靴の裏に装着された紙のように薄い発電機によって、歩きながら携帯電話が充電できれば素晴しいではないだろうか？この夢のようなシナリオに現実味が出てきたのだ。米国エネルギー省ローレンス・バークレイ国立研究所（バークレイ研究所）が、無毒性のウイルスを利用して機械的エネルギーを電気に変換する発電方法を開発した。
小さな液晶画面であれば動作させる程度の発電容量は既にテスト済みだ。特別に作製されたウイルスを内包した郵便切手サイズの電極を指でタッピングするのが、発電の方法である。ウイルスがタッピングによるエネルギーを電気に変換する。これは、生物材料による圧電デバイスを用いて電気を起こす、世界で初めての発電システムである。圧電デバイスは機械的ストレスに呼応して、電荷を固体内に蓄積する。狙っているのは、ドアの開け閉めや、階段の昇り降りなどの日常活動から生じる「振動」を集めて電気にする、マイクロデバイスの開発である。もし簡単なマイクロサイズのデバイスが出来れば尚良いので、フィルム内に整然と並ぶようなウイルスを活用できれば、大変都合が良いことになる。
「自己組織化」は、いろいろ注文の多いナノテクノロジーの世界では、引っ張りだこの技術と言えるであろう。
研究チームの成果は、ネイチャー・ナノテクノロジー誌2012年5月13日号の特集記事として掲載された。「更なる研究は必要ですが、私達の研究は、ウイルス発電を基盤とした個人レベルの発電システムや、ナノデバイスで使用する作動装置など、様々な用途を実現するための第一歩となるでしょう。」とバークレイ研究所生物物理科の指導教官でUCバークレイ校生物工学科准教である、セウン・ウー・リー博士は語る。
同博士と共同で研究を行なっているのは、バークレイ研究所材料科学科の研究者でUCバークレイ校の材料科学と工学と物理学の教授であるラマムーシィ・ラメッシュ博士と、バークレイ研究所生物物理学科のビュン・ヤン博士である。
圧電効果が発見されたのは1880年で、それ以降、水晶、セラミクス、骨、タンパク、DNA内で同様の効果が見つかってきた。圧電効果はいろいろ応用されており、例を挙げれば電子シガーライターも走査型プローブ顕微鏡も、圧電効果無しには動作しない。しかし圧電素子の材料は毒性が強い場合が多く、広範囲に応用するには困難性を生じる。そこでリー博士と研究チームは、世界中のラボで使われているウイルスが利用できないかと考えたのだ。
M13バクテリオファージはバクテリアだけに感染するので、ヒトには安全だ。更にはウイルスであるという事は1時間に数百万個に増殖する訳で、「材料」の供給は安定している。膨大な数の棒状のウイルスは特殊なデザインのフィルムに自生し、箸がキチッと箱に収まるように整列するのだ。研究者がナノサイズのビルディングブロックを形成するに当たり、一番欲しがっていた形質なのである。
バークレイ研究所が最初に確認したかったのは、M13ウイルスに圧電作用があるかという事であった。そういう訳でリー博士は、ナノサイズのフィルムによる発電容量の研究が専門である、ラメッシュ博士に共同研究を持ちかけたのである。彼らはM13フィルムに電場を掛け、何が起こるかを特殊な顕微鏡を用いて観察した。ウイルス表面をコートする螺旋タンパクが捻られ、それが、圧電機能が動いている確かなサインとなる。彼らが次にトライしたのはウイルスの圧電機能強化であった。遺伝子工学の技術によって、ウイルスをコートしている螺旋タンパクの片方の端に、マイナスに荷電した4つのアミノ酸残基を結合させた。
この残基によって、タンパクのプラス電荷と片方の端のマイナス電荷の差が大きくなり、ウイルスの起電圧を上昇させるのだ。次に研究チームは、ウイルスを単層で並べて固定化する薄いフィルムを開発した。
このフィルムを20枚重ねた場合に最も高い圧電効果が得られる事が明らかになった。
最後に残った検討は実証実験であり、ウイルス発電用の圧電システムが作製された。遺伝子操作されたウイルスが自己増殖して、面積が1cm2の多層フィルム内に自動的に装てんされるような工夫が施されている。このフィルムを2枚の金プレート電極で挟み込み、液晶画面につなぎ、発電システムに圧力をかけると、最大6ナノアンペアの電流と400ミリボルトの電圧が発生した。
これは液晶画面に「１」という文字を表示するのに十分な電力であり、単4電池の4分の1の電圧に相当する。「私達は既に、原理検証された技術を改良する段階の開発を行なっています。バイオ技術によって更に大規模な遺伝子改変ウイルスの作製が可能ですから、ウイルスをベースにした圧電素子発電は、マイクロエレクトロニクスの世界の新規的な技術として用いられることになるでしょう。」とリー博士は語る。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください：Scientists Generate Electricity from Viruses
