CLS

Laboratory for Chemistry and Life Science, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

東京工業大学
科学技術創成研究院
化学生命科学研究所

LAST UPDATE 2017/02/26

  • 研究者氏名
    Researcher Name

    田巻孝敬　Takanori TAMAKI
    講師　Lecturer

  • 所属
    Professional Affiliation

    東京工業大学科学技術創成研究院化学生命科学研究所
    Laboratory for Chemistry and Life Science, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

    分子機能化学領域
    Molecular functions

  • 研究キーワード
    Research Keywords

    材料システム設計
    エネルギー材料
    生体材料
    化学工学
    Systematic material design
    Energy materials
    Biomaterials
    Chemical Engineering
研究テーマ
Research Subject
生体分子を用いた材料システム設計
Systematic material design using biomolecules

研究の背景 Background

酵素やDNAなどの生体分子を構成要素に用いる材料開発において目的性能を実現するためには、生体分子が有する優れた特性を十分に活用する必要があります。そこで、生体分子と他の構成要素を効果的に結び付ける材料システム設計を行います。具体的には、酵素を触媒に用いるバイオ燃料電池の高出力・高電流密度化へ向けた研究と、DNAの特異的な分子認識能を活用したDNAと感温性ポリマーのコンジュゲート体による分子認識材料の開発に取組んでいます。

We have proposed systematic material design to fully utilize the characteristics of biomolecules in enzymatic biofuel cells and DNAconjugated stimuli-responsive membranes. Enzymatic biofuel cells can use non-toxic fuels like glucose and ethanol, and have the potential to power portable devices. However, their power density is low compared with conventional fuel cells due to their low current density. Another research topic is DNA-conjugated stimuli-responsive membranes that coordinate molecular recognition properties of DNA and actuator properties of thermoresponsive polymer in pores of a porous substrate.

研究の目標 Outcome

酵素型バイオ燃料電池の高出力・高電流密度化では、酵素電極中の律速過程を解明し、電極構造を制御することにより、酵素が有する高い反応速度を十分に活用する電極設計を行っています。DNAを用いる分子認識材料の開発では、アクチュエーターとして機能する感温性ポリマーとDNAのコンジュゲート体を多孔質基材の細孔中に固定化することで、DNAの分子認識による構造変化をトリガーとして膜の開閉を制御する分子認識ゲート膜を開発しています。

The current density of enzymatic biofuel cells can be increased to reach a value comparable with that observed in conventional direct methanol fuel cells, considering the high intrinsic activity of enzymes. The rate-limiting step in enzyme electrodes is overcome by structural control of the electrodes. DNA-conjugated stimuli-responsive membranes are designed to change its permeability in response to the presence of a target molecule recognized by the conjugated DNA.

研究図Research Figure

Fig.1. A high-surface-area biofuel cell electrode made of redox-polymer- grafted carbon black overcomes the rate-limiting step of electron conduction through the redox polymer. Fig.2. Reduction of physical adsorption of enzymes and the immobilization of the enzymes using a method other than physical adsorption increased the current density of biofuel cells.Fig.3. Schematic illustration of DNA-conjugated stimuli-responsive membranes. Molecular recognition of DNA aptamer dissociates dsDNA to ssDNA, which induces aggregation of the conjugate polymer via a decrease in charges around the polymer.

文献 / Publications

J. Electrochem. Soc., 161 (13), H3095 (2014). J. Chem. Eng. Jpn., 47 (8), 704 (2014). Ind. Eng. Chem. Res., 49 (14), 6394 (2010). Polym. Chem., 5 (16), 4612 (2014). Chem. Lett., 42 (12), 1568 (2013). Soft Matter, 9 (12), 3331 (2013).