自然界で物質はどう作られるのでしょう
アワビの貝殻を持って来ました
これは生物が作り出した材料です
質量の98%が 炭酸カルシウム
質量の2%が タンパク質で
生息環境にあるほかの物質より
3,000倍も頑丈にできています
アワビの貝殻のような構造物は広く利用されています
例えば チョークです
自然界の物づくりは魅力的で
その妙技から
たくさんのことが学べます
例えば これは
肉眼で見える構造物ですが
ナノスケールで
組み立てられています
遺伝子レベルでコード化されたタンパク質を使うことで
精巧な構造物を組み上げることができるのです
そこで 生命を持たない ―
例えば 太陽電池などの各種の電池に
命を持たせたらどうなるのか
とても興味がわいてきます
生命を持たない物体が
アワビの貝殻と同じ能力をもつ
つまり 室温 大気圧下で
無害な化学物質を使って
精巧な構造物を作る能力をもち
有害な物質を
環境に出さないとしたらどうでしょう？
そんなことを思い描いてきたのです
シャーレで電池を育てられたら？
電池に遺伝情報を組み込んで
時間の経過とともに
進化させられたら？
しかも環境に優しくできないか？
アワビの貝殻に話を戻しますが
ナノ構造もそうですが
もう一つ興味を引かれるのは
アワビのオスとメスが協力して
遺伝情報を伝える点です
「精巧な物質は こう組み立てる」
「室温 大気圧下で こうやる」
「無害な材料で こうやる」
ケイ藻も同じです ガラスのような構造をしていて
分裂する時に
遺伝情報を伝えます
「完全なナノ構造のガラスを
海で組み上げるにはこうする」
「同じように繰り返せる」
太陽電池などの電池で 同じように
できたらどうでしょう？
大好きなバイオマテリアルは ４歳の子です
育児経験者や よくご存知の方ならお分かりでしょうが
４歳の子どもは ややこしい生命体です
無理に何かをさせるのは
とても大変です
そこで 未来のテクノロジーについて検討する時
細菌やウイルスといった
原始的な生物の利用を考えます
新しいツールボックスを利用して
私たちにとって意味ある構造物を
作らせることが可能でしょうか？
未来のテクノロジーを検討するとき
地球誕生から考え始めます
地球に生命が生まれるまで
10億年かかりました
急速に多細胞化して
複製可能となり エネルギー供給手段として
光合成も可能になりました
でも５億年ほど前
カンブリア紀に入ってようやく
海の生命が 堅い物質を作るようになりました
それまでは 柔らかくふわっとしていたのです
この時代 その環境には
カルシウムと鉄とケイ素が
増えていました
生命体は堅い物質を作る方法を習得しました
私は これを実現したいのです
周期表の残りの元素を
生物に活用してもらうのです
生物をよく見ると DNAや抗体
タンパク質 リボゾームなど
ナノ構造の物質はたくさんあります
自然界はナノスケールの
精巧な構造物を
用意してくれています
HIVのような仕組みで
ナノスケールの生体組織に
抗体を作らせないようにして
太陽電池を作らせるのは
どうでしょう？
これは自然界の貝殻です
自然界のバイオマテリアルです
アワビの貝殻を割ってみると
ナノ構造が見つかります
二酸化ケイ素で作られたケイ藻は
走磁性細菌といい
小さな単磁区を作って方向を判断します
共通点は ナノスケールで
組み上げられている点と
タンパク質配列をコード化した
DNA配列が
すばらしい構造を作るための
設計図となっている点です
アワビの貝殻は
こういったタンパク質を使って貝殻を作っています
タンパク質は負の電荷を帯びて
環境からカルシウムを取り込み
カルシウムの層を作り 炭酸塩化することを繰り返します
アミノ酸の化学的配列から指示が出ています
「こうやって作る」
「これが 実行するための —
DNA配列 タンパク質配列」
面白いアイデアがあります 所望の物質や元素を
組み上げるための
DNA配列を見つけ出して
アワビの貝殻ではなく
所望の構造物を作れるように タンパク質配列を
コード化することで
まだ利用されていない自然の力を利用するのです
こちらは 私の大好きな
周期表です
毎年 MITの新入生に配る周期表で
こう書いてあります
「ようこそMITへ 得意分野（エレメント）を学ぼう」
裏には アミノ酸が記載されています
等電点も示してあります
何千もの人に配っています
MITと書かれていますが
こちらの大学でもお配りします
オバマ大統領の MIT訪問時に
私の研究室にも
招くことになったので
ぜひ周期表を渡したくて
夜遅くに夫に尋ねました
「どうやって周期表を渡したらいい？
持ってるとか 覚えてるとか
言われたらどうしよう」
大統領が研究室を訪れて
素晴らしい視察を終えた時
こう切り出しました
「周期表を差し上げます
緊急時に分子量を計算する必要があるかもしれませんから」
モル質量よりも分子量と言う方が
オタクっぽくないかと ...
