京都大学エネルギー理工学研究所

Institute of Advanced Energy, Kyoto University

第1部会
共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要

所長
岸本　泰明
Kishimoto, Yasuaki

キーワード: ゼロエミッションエネルギー、プラズマ・量子エネルギー応用、高効率太陽光エネルギー利用、バイオリファイナリー、ソフトエネルギー創発科学
住所: 〒611-0011
京都府宇治市五ケ庄

高品位エネルギー制御に関わる先端科学の構築を目指して

1996年5月に設立されたエネルギー理工学研究所は、エネルギーの生成・変換・利用の高度化に関する研究を行うとともに、2011年度からは「ゼロエミッションエネルギー研究拠点」として、全国の大学・研究機関における関連研究者との共同利用・共同研究を通して、有害物質を極力排出せず、高い環境調和性と安全性を持つ先進的なエネルギー開発研究を行うことを目的にしています。このため、研究所には、関連3部門14研究分野のほか、エネルギーに関わる多様な研究施設を擁し、部門・分野間の融合研究や産官学連携を推進する附属エネルギー複合機構研究センター（3研究分野を含む）を配置しています。21世紀のエネルギーの在り方を、自然の調和した摂理や原理にまで立ち返って探求し、新しいエネルギーの創出と学理の構築を目指すとともに、プラズマ・量子エネルギーおよびソフトエネルギーに関する最前線の研究を通して、次世代を担う研究者の育成に努めています。

平成29年度の研究活動内容及び成果

当研究所では、環境と調和した安全性に優れた分散エネルギーおよび基幹エネルギーの観点から、「ゼロエミッションエネルギー」の実現を目指した基礎研究を行っています。前者については、太陽光エネルギーを効率的に利用する革新的原理・技術の開拓にチャレンジするプロジェクト研究が平成25年度からスタートしています。これまで研究所が培ってきたナノ材料やバイオ・光触媒の技術、バイオマスの精密構造解析やバイオリファイナリーの技術、中赤外自由電子レーザーの技術を利用することにより、現存の原理限界を超える太陽光エネルギーの利用や変換技術の確立を目指すものです。さらに、高効率な生物機能を参照規範として、ロスゼロを目指した高効率スマートマテリアルの創製研究を平成27年度から化学研究所・生存圏研究所と連携して行っています。後者の基幹エネルギーについては、ヘリカル状の3次元磁場構造を持つプラズマ閉じ込め装置「ヘリオトロンJ」を用いて、複雑なプラズマ現象の解明と制御を中心に、高性能の核融合プラズマの実現を目指す研究を行っています。また、それらを支える原子・分子レベルに遡った機能性材料や構造材料の開発研究、ブランケットやトリチウム挙動をはじめとした核融合炉工学に関する先導的な研究を展開しています。

今年度の成果例（酵素を1分子ずつナノメートルの精度で狙い通りに並べる技術を開発）

細胞の中は雑然としているようで、酵素などの分子が、さながら製品を効率よく生み出すためのコンビナートのように整然と並んでいます。この「分子コンビナート」を細胞の外で構築することができれば効率のよい物質生産システムとしての利用が期待できます。分子コンビナートを試験管で構築するには、段階的な反応が効率よく連続して進むように、ナノメートルのサイズの酵素を1分子ずつ決まった場所に並べることが必要です。そのために、それぞれの酵素を決まった位置に高い精度で並べる足場を用意する必要があります。本研究では、足場の構築にDNAによって成形されるナノ構造体「DNAオリガミ」を利用しました。DNAオリガミには、様々な配列のDNAを番地として導入することができます。
これまでに、DNAオリガミに導入した特定の「番地」へ酵素を運ぶための案内役（アダプター）の開発を行ってきました。特定のDNA配列にのみ結合するタンパク質をアダプターとして利用し、目的の酵素にアダプターを融合することで、DNAオリガミ上の決まった番地に酵素を並べることに成功しています。さらに、ほぼ100％の割合で決まった番地に安定に配置できる、モジュール型アダプター（特定の基質と共有結合を形成することができるタグタンパク質とDNA結合性タンパク質を融合したもの）を開発してきました。しかしながら、これまでは1種類のモジュール型アダプターだけしか開発されていなかったため、多段階反応の再現に必要ないくつもの種類の酵素を狙った場所に並べることができませんでした。
そこで本研究では、モジュール型アダプターを構成するDNA結合性タンパク質とタグタンパク質を3種類ずつ用意し、それらを組み合わせた9種類のモジュール型アダプターを設計しました。それらの中から、狙った番地だけに迅速かつ100％近くの収率で安定に配置できる3種類のモジュール型アダプターを選抜しました。実際に原子間力顕微鏡を用いて、DNAナノ構造体に配置されたモジュール型アダプターを観察すると、3種類のモジュール型アダプターは、DNAナノ構造体の決められた番地に90％以上が配置されていました。この値は、この新たに開発したモジュール型アダプターを利用して、キシロースからキシリトール、キシリトールからキシルロース、そしてキシルロースからキシルロース－5－リン酸への代謝反応を触媒する3種類の酵素を並べた「分子コンビナート」を構築しました。今後、より複雑な連続反応の効率化や、新しい人工代謝経路を創り出す「分子コンビナート」の創製が期待されます。

複数の酵素をDNAナノ構造体上の狙った場所に同時に並べることができるモジュール型アダプター

3種類の酵素を並べた「分子コンビナート」

社会との連携

産学連携

先端研究施設共用産学連携活動として複合イオンビーム照射が可能なDuETと原子レベルから工学的・実用化レベルまでのマルチスケールレベルで解析・評価できるMUSTER装置群、KU-FEL、NMR装置群を産業界と共用することにより、エネルギー材料の新規開発などの産学連携研究を促進しています。

MMR装置群

KU-FEL

DuET

国際交流

世界各国の研究機関と交流協定（16ヶ国37機関）を結び、積極的な交流を行っています。また、毎年著名研究者を招聘した国際シンポジウムを開催し、国際的な情報発信と交流を積極的に行っています。とくにアジア地域との交流では、日本学術振興会（JSPS）の「拠点大学交流」（日韓）や「アジア研究教育拠点事業」（日中韓）による先進エネルギー科学における15年に及ぶわが国のハブとしての実績に基づく東アジア地域での国際交流を初め、アジア地区における新エネルギーフォーラム（SEE Forum）や、中国との二国間交流事業などの活動に力を入れています。