大象传媒

数理物質系　辻󠄀村 清也 准教授

　私たちヒトは食事をエネルギー源にしています。そのメカニズムはどうなっているのでしょうか。そのカギは、酸化と还元です。
　食品の叁大栄养素と言えば、炭水化物、タンパク质、脂质ですね。これらの共通点は炭素原子がつながってできた有机物であること。消化酵素の働きなどで有机物が分解された后に、酸化酵素の働きで电子が取り出されます。この电子は、呼吸によって取り込まれた酸素に受け取られ、最终的に水と二酸化炭素ができます。この过程で食物のもつ化学エネルギーが生体エネルギーに変换されるのです。
　ちなみに、电子を失う化学反応を「酸化」、电子を受け取る化学反応を「还元」と呼びます。つまり、生体内で起きる酸化还元反応で私たちは活动のエネルギーを得ているのです。

　辻&#虫贰0100;村さんの専门は生物电気化学。生体の酸化还元反応を担う酵素の机能を原子?分子?细胞レベルで解明することを目指しています。転机は农学部に所属していた大学3年生の时。授业で「生体内の反応は电子とイオンの移动で説明できる」と知って感动し、バイオテクノロジー研究志望から転进しました。现在は、生体内の酸化还元反応を応用して発电する「バイオ燃料电池」やさまざまなバイオマーカーを计测する「バイオセンサー」の研究开発に力を入れています。

树脂フィルム上に印刷されたバイオ燃料
电池センサー。辻&#虫贰0100;村教授提供。

　炭水化物のブドウ糖（グルコース）を例に、その仕组みを见ていきましょう。
　マイナス极にはブドウ糖を消化する酵素（酸化酵素）を涂っておきます。酵素の触媒作用でブドウ糖が分解されると、电子と水素イオンが取り出されます。一方、プラス极には别の酵素（酸素还元酵素）を涂っておきます。その働きで、电子と水素イオンが空気中の酸素と结合し、水ができます。マイナス极とプラス极は导线で结ばれており、マイナス极からプラス极への电子の流れが生じるというわけです。
　実はこの仕组み、基本的に燃料电池自动车や家庭用燃料电池に使われている水素燃料电池にそっくりです。燃料を有机物から水素に、酵素を金属触媒に変更すればいいのです。

　辻&#虫贰0100;村さんたちは今年4月、手軽に血糖値（血中のブドウ糖浓度）を调べられる指先ほどの使い捨てバイオ燃料电池チップセンサーを开発したと発表しました。
　チップ表面は酵素を涂った电极になっており、その上に血液を垂らすと、血中のブドウ糖を燃料に発电が始まり、电流が流れます。血糖値と电流の大きさは比例関係にあるので、电流値を読み取ることで、血糖値を明らかにできるのです。
　糖尿病治疗では、自己血糖计测が推奨されています。日常生活の中で、よりよい血糖値コントロールを目指すことができるからです。血糖値测定チップは従来もありましたが、チップに电圧をかける専用の外部装置が必要でした。一方、辻&#虫贰0100;村さんたちのチップは、それ自体が电池なので、チップに电圧を駆けたりする専用装置は必要ありません。スマートフォンなどの汎用机器で読み取れるようにすれば、大幅な低コスト化が図れます。
　辻&#虫贰0100;村さんは「いつでもどこでも、简便かつ高精度に血糖値を测れるようになれば、糖尿病の早期治疗や早期発见につながる。血中の他の物质の计测にも使える手法だ」と话します。

留学生を指导する辻&#虫贰0100;村准教授

　辻&#虫贰0100;村さんは、东京理科大の四反田功准教授などと共同で、汗に含まれる乳酸や尿に含まれる糖（尿糖）を燃料にして発电するバイオ燃料电池も开発してきました。血糖値チップと同様に、现时点ではセンサーとしての利用が想定されています。
　乳酸用、尿糖用のいずれも、薄い纸の上に电极となる炭素が印刷されています。その上に酸化酵素や酸素还元酵素を涂れば、バイオ燃料电池になるのです。シート上で，电池を并列や直列につないで电圧や电流を目的に応じて调整することができ、曲げても使えます。
　尿糖用のバイオ燃料电池は、血糖値用と同様に糖尿病患者の早期発见などに贡献できます。辻&#虫贰0100;村さんと四反田さんたちは、バイオ燃料电池と无线送信机を组み合わせた尿糖検出装置も考案しました。バイオ燃料电池が尿糖を検出して発电を始めると、それを电源にして无线送信机が电波を発信します。オムツに仕込んでおけば、尿糖の远隔モニタリングができ、交换时期も把握できます。
汗の中には电解质や金属イオン、代谢物质などが含まれています。激しい运动で生じる乳酸もその一つです。乳酸用バイオ燃料电池を体に贴っておけば、その発电量の変化から汗中の乳酸量の変化が分かるため、スポーツ选手や建设作业员の运动强度や作业强度の管理に活用できます。

辻&#虫贰0100;村清也准教授。
学生にはいつも「想像力を养おう」と话している。

　现状では、得られる电力は１㎽程度ですが、ブドウ糖を燃料にした场合、理论的にはリチウムイオン电池を超えるエネルギー密度（単位质量当たりのエネルギー量）を有する軽くて长持ちする电池ができます。しかも、一连の反応は常温?常圧?中性で起き、通常の燃料电池のように贵金属や触媒に使うこともありません。バイオ燃料电池の性能が向上すれば、安全性が高く、环境负荷も少ない高性能电池が登场することになります。

　辻&#虫贰0100;村さんは「生体内の反応をまねてエネルギーを作るという発想は100年前からあったが、実用化は进まなかった。触媒の性能を充分に引き出す新材料の开発や作动原理の解明に取り组んでいきたい」と话しています。

（文責：広報局 サイエンスコミュニケーター）

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