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【特集】バイオインスパイアード触媒
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特集にあたって
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久枝良雄(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授)
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ビタミンB12 をモデルとしたバイオインスパイアード触媒の開発
Development of Bioinspired Catalyst: Lessons from Vitamin B12 Enzyme
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嶌越 恒(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 准教授)
久枝良雄(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授)
生体関連金属錯体と様々な異種材料を複合化することで,天然酵素機能を凌駕する新機
能を付与した人工金属酵素の開発が可能になりつつある。生き物に学び,そのしくみを理
解し応用することで,新たな人工マテリアルであるバイオインスパイアード触媒の創製が
可能となる。本稿では,ビタミンB12 誘導体を酸化物半導体や高分子等の異種材料と複合
化したハイブリッド型触媒の創製とそのバイオインスパイアード触媒機能について紹介す
る。
【目次】
1.はじめに
2.ビタミンB12 依存性酵素
3.ビタミンB12-酸化チタン複合触媒
4.可視光応答型ビタミンB12 インスパイアード触媒
5.おわりに
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ヒドロゲナーゼをモデルとした触媒開発
Catalysts Inspired by Hydrogenases
-------------------------------------------------------------------------
磯邉 清(九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
;同大学 大学院工学研究院 学術研究員)
小江誠司(九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
;同大学 大学院工学研究院 教授)
水中で水素分子を活性化する酵素「ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼ」の構造・反応特性を
有機金属化学的に解析し,それに基づくバイオインスパイアード分子触媒「ニッケル・ル
テニウム錯体(小江触媒)」の分子設計と開発プロセスについて紹介する。最後にその分
子触媒を電極触媒に適用した世界初の分子性燃料電池の開発について記述する。
【目次】
1.はじめに
2.ヒドロゲナーゼの活性中心の構造特性およびH2 活性化機能の有機金属化学的解析
3.ヒドロゲナーゼミメティック機能モデルとしての小江触媒の設計
4.小江触媒を用いた世界初の分子性燃料電池の作製
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バイオインスパイアード有機・無機複合光触媒
Bioinspired Organic-Inorganic Composite Photocatalysts
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福住俊一(大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授)
現在我々が消費している化石燃料は元々植物が行ってきた光合成の産物である。本来人
類が使うエネルギーは人類自ら光合成を行ってつくり出さねばならない。本稿では光合成
にバイオインスパイアードされた人工光合成反応中心分子の設計・合成・電荷分離機能,
さらに有機・無機複合光触媒への応用について概説する。
【目次】
1.序論
2.バイオインスパイアード光合成反応中心モデル化合物
3.有機・無機複合光触媒
4.結論
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ヘムタンパク質のバイオエンジニアリング
Bioengineering of Hemoproteins
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林 高史(大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授)
ヘムタンパク質はヘム(ポルフィリン鉄錯体)をコファクターに有する一連のタンパク
質である。これまではヘムタンパク質を解析することに主眼が置かれていたが,構造や機
能が明らかになりつつある昨今,ヘムタンパク質の化学的改変を機軸とした新しい機能性
生体分子の創製が次の目標である。本稿では,非天然ヘムを用いた再構成タンパク質の構
造と機能,およびタンパク質集合体構築の最近の研究成果について紹介する。
