立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

生物的手法によるクリーンかつ安全な革新的発電システムの創出
Clean and safety power generation system by biological methods
2151023

研究代表者

理化学研究所生命システム研究センター

ユニットリーダー

田中陽

一方研究代表者らは，これまで培ってきた細[研 究 の 目 的]胞・組織機能の微小流体デバイスへの実装技術
火力や原子力など既存の発電方法に代わる，を開発してきた。

クリーンで安全な発電手法の開発は急務である。
そこで，クリーン・安全な電力供給手段として生物機能利用型の発電方法が近年注目を集めており，微生物の酸化還元酵素を電極に組み込んだバイオ燃料電池や，微生物から直接電気を取り出す微生物燃料電池等があるが，出力性能は現状必ずしも十分でない。これに対し，シビレエイに代表される強電気魚は電気器官で変換効率が 100% に近い効率的な発電システムを体内で実現している (図 1A)。シビレエイには 1対の電気器官が胸鰭の基部にあり，それらは腎臓型をしている。電気器官の中では発電細胞がたくさん積み重なり電気柱を形成している。通常 時 は，細 胞 膜 に 存 在 す る イ オ ン ポ ン プ がATP のエネルギーを使い，細胞内外で電位差を生じさせている。そこに神経線維の末端から放出された神経伝達物質のアセチルコリンが細胞膜に存在するイオンチャネルを刺激すると，細胞外にあるナトリウムイオンが一気に細胞内に流入し，電流が発生する (図 1B)。
電気器官においては，イオンポンプ・チャネルが細胞膜に多数集積して電流密度が飛躍的に図1増加する。また，細胞直列積層により高出力発電する。このような大規模集積構造は天然にしか存在しない。
― 1 ―シビレエイの構造と発電原理，および発電機コンセプト。(A) 電気器官および電気柱の構造。(B) 神経系からのアセチルコリン刺激による発電原理を示した電気柱断面図。(C) 流体圧力を用いた代替神経系による発電コンセプト。アセチルコリンが，シリンジ針を通した圧力によって電気器官全体に広がる。

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この技術の応用により発電器官をデバイス搭(ACSF) 中で一時保存した後，導電布で挟み載し，神経代替制御系の人工的構築により高効込み，上下それぞれに電極をつないだ。正極側率な ATP 発電システムが実現可能と着想した。 からシリンジ針を 7 本刺し，シリンジ一本あた
シリンジ針を代替神経系に見立て，電気器官にり 0.25 ml のアセチルコリン水溶液を手動で一シリンジ針を通し，圧力でアセチルコリンを器気に注入して，電気的な応答を測定した。この官全体に行き渡らせ刺激する方法を考えた (図とき，アセチルコリン溶液の溶媒は ACSF を1C)。

使 用 し，ア セ チ ル コ リ ン の 濃 度 は 1 mM で以上の背景のもと，本研究では，(1)基礎的あった。その結果，ピーク電圧は 91 mV，ピー知見を得るため，生体シビレエイの物理刺激にク電流は 0.25 mA と低いものの，生体の場合よる電気応答測定，(2)シビレエイより摘出しより長い，1 分間以上もの長時間，電流が継続た発電器官の電気応答測定，ならびに(3)電気して流れた。

器官を搭載した発電デバイスの試作と実証，を行った。詳細を以下に記す。

また，針の本数を 20 本に増やすことで，ピー
ク電圧は変わらないものの，ピーク電流は 0.64mA を達成した。これにより，針の本数を増やす，すなわち並列化することにより，電流値を[研究の内容，成果］増やすことができるということが実証された。
生体シビレエイの物理刺激による電気応答測定

対照実験として，アセチルコリンを含まないはじめに，実際にシビレエイがどれくらいのACSF を電気器官内に注入したところ，電流が発生しなかった。よって，この現象はアセチル電気を発生しているのかを検証した。
シビレエイ生体 (個体) への物理的刺激によコリンの組織内での拡散により起こるものと考る発電性能の測定実験を行った。捕獲後数日以えられる。また，電気器官を ACSF で洗浄す

内の新鮮なシビレエイを用い，電気器官周辺部ることで，繰り返し同様の反応が得られた。さに導電布を貼り，頭部を手で継続的に圧迫刺激らに，電気器官を ACSF に浸しておくことで，して電気的応答を測定した。

