環境中に存在する人為的な汚染物質の多くは、自然のプロセスによって分解されにくく、哺乳類やその他の動物のホルモン系などの機能を撹乱します。農薬や、ビスフェノールA（BPA）などの内分泌攪乱物質を含むこれらの有害物質を、既存の方法で除去するには、多くの場合、費用と時間がかかります。
今週発表された新たな論文の掲載誌は Nature Communicationsで、MITとブラジルのゴイアス連邦大学の研究者らは、紫外線（UV）光とナノ粒子を用いて、土壌と水から多様な汚染物質を迅速に分離・抽出する新たな手法を示しています。
筆頭著者であるFerdinand Brandl氏とNicolas Bertrand氏は、いずれもMITのKochインテグレーティブ・キャンサー研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）に所属する、David H. Koch Institute ProfessorのRobert Langer氏の研究室の元ポスドク研究員です。（ゴイアス連邦大学のEliana Martins Lima氏がもう一人の共著者です。）BrandlとBertrandは、いずれも薬学の訓練を受けており、今回の発見を幸運な偶然だったと説明しています。当初は、がん細胞に薬剤を届けるために使えるナノ粒子の開発を目指していました。
Brandl氏はそれ以前に、紫外線を照射すると切断される高分子を合成していました。しかし、両氏は、紫外線が組織や細胞を損傷しうること、また皮膚を透過しないことから、薬剤送達への適性に疑問を抱くようになりました。一部の浄水施設では水の消毒に紫外線が使われていると知ったことで、両氏は別の問いを立てるようになりました。
「既に紫外線を使っているのなら、私たちの粒子も使えるかもしれないと考えました」とBrandl氏は語ります。「そこで、粒子が紫外線を照射すると凝集することに気づき、この粒子を使って水から有害化学物質、汚染物質、ホルモンを除去するというアイデアに至りました。」
「水を嫌う」汚染物質の捕捉
研究者らは、ポリエチレングリコールとポリ乳酸から高分子を合成しました。ポリエチレングリコールは、下剤、歯磨き粉、目薬などに含まれる広く使われている化合物で、米国食品医薬品局（FDA）により食品添加物として承認されています。ポリ乳酸は、堆肥化可能なカップやガラス器具に使われる生分解性プラスチックです。
これらの高分子から作られたナノ粒子は、疎水性のコアと親水性のシェルを持ちます。分子スケールの力により、溶液中では疎水性の汚染物質分子が疎水性のナノ粒子へと移動し、その表面に吸着して、事実上「捕捉」されます。これは、トマトソースがプラスチック容器の表面に付着して赤く染まる現象と同じ仕組みです。その場合、プラスチックも油性のソースも疎水性であり、互いに作用し合います。
何もしなければ、これらのナノ材料は水中に懸濁し、均一に分散したままです。しかし、紫外線に照射されると、粒子の安定化を担う外殻が失われ、汚染物質によって「濃縮」された状態で、より大きな凝集体を形成します。その凝集体は、ろ過、沈殿、その他の方法によって除去することができます。
研究者らはこの方法を用いて、排水からフタル酸エステル（プラスチックを柔らかくするために使われるホルモン撹乱化学物質）を抽出しました。また、プラスチックボトルやその他の樹脂系消費財に広く使用される、もう一つの内分泌攪乱性の合成化合物であるBPAを感熱印刷用紙のサンプルから、そして燃料の不完全燃焼によって生じる発がん性化合物である多環芳香族炭化水素を汚染された土壌から抽出しました。
このプロセスは不可逆的であり、高分子は生分解性であるため、有毒な二次生成物が例えば水域に残留するリスクを最小限に抑えられます。「粒子が大きな塊となるこの巨視的な状態へ移行すると」とBertrand氏は語ります。「もう一度ナノの状態に戻すことはできません。」
研究者らによると、基礎的なブレークスルーは、小分子がナノ粒子の表面に実際に受動的に吸着することを確認した点にあります。
「私たちの知る限り、あらかじめ形成されたナノ粒子と小分子の相互作用が直接測定できたのは、これが初めてです」と、著者らは Nature Communicationsに記しています。
ナノレベルの浄化
研究者らによると、さらに刺激的なのは、環境修復から医療分析に至るまで、その幅広い潜在的な用途です。
この高分子は室温で合成でき、特定の化合物を標的とするように特別に調製する必要はありません。あらゆる種類の疎水性化学物質や分子に幅広く適用できます。
「汚染物質を除去するために利用している相互作用は非特異的です」とBrandl氏は語ります。「同じ試料に含まれるホルモン、BPA、農薬を一工程で除去できるのです。」
また、ナノ粒子は表面積対体積比が高いため、わずかな量で比較的多くの汚染物質を除去できます。この技術は、汚染された水や土壌を、より広い規模で費用対効果の高い方法で浄化できる可能性を秘めています。
「応用の観点からは、ナノ粒子表面への小分子の吸着が、あらゆる種類の抽出に利用できることを、あるシステムで示しました」とBertrand氏は語ります。「これは、今後の多くの応用への扉を開くものです。」
研究者らは、このアプローチが、コーヒーのカフェイン抜きから塗料用シンナーの製造に至るまで、有機溶媒の広範な使用に置き換えるために、さらに発展させられる可能性があると推測しています。Bertrand氏は、米国では1972年から農薬としての使用が禁止されているものの、世界の他の地域では依然として広く使用されているDDTを、これらのナノ材料を用いて浄化できる可能性のある、もう一つの残留性汚染物質の例として挙げています。「また、精製や濃縮に大きな体積を必要としない分析用途では、これが興味深いかもしれません」とBertrand氏は語り、医療患者の尿分析用の安価な検査キットを例に挙げました。
この研究はまた、環境修復に用いるために開発されたナノスケールの薬剤送達技術を応用できる、より広い可能性も示唆しています。
「製薬業界向けに開発された、非常に高度で高精度なツールの一部を応用し、これらの技術の利用をより広い視点で見られるようになったことは、驚くべきことです」と、カナダのウォータールー大学化学工学助教授で、医療・医療応用のためのナノ工学の専門家であるFrank Gu氏は語ります。
「実地展開はまだ先の話ですが、この論文は、持続的に存在する問題を解決する非常にエキサイティングな機会を提供しています」と、本研究に関与していないGu氏は語ります。「従来の一般的な土木工学や化学工学のアプローチで処理しようとしても、まったく歯が立たないでしょう。そこが最もエキサイティングな部分です。」
本記事は、 MITとの協力により発表されたものです。掲載されていることは、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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執筆者：Jonathan Mingleは、MIT Newsの特派員です。
画像：上級技術者のDariusz Czolakが、2012年10月23日、ワルシャワの電子材料技術研究所（ITME）の研究室で、エピタキシーの工程により得られた、グラフェンの層で覆われた炭化ケイ素ディスクを手にしている。REUTERS/Kacper Pempel.