【目次】
1.はじめに
2.再構成ヘムタンパク質の調製
3.ポルフィセン鉄錯体をコファクターに有するヘムタンパク質
3.1 ミオグロビンの酸素親和性
3.2 ペルオキシダーゼ活性
4.ヘムタンパク質の組織化複合体構築
4.1 ヘムタンパク質超分子ポリマーの構築
4.2 ヘムタンパク質と金属表面との相互作用
5.まとめ
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自然に学ぶ選択酸化触媒
Nature-inspired Selective Oxidation Catalysts
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人見 穣(同志社大学 理工学部 准教授)
小寺政人(同志社大学 大学院理工学研究科 教授)
金属オキシゲナーゼは酸素分子を活性化して様々な基質を選択的に酸化する金属酵素で
ある。この反応は温和な条件で進行し,従来の工業的酸化反応と比べて様々な利点がある。
本稿では,これらの酵素の作用機序に基づき設計されたバイオインスパイアード単核およ
び二核鉄錯体触媒による過酸化水素を酸化剤とする酸素活性化と選択酸化反応について紹
介する。
【目次】
1.はじめに
2.ヘム依存,単核および二核非ヘム鉄酸化酵素の作用機序
3.単核非ヘム鉄錯体を触媒とする過酸化水素を用いた選択酸化
4.窒素4 座配位子を有する単核非ヘム鉄錯体触媒
5.ヘム依存型酵素反応を行う単核非ヘム鉄錯体触媒
6.二核化のメリットと二核構造の安定化
7.二核鉄錯体が触媒する過酸化水素によるアルケンの優先的エポキシ化
8.sMMO のバイオインスパイアード二核鉄錯体による酸素活性化機構の解明
9.おわりに
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シクロデキストリンを用いたバイオインスパイアード触媒
Bio-inspired Catalyst by Using Cyclodextrins
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高島義徳(大阪大学 大学院理学研究科 高分子科学専攻 助教)
原田 明(大阪大学 大学院理学研究科 高分子科学専攻 教授)
生体系においては,巧みに酵素触媒が超分子構造を形成し,生体高分子の構成を行って
いる。このような超分子構造は人工系における高分子合成においても重合活性の向上に大
きな効果を見いだせると考えた。本稿ではシクロデキストリン(CD)と環状エステル(ラ
クトン)を混合し,加熱することで,助触媒や溶媒なしにポリエステルが生成することを
見いだした。特にCD dimer を用いたラクトンの重合においては,ペプチド合成を司るリ
ボソームやDNA ポリメラーゼの触媒挙動を彷彿とさせる重合挙動であることが明らかと
なった。
【目次】
1.はじめに
2.シクロデキストリンによるポリエステル合成
3.CD-ラクトン包接錯体を用いた重合
4.CD とラクトンの固相包接錯体形成
5.ポリマーの構造解析
6.重合反応におけるポリロタキサン構造の重要性
7.反応機構
8.CD dimer を用いたδ-VL の重合
9.結論
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BIO R&D
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貴金属回収のための酵素反応で合成したポリフェノールの開発
Polyphenol Polymerization Using Enzymatic Reaction for Precious Metal Recovery
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川喜田英孝(佐賀大学 大学院工学系研究科 先端融合工学専攻 准教授)
西洋わさびペロオキシダーゼを用いてポリフェノールを重合し,貴金属の回収材料に利
用した。都市鉱山中の貴金属を対象とし,塩酸領域で実験を行った。フェノールおよびカ
テコールをペロオキシダーゼで重合して様々な金属が共存する塩酸溶液と接触させると,
金イオンのみが選択的に回収できた。金イオンは還元され金粒子となっていた。酵素の基
質にアミノ基とフェノール基をもつチラミンを用いると,塩酸領域およびpH 領域で溶解
性が変化する高分子となった。このポリチラミンの特性を利用して繰り返し使用が可能な
金イオンの回収プロセスを提案した。さらにポリチラミンは分子内にアミノ基を持つため
に,白金イオンおよびパラジウムイオンを高塩酸領域で回収できた。
【目次】
1.はじめに
2.酵素反応で生成したポリフェノールによる選択的な金イオンの回収
3.ポリチラミンの還元性と溶解性を用いた金イオンの回収
4.ポリチラミンによる白金イオンとパラジウムイオンの回収
5.おわりに
-------------------------------------------------------------------------
BIO BUSINESS
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工業触媒の市場
Market of Industrial Catalysts
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【目次】