1 日以上経過した後でも発電量は下がるものの，その結果，10 ミリ秒以下というきわめて短電流の発生が確認された。こうして，電気器官時間ながらパルス電流が測定され，ピーク電圧が摘出後もその電気発生機能を保ち，繰り返しは 19 V，ピーク電流は 8 A であった。また，使用可能であることが明らかになった。これにこのパルス電流を利用して LED の点灯やコンより，化学刺激コントロール型発電システムのデンサへの蓄電ができた。さらに蓄電エネル基礎原理が実証された。

ギーで LED を長時間点灯させることやミニカーを駆動させることができた。このように，電気器官を搭載した発電デバイスの試作と実証

シビレエイの電気で電気器具が機能することを次に，電気器官をデバイスに組み込んだ発電示し，シビレエイが大きな電力を発生している機プロトタイプ作製に取り組みこんだ。

ことが確認できた。

上記の発電方法では発電自体は可能であるが，電気器官のサイズが必ずしも一定ではなく，まシビレエイより摘出した発電器官の化学刺激にたシリンジ針を支持体なく電気器官に刺していよる電気応答測定るため，シリンジ針が動きやすい不安定な状態続いて，シビレエイ個体から取り出した電気であった。そのため，電気器官の大きさに依存器官への化学的刺激による発電性能の測定実験する電圧・電流が電気器官ごとに安定せず，まを行った。取り出した電気器官は，人工脳髄液たシリンジ針が動くことでノイズが発生した。

― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

は，常時一定の電力が供給されることが必要である。
しかし，このデバイスで発電した場合，発生電力はアセチルコリン注入後から徐々に低下する。そのため，このデバイスで発電した電力を使用するには蓄電が必要になる。
そこで，デバイスを含む電気回路を構成し，蓄電を試みた。その結果，発電後，コンデンサの電圧が上昇し，それが一定 (約 40 mV) に保たれたことから，電力を電池のように一定供給できる可能性が示された (図 2C)。
[今後の研究の方向，課題］
本研究の成果は，人をはじめ生体を動かすもとになっている化学エネルギーである ATP エ
ネルギーのみで実現できる高効率発電機に向けた第一歩であると位置付けられる。
ただし，シビレエイは安定大量に入手できるものではない。よって，実用化に向けては，電気器官に相当するものを人工的に構築する必要がある。すなわち，細胞膜やタンパク質の再構
図2

電気器官直列発電ユニットを用いた発電デバイス。
(A) 直列デバイスの原理図。3 cm 角にカットした電気器官に電極をつなぎデバイス化。このデバイスを直列に接続。(B) 電圧と電流の測定結果(注入は t=10s)。ピーク電圧 1.5 V, ピーク電流 0.25 mA。(C) 発電電圧 (V, 青線) とコンデンサ蓄電電圧 (Vc, 紫線)

成手法とマイクロ・ナノ流体技術を融合し，分子からボトムアップ的に細胞機構を開発し，発電細胞と同様の材料を創出することが考えられる。また，燃料となる ATP をいかに大量に供給するかという問題がある。これに対しては，これらの問題を解決するには，一定サイズの例えば，セルロースを遺伝子組換えバクテリア

デバイスに電気器官を組み込むことが必要でに分解させ，ATP を合成させれば，一般の植あった。

物を原料にすることなどが考えられる。

そこで，電気器官を 3 cm 角にカットし，こATP は生物には必ず含まれ，生物が関連すれをアルミやシリコンゴムで作製した容器に固るあらゆるところに存在することから，将来的定し，発生電力の安定化ならびに直列による電には，このようなデバイスは，生体内はもちろ

圧 増 強 が 可 能 か ど う か に つ い て 調 べ た (図ん，食物や排水など，様々な環境下に存在する2A)。

ATP やグルコースを利用した微小エネルギー

その結果，16 個のデバイスを直列につなぐことにより，ピーク電流は約 0.25 mA と単体駆動型の環境発電機やセンサーとしても，様々な応用が考えられる。の場合とほぼ変わらないものの，ピーク電圧は約 1.5 V と単体の場合のほぼ 16 倍を達成した(図 2B)。一般的に，電力で仕事をするために― 3 ―立石科学技術振興財団

using living Torpedo electric organs controlled by［成果の発表，論文等］
Y. Tanaka, S. Funano, Y. Nishizawa, N. Kamamichi, M.
Nishinaka, T. Kitamori, “An electric generator― 4 ―fluid pressure-based alternative nervous systems”,
Sci. Rep. 6, 25899 (2016)