2020 Fiscal Year Research-status Report
High-Performance Catalyst and Device Prepared by Metalloporphyrin
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18KK0156
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
林 高史 大阪大学, 工学研究科, 教授 (20222226)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大洞 光司 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10631202)
吉川 佳広 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30373294)
北岸 宏亮 同志社大学, 理工学部, 教授 (60448090)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | ポルフィリン / 金属ポルフィリン / 自己集積化 / ヘムタンパク質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ヘムタンパク質に含まれる補因子のヘム分子（鉄ポルフィリン）に着目し、ヘム類縁体である金属ポルフィリンを基盤とする触媒およびデバイスの創製について、日本の研究グループとフランスの研究グループの各々が共通の課題のもとに分子設計、合成、評価を行い、その結果を共有しながら議論を進めることを目的としている。特に、ポルフィリン分子の骨格変換やシクロデキストリン等を用いた周辺の精密な分子環境設計を実施し、高活性な分子中心として機能する金属ポルフィリン類縁体の新規触媒としての利用および、金属ポルフィリン類縁体の集積化に基づくエネルギー・電子移動デバイスの開発を行う。将来的には、分子レベルでの合理的な設計に基づく太陽電池や燃料電子の電極、人工光合成デバイスとして展開可能な基盤技術の獲得をめざす。
当該年度は、計画していたお互いの直接的な交流や学生の派遣・受入が全く出来なかったため、オンラインやメールでのディスカッションを実施し、それぞれの場所での研究の推進を図った。日本側は、人工光合成系構築を指向した金属ポルフィリンを補因子として含有するヘムタンパク質の新しい集積体の創製や、合成ポルフィリンとシクロデキストリン二量体を用いた新しい水溶性ヘムタンパク質モデルの構築、さらには、ポルフィリンをユニットとする分子集積体のSTMでの解析技術の評価系の確立を進めた。またフランス側はそれに対して、ストラップドポルフィリンの自己集積やヘムタンパク質の修飾と酸素・二酸化炭素結合挙動の制御等を実施し、相互の情報交換を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度は、当初計画していた日本からフランスへの学生派遣、およびフランスからの学生受入が、全く実現できず、実質的な共同実験は達成できなかった。さらにフランス側は一時的に研究室がほぼ閉鎖状態になり、日本側で測定を行う予定のサンプル調製も難しい状態が続いた。その点では当初の予定から遅れたと言わざるをえない。しかし、オンラインやメールでのコミュニケーションを図り、それぞれの立場で研究を進め、ディスカッションに努めた。その結果、双方にとって非常に魅力的なヘムタンパク質の新しい自己集合体を創製することを達成した。これは、タンパク質を介したポルフィリンの配列に相当し、今後の人工光合成系のモデルとして期待できる。また、フランスの研究グループが開発したストラップポルフィリンと我々が開発したシクロデキストリン二量体を組み合わせて，新しい水溶性ヘムタンパク質モデルを構築し，ガス結合挙動についてデータを収集し、これについては現在，投稿予定の論文を共同執筆中である。一方で、表面分子集積の構造的知見を得るために、メソ位にアルキル基あるいはアルコキシ基を導入したポルフィリン誘導体について、自己組織化によって形成される二次元および三次元構造を明らかにした。固液界面に形成される二次元構造を走査型トンネル顕微鏡で解析したところ、アルキル鎖の導入方法による格子定数の差はほとんど無いことがわかった。アルキル鎖長と同じ長さのアルカンを系中に導入すると、ポルフィリン誘導体のコンホメーションが変化してS字型の分子配列になり、アルカンをゲストとして格子内に取り込むことがわかった。三次元結晶のX線構造解析の結果、結晶化の際に用いた溶媒分子を取り込んでS字型のコンホメーションをとっており、STMで得られた二次元構造と一定の相関があることが明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後もこれまで通りの研究グループで、以下の研究項目を国際共同研究課題として遂行する。 特に、金属ポルフィリンの集積を、幾つかの手法を用いて実施し、その触媒活性や光駆動型の電子移動・エネルギー移動をともなう機能性分子の開発をめざす。具体的には、(1)ストラップ型金属ポルフィリンのシクロデキストリンダイマーによるカプセル化と、得られた複合体を用いた水中で選択的に酸素4電子還元が可能なシトクロムcオキシダーゼモデルの構築や、(2)エネルギー・電子移動材料を指向した新しい集積型ストラップ金属ポルフィリノイドの開発、さらに(3)光合成に学ぶ人工光捕集系の分子デザインとその構築:本年度調製したヘムタンパク質集積体の創製を積極的に実施し 、光エネルギーの効率的捕捉を実施し、触媒分子と組みわせ、化学エネルギーへのスムーズな変換をめざす。以上の研究課題を通じて、高機能触媒の開発、電子移動 材料の構築、光捕集系の創製を達成目標とする。
特にまず５月下旬に、日仏合同でオンラインのセミナーを開催することが決定しており、このセミナーを通じて、お互いの研究成果に関する情報を共有し、国際共同論文の執筆を加速する。また、今後の推移を見ながら可能であれば、今年の後半から学生の派遣・受入を実施する方向で検討し、実質的な共同実験を通じて上記の課題を遂行したい。
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| Causes of Carryover |
令和２年度が当初の最終年度であったが、ポルフィリン分子集積体の測定における共同研究がまだ残っていること、及び複数の国際共著論文の作成は現在進行中であり、論文を完成させるための補足追加実験も幾つか必要なことから、その測定や補足実験に必要な消耗品の購入に持ち越した予算を使用する予定である。
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Research Products
(5 results)