1.業界概要
2.市場動向
3.輸出入動向
4.需要
5.企業動向
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特集にあたって
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久枝良雄(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授)
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ビタミンB12 をモデルとしたバイオインスパイアード触媒の開発
Development of Bioinspired Catalyst: Lessons from Vitamin B12 Enzyme
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嶌越 恒(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 准教授)
久枝良雄(九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授)
生体関連金属錯体と様々な異種材料を複合化することで,天然酵素機能を凌駕する新機
能を付与した人工金属酵素の開発が可能になりつつある。生き物に学び,そのしくみを理
解し応用することで,新たな人工マテリアルであるバイオインスパイアード触媒の創製が
可能となる。本稿では,ビタミンB12 誘導体を酸化物半導体や高分子等の異種材料と複合
化したハイブリッド型触媒の創製とそのバイオインスパイアード触媒機能について紹介す
る。
【目次】
1.はじめに
2.ビタミンB12 依存性酵素
3.ビタミンB12-酸化チタン複合触媒
4.可視光応答型ビタミンB12 インスパイアード触媒
5.おわりに
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ヒドロゲナーゼをモデルとした触媒開発
Catalysts Inspired by Hydrogenases
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磯邉 清(九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
;同大学 大学院工学研究院 学術研究員)
小江誠司(九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
;同大学 大学院工学研究院 教授)
水中で水素分子を活性化する酵素「ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼ」の構造・反応特性を
有機金属化学的に解析し,それに基づくバイオインスパイアード分子触媒「ニッケル・ル
テニウム錯体(小江触媒)」の分子設計と開発プロセスについて紹介する。最後にその分
子触媒を電極触媒に適用した世界初の分子性燃料電池の開発について記述する。
【目次】
1.はじめに
2.ヒドロゲナーゼの活性中心の構造特性およびH2 活性化機能の有機金属化学的解析
3.ヒドロゲナーゼミメティック機能モデルとしての小江触媒の設計
4.小江触媒を用いた世界初の分子性燃料電池の作製
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バイオインスパイアード有機・無機複合光触媒
Bioinspired Organic-Inorganic Composite Photocatalysts
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福住俊一(大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授)
現在我々が消費している化石燃料は元々植物が行ってきた光合成の産物である。本来人
類が使うエネルギーは人類自ら光合成を行ってつくり出さねばならない。本稿では光合成
にバイオインスパイアードされた人工光合成反応中心分子の設計・合成・電荷分離機能,
さらに有機・無機複合光触媒への応用について概説する。
【目次】
1.序論
2.バイオインスパイアード光合成反応中心モデル化合物
3.有機・無機複合光触媒
4.結論
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ヘムタンパク質のバイオエンジニアリング
Bioengineering of Hemoproteins
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林 高史(大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授)
ヘムタンパク質はヘム(ポルフィリン鉄錯体)をコファクターに有する一連のタンパク
質である。これまではヘムタンパク質を解析することに主眼が置かれていたが,構造や機
能が明らかになりつつある昨今,ヘムタンパク質の化学的改変を機軸とした新しい機能性
生体分子の創製が次の目標である。本稿では,非天然ヘムを用いた再構成タンパク質の構
造と機能,およびタンパク質集合体構築の最近の研究成果について紹介する。
【目次】
1.はじめに
