムーンショット型研究開発事業/2050年までに、地球再生に向けた持続可能な資源循環を実現」に公募したもので、委託期間は2022~2029年度の最大10年間の計画となっている。

 地球環境の保全のためには、社会活動により生じる温室効果ガス(GHG)の削減が必要であり、中でもCO2が非常に高い割合を占めている。日本は、「パリ協定に基づく成長戦略としての長期戦略」(閣議決定)の中で、2050年までに80%のGHGの排出削減に取り組むことを宣言。GHGの削減は、緊急対策が必要な地球規模の大きな問題となっている。

 また、昨年に示された「カーボンリサイクル技術ロードマップ」(経済産業省)では、CO2を資源として捉えて有効利用する「カーボンリサイクル技術」を通して、排出量を抑制する方針が示され、革新的な技術開発が求められている。

 こうした状況下、NEDOは、ムーンショット目標4の達成を目指す研究開発プロジェクトに着手。今回、採択された委託事業では、電気化学技術を主体とし、400ppm~15%程度の幅広い濃度範囲の気体中CO2濃度に対応し、かつ分散配置が可能なCO2回収・有用化学原料への還元資源化プロセスの開発を目指す。

 具体的には、大気中に放散された希薄なCO2と放散される前のCO2を回収し、再生可能エネルギーを駆動力として電気化学的に富化/還元し、有用化学原料を生成するプロセスまでの統合システムを開発。これにより、カーボンリサイクルの基盤を構築する。共同研究者は、今回の事業採択を受け、希薄な濃度に対応可能なCO2回収・資源化に係る革新的技術を産学官の協働により開発するとともに、統合システムの実用化と普及に向けた取り組みを加速する。

 

神戸大など 糖で微生物を制御しポリマー原料生産向上

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2020年1月24日

PMPE技術による大腸菌を用いたモノづくりのイメージ図
PMPE技術による大腸菌を用いたモノづくりのイメージ

 神戸大学などの研究グループは、糖を使い分けることで微生物の増殖と物質生産を独立してコントロールする「Parallel Metabolic Pathway Engineering(PMPE)」という新しい技術を開発し、ナイロンの前駆体となるムコン酸の生産性向上に成功した。

 神戸大学大学院工学研究科の藤原良介博士後期課程学生(日本学術振興会特別研究員DC1)、田中勉准教授、理化学研究所環境資源科学研究センターの野田修平研究員らの研究グループは、科学技術振興機構(JST)などの助成を受け新技術の開発に取り組んだ。

 同研究では、食糧生産と競合しないリグノセルロース系バイオマスの、主な加水分解物の糖であるグルコースとキシロースに着目。このグルコースをモノづくりに、キシロースを微生物の増殖に使えるような代謝デザインを施した大腸菌を構築した。

 微生物を利用したモノづくりでは、原料が微生物自身の増殖などに利用されるため目的生産物の生産性が低下する一方、増殖を制限すると微生物が弱り全体の生産量が減るという問題がある。これは、通常の微生物では、取り込んだグルコースとキシロースを1つの代謝系で代謝し、目的物質を生産すると同時に微生物が生きるために使用するため。

 そこで、PMPE技術では、微生物の代謝を2つに分けて糖代謝を独立させることにより、グルコースは全て目的物質の生産に、キシロースは微生物の生育・維持のために使われるようにした。グルコースは生育・維持のためには一切使われないため、収率を大きく向上させる。

 同研究では、改変した大腸菌にムコン酸生産経路を導入し、グルコースとキシロースからムコン酸生産を行い、最終的にムコン酸を4.26g/ℓ生産することに成功した。その収率(理論上の最大収量に対する実収量)は世界最高値となる、1gのグルコース当り0.31gとなった。

 さらに、PMPE技術の他の目的生産物への応用を検討した結果、芳香族化合物であり必須アミノ酸でもあるフェニルアラニンや、食品や医薬品の添加剤として用いられる1,2‐プロパンジオールの生産性を向上することにも成功。PMPE技術が様々な物質の生産性・収率の向上に有効であり、汎用性の高い技術であることを示した。

 糖を使い分けさせることで微生物の代謝を制御するPMPE技術により、さまざまな糖類が混在する実バイオマスの有効利用にも大きく貢献できると考えられている。

理研 触媒反応開発時のデータ駆動型分子設計に成功

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2019年9月30日

 理化学研究所(理研)はこのほど、環境資源科学研究センター触媒・融合研究グループの山口滋基礎科学特別研究員と袖岡幹子グループディレクター(開拓研究本部袖岡有機合成化学研究室主任研究員)の研究チームが、有機合成の「不斉触媒反応」について、不斉収率決定段階の反応中間体の構造を用いたデータ解析を行い、不斉収率が向上する分子設計に成功したと発表した。