大統領は周期表を見て
「ありがとう
周期的に見るよ」
（笑）
（拍手）
後日 大統領は クリーンエネルギーの講演で
周期表を出して言いました
「MITでは周期表をもらえる」
まだ言っていませんでしたが
５億年前 原始的な生命体が物質を作り始めましたが
上達まで５千万年かかりました
アワビの貝殻の作り方を
５千万年かけて会得したのです
院生に求めるのは無理です
「すごいプロジェクトだけど ５千万年かかるの」
もっと迅速にやる方法を
開拓しなければなりません
そこで 細菌に感染する
毒性の無いウイルスである
M13バクテリオファージを使います
DNAの構造がシンプルで
DNA配列の切り貼りが
簡単にできます
このようにウイルスを使って
ランダムにタンパク質配列を発現させることができます
遺伝子工学としては簡単で
無数に繰り返すことができます
一種類のタンパク質を作る
一つの配列を除いて
同じ遺伝子をもつウイルスを
無数に
作ることができます
その無数のウイルスを
一滴の液体に入れて
任意の元素と相互作用させます
そして 選択と進化を経て
太陽電池の育成など所望の働きをするウイルスを
一つ選び出せます
ウイルスは自己複製できず宿主が必要ですから
膨大な中から一つ見つけたら
細菌に感染させて
その特定の配列を
無数に複製させます
生物がすばらしいのは
精密で
精巧な構造物を作る点です
こちらの長くて薄いウイルスに
発現能力を与えて
半導体や電池の材料を
育成させることができます
こちらは 私の研究室で育成している高出力電池です
ウイルスを改良して 一部分でカーボンナノチューブを
つかめるようにしてあって
ほかの部分に 電池の
電極材料を育成する配列を組み込んであります
さらに 電極材料を電流コレクタに接続します
選択と進化を経て
性能の悪い電池を作っていたウイルスが
性能の良い
記録的な高出力の電池を作るウイルスに変わりました
すべて室温の実験台で作れます
ホワイトハウスでの会見に持って行った電池が
こちらです
この箱の中で LEDを点灯させています
もっと大きくできれば
実際にプリウスも
動かせるようになります
ウイルス駆動車を運転するのが私の夢です
膨大な数の
ウイルスから一つを抜き出して
大量に複製することができます
複製は実験室でできます
そうやって 自己組織化させて
電池などを作らせるのです
触媒作用も利用できます
これは 光触媒作用により
水が分離する例です
これまでに可能になったのは
ウイルスを改良して その表面に
色素吸着分子を並べて
アンテナとして機能させ
ウイルスを介してエネルギーを伝えることです
別の遺伝子には
水を 酸素と水素に
分解するような
無機材料を育成させます
これでクリーンな燃料を作れます
サンプルを持って来ました
学生は動くと言っていました
ウイルスが作ったナノワイヤーが
中に入っていて 光を当てると泡立ちます
このサンプルからは酸素の泡が発生します
遺伝子を操作することで
デバイス性能を高める多様な材料を制御できます
最後の例は太陽電池です
太陽電池でも可能です
ウイルスを改良して
カーボンナノチューブの周りに
電子を輸送するための二酸化チタンを
成長させることが可能となりました
遺伝子工学により
この太陽電池の効率は
この種の色素増感型で実現されている
最高記録の効率にまで
到達しています
一つ持って来ましたので
後で 外に出て試してみてください
ウイルス製の太陽電池です
選択と進化を経て
効率は ８パーセントから
11パーセントにすることができました
自然界の物づくりを知ること
そして次のステップとして
自分で育成できるか確かめたり
自然界のやり方を
利用できるか確かめたりして
自然界に無い物質を作ることが
とても重要で興味深いと分かっていただけたらうれしいです
ありがとうございました