2.再構成ヘムタンパク質の調製
3.ポルフィセン鉄錯体をコファクターに有するヘムタンパク質
3.1 ミオグロビンの酸素親和性
3.2 ペルオキシダーゼ活性
4.ヘムタンパク質の組織化複合体構築
4.1 ヘムタンパク質超分子ポリマーの構築
4.2 ヘムタンパク質と金属表面との相互作用
5.まとめ
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自然に学ぶ選択酸化触媒
Nature-inspired Selective Oxidation Catalysts
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人見 穣(同志社大学 理工学部 准教授)
小寺政人(同志社大学 大学院理工学研究科 教授)
金属オキシゲナーゼは酸素分子を活性化して様々な基質を選択的に酸化する金属酵素で
ある。この反応は温和な条件で進行し,従来の工業的酸化反応と比べて様々な利点がある。
本稿では,これらの酵素の作用機序に基づき設計されたバイオインスパイアード単核およ
び二核鉄錯体触媒による過酸化水素を酸化剤とする酸素活性化と選択酸化反応について紹
介する。
【目次】
1.はじめに
2.ヘム依存,単核および二核非ヘム鉄酸化酵素の作用機序
3.単核非ヘム鉄錯体を触媒とする過酸化水素を用いた選択酸化
4.窒素4 座配位子を有する単核非ヘム鉄錯体触媒
5.ヘム依存型酵素反応を行う単核非ヘム鉄錯体触媒
6.二核化のメリットと二核構造の安定化
7.二核鉄錯体が触媒する過酸化水素によるアルケンの優先的エポキシ化
8.sMMO のバイオインスパイアード二核鉄錯体による酸素活性化機構の解明
9.おわりに
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シクロデキストリンを用いたバイオインスパイアード触媒
Bio-inspired Catalyst by Using Cyclodextrins
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高島義徳(大阪大学 大学院理学研究科 高分子科学専攻 助教)
原田 明(大阪大学 大学院理学研究科 高分子科学専攻 教授)
生体系においては,巧みに酵素触媒が超分子構造を形成し,生体高分子の構成を行って
いる。このような超分子構造は人工系における高分子合成においても重合活性の向上に大
きな効果を見いだせると考えた。本稿ではシクロデキストリン(CD)と環状エステル(ラ
クトン)を混合し,加熱することで,助触媒や溶媒なしにポリエステルが生成することを
見いだした。特にCD dimer を用いたラクトンの重合においては,ペプチド合成を司るリ
ボソームやDNA ポリメラーゼの触媒挙動を彷彿とさせる重合挙動であることが明らかと
なった。
【目次】
1.はじめに
2.シクロデキストリンによるポリエステル合成
3.CD-ラクトン包接錯体を用いた重合
4.CD とラクトンの固相包接錯体形成
5.ポリマーの構造解析
6.重合反応におけるポリロタキサン構造の重要性
7.反応機構
8.CD dimer を用いたδ-VL の重合
9.結論
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BIO R&D
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貴金属回収のための酵素反応で合成したポリフェノールの開発
Polyphenol Polymerization Using Enzymatic Reaction for Precious Metal Recovery
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川喜田英孝(佐賀大学 大学院工学系研究科 先端融合工学専攻 准教授)
西洋わさびペロオキシダーゼを用いてポリフェノールを重合し,貴金属の回収材料に利
用した。都市鉱山中の貴金属を対象とし,塩酸領域で実験を行った。フェノールおよびカ
テコールをペロオキシダーゼで重合して様々な金属が共存する塩酸溶液と接触させると,
金イオンのみが選択的に回収できた。金イオンは還元され金粒子となっていた。酵素の基
質にアミノ基とフェノール基をもつチラミンを用いると,塩酸領域およびpH 領域で溶解
性が変化する高分子となった。このポリチラミンの特性を利用して繰り返し使用が可能な
金イオンの回収プロセスを提案した。さらにポリチラミンは分子内にアミノ基を持つため
に,白金イオンおよびパラジウムイオンを高塩酸領域で回収できた。
【目次】
1.はじめに
2.酵素反応で生成したポリフェノールによる選択的な金イオンの回収
3.ポリチラミンの還元性と溶解性を用いた金イオンの回収
4.ポリチラミンによる白金イオンとパラジウムイオンの回収
5.おわりに
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BIO BUSINESS
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工業触媒の市場
Market of Industrial Catalysts
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【目次】
1.業界概要
2.市場動向
3.輸出入動向
4.需要
5.企業動向