 医薬品などファインケミカルの合成に不可欠な不斉触媒反応の開発では、不斉収率が向上する基質分子や触媒分子の設計を行うことが重要。同研究成果により、触媒反応開発の効率化に向けたデータ駆動科学に関する研究が加速すると期待できる。

 人工知能・データ科学は現在、研究者の試行錯誤により行われている触媒反応開発を自動化・高速化すると見込まれている。しかし、データ科学的手法を用いた場合、精度の高い予測ができるのは、解析に用いたデータの範囲内に限られるため、手持ちのデータを超える機能を示す分子のデータ駆動による予測・設計は簡単ではない。

 今回、研究チームは、不斉収率が決まる段階の反応中間体の構造を用いてデータ解析を行うと、不斉収率が向上する分子設計を可能にする構造情報を抽出・可視化できることを発見。そして可視化した構造情報をもとに基質と触媒分子の設計を行い、基質に関して不斉収率が向上することを実験的に確認した。

 なお、同研究は、日本化学会の科学雑誌「Bulletin of the Chemical Society of Japan」のオンライン版(9月11日)に掲載された。

東洋紡 RNA解析キット販売、理研の技術を製品化

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2019年9月20日

 東洋紡はこのほど、理化学研究所(理研)の生命機能科学研究センター・バイオインフォマティクス研究開発チームが開発した「一細胞完全長トータルRNAシーケンス法「RamDA‐seq」を簡便に活用できる「RNA解析キット」を製品化したと発表した。

RNA解析キット
RNA解析キット

 理研の技術指導のもとに製品化した「RNA解析キット」は、様々な試薬や取り扱いマニュアルなど、「RamDA‐seq」を用いたRNA解析に必要なコンポーネントをキット化したもの。

 理研が発表した論文や実験手順書で指定される試薬が予めキットとして調整されているため、マニュアル通りの手順を踏むことで解析用のサンプル調製をスムーズかつ安定して行うことが可能になる。

 今月30日から、がんなどの治療薬を開発する製薬会社や研究機関向けに販売を開始。2022年度に年間10億円の売上を目指す。

 日本国内では今年6月からゲノム医療の保険適用が開始され、個々の患者の遺伝子を解析することで、適切な治療法や薬剤を選択する個別化医療が進展している。

 近年、遺伝子配列に変異が起きるような、がんなどの疾患については、個々の細胞で性質が異なるため、1つ1つの細胞に含まれるすべての遺伝子を解析することの有効性が示されてきた。しかし、従来の方法では、1つの細胞に含まれる微量なRNAから、疾患の原因となる変異をもれなく計測することが困難だった。

 理研は昨年2月、対象となるRNAを偏りなく増幅し、RNAの発現量と完全長を一細胞で計測できる「RamDA‐seq」を開発。1つの細胞の中に存在するRNAの種類と量を網羅的に計測する方法を実現した。

 これにより、これまで検出が難しいため機能がよく分かっていなかった、非ポリA型RNAをはじめとする多様なRNAをもれなく計測することができ、疾患の原因となる遺伝子情報の異常について、解析の精度を飛躍的に高めることに成功した。

 東洋紡が販売する「RNA解析キット」により、一細胞レベルの多種・多量なRNAの変異の解析を容易にする「RamDA‐seq」の普及が拡大し、基礎研究から再生医療・ゲノム医療まで多くの分野の発展に貢献することが期待されている。

理化学研究所 体内時計を安定化する新しい仕組みを発見

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2019年3月1日

 理化学研究所(理研)はこのほど、数理創造プログラムの研究チームが、「体内時計」が温度によらず約24時間周期で時を刻むメカニズムには、生体分子の振動波形のひずみが重要であることを発見した。

 同研究の成果は、これまでの体内時計の研究にはない新しい着眼点。今後、生体分子の時系列波形についての高精度な測定による実験検証が行われれば、波形の解析による体内時計の詳細なメカニズムの解明につながると期待される。

 地球上の多くの生物は、地球環境の1日の変化に適応するために、約24時間周期の体内時計を持っている。生物の体内時計は、化学反応のネットワークによって構成。一般に、温度が高くなるほど化学反応は速く進むが、体内時計の周期は温度によらず約24時間でほとんど変わらない。この性質は、「体内時計の温度補償性」と呼ばれている。

 今回、研究チームは、体内時計の数理モデルを解析し、化学反応の速さと体内時計の周期との関係式を導き出した。その結果、温度が高くなっても周期が安定であるためには、温度が高くなるとともに生体分子の振動波形がサイン波よりひずむことが必要であると分かった。

 体内時計の数理モデルを含む多くの振動系について、波形のひずみが周期を長くする仕組みはまだよく分かっていない。非線形振動系において波形に着目した研究は少なく、同研究は理論的な観点からも大きく発展していく可能性がある。