地球の資源をより少なく使って製造できるだけでなく、一日を通して太陽光を模倣して気分を高める、生物発光LEDに照らされた未来を想像してみてください。
それは思っているより近いかもしれないと語るのは、自然と人工環境の隔たりを埋めるバイオテクノロジーとナノテクノロジーの革命が目前に迫っていると考える若き科学者、ルベン・コスタ博士です。
「私たちが知り、理解しているこうした素材とテクノロジーの間に橋を架ける必要があります」と、スペイン人研究者は世界経済フォーラムとのインタビューで語ります。「これが次の革命になると、私は信じています。」
コスタは、MITテクノロジーレビューの「35歳未満のイノベーター」に選ばれており、水溶液の外でもクラゲに含まれる発光タンパク質を安定化させ、生物学的LEDを作り出す先駆的な研究に取り組んできました。
「ガラスからゴムを剥がし、それを紫外線に当ててもまだ緑色に光っていた、あのとても鮮明な瞬間を覚えています」と彼は語ります。2015年の「ひらめきの瞬間」のことです。細菌内で作られた蛍光タンパク質は「ほとんど水のない環境でも生き残り」、光を放つための構造と機能を保っていました。
発見に興奮したコスタは、チームが作った蛍光ポリマーを紫外線の下で長時間見つめすぎて目が乾き、翌日、医師の診察を受けなければなりませんでした。「医師にはただ、『二度とやらないでください！』と言われました。」
不可能への挑戦
コスタの研究は、複数のノーベル賞受賞科学者の業績を結びつけています。故・日本人の有機化学者で海洋生物学者の下村脩教授は、クラゲから緑色蛍光タンパク質（GFP）を発見した功績により、2008年にノーベル化学賞を受賞しました。
同賞を共同受賞したマーティン・チャルフィー教授は、そのタンパク質を発現するDNAを取り出し、遺伝子を改変した線虫を光らせることに成功しました。現在、GFPは分子生物学者が遺伝子を追跡するために使っています。
2014年には、米国の電子工学者・中村修二教授が、同僚2人とともに「高効率青色発光ダイオード」、すなわちLEDを発明した功績によりノーベル物理学賞を受賞しました。コスタはこれを「人類がこれまで生み出した最も強力なテクノロジー」と呼んでいます。
学会で蛍光タンパク質についての講演を聞いたコスタは、その「美しい素材」と、何らかの形で照明に使うという発想に興味を持ちました。「不可能」への挑戦、つまり蛍光タンパク質の安定化は、抗いがたいものでした。
「生体化合物でテクノロジーを作れるとは思ってもいませんでした」と彼は認めます。「私がいた世界では、誰もが生体材料は十分に安定していないと言っていました。でも、実際にはとても安定しています。」
持続可能なLEDを目指して
家庭や携帯電話、コンピューター画面を照らす白色LEDを作るには、中村教授の青色チップに、強い青色光をフィルターにかける化合物を塗布します。このフィルターは、強力な青色光を波長変換するのに最適な材料の一つであるイットリウムなどの希土類元素から作られた、黄色がかった蛍光体です。
しかし、LEDがますます主流となり、効率の高さと製造コストの低下を背景に世界の照明産業を席巻するにつれて、イットリウムの需要は2019年から2022年の間にピークに達すると予測されています。
イットリウムはその名が示すように希少で、採掘が必要なうえ、産出国も限られているため、採掘と輸送が環境に影響を及ぼすという問題があります。
そこでBioLEDが役立ちます。コスタのチームが色を調整するバイオフィルターを開発し、現在も強く発光し続けていることを確認すると、彼はその利点と用途に目を向けました。
「次の段階として、持続可能性に取り組みました。タンパク質の強みは、大腸菌を使って世界中どこでも生産できることです。これは特許が不要な技術で、製造コストも非常に安いのです。」
この技術はまだ開発段階にあります。コスタのチームはBioLEDの安定性を100時間から1,700時間へと高めましたが、目標は5,000～10,000時間の発光であり、実現可能だと彼は考えています。
季節性情動障害に苦しむ人々への助け
色を調整するバイオフィルターは、強い青色成分を効果的に抑えられるだけでなく、消灯するとタンパク質が再生します。
コスタはこう語ります。「生物材料には、自らを修復できるという独自の特性があります。つまり、眠っている間にタンパク質は構造を回復するのです。」
彼によると、この特性によってLEDの色をスペクトルに沿って調整し、一日の経過とともに変化する太陽光を模倣できます。
「朝には緑から黄色の領域でとても明るく光るタンパク質があり、別のタンパク質はオレンジの領域で次第に明るくなる、と想像してください。そして眠っている間に、緑がかった黄色のタンパク質が回復し始めるのです。」
コスタはこれを「願望にすぎない」と呼びますが、太陽光を再現できるLEDの開発に取り組んでいることを認め、季節性情動障害（SAD）に苦しむ人々の助けになると「かなり確信している」と話します。英国だけでも、3人に1人に上る人々が、冬の間にこの障害を経験します。
ソーラーウィンドウ
世界が急速な都市化に持続可能な方法で対応しようとする中、2050年までに世界人口の68%が都市に暮らすと予測されており、色を調整するバイオフィルターには、もう一つの用途が考えられます。
コスタとチームは、2枚のガラスの間にバイオフィルターのパネルを挟むソーラーウィンドウの研究を始めたばかりです。
パネル内の蛍光タンパク質は、太陽光に含まれる高エネルギーの青色紫外線を、低エネルギーのオレンジから赤のスペクトル領域へと波長変換し、窓の四隅にある小さな太陽電池へと導きます。USB接続を使えば、携帯電話などの機器を充電できます。
ゼロエネルギー建築を目指す動きの中で、ソーラーウィンドウの将来は明るいと、米国の科学者たちは述べています。試算によると、ガラス面を50億～70億平方メートル活用すれば、同国のエネルギー需要の40%を満たせる可能性があります。
クラゲがこれほど多くのイノベーションの着想源になるのなら、海のほかの生物が何をもたらしてくれるか考えてみてください。コスタは、コウイカがカモフラージュのために光を反射するのを可能にするタンパク質レフレクチンや、極端な温度や放射線にも耐えられるクマムシを挙げています。
「自然界にはすでに多くの応用可能性があり、私たちがそれを見つけ、素材を安定化できるかもしれません」とコスタは語ります。「自然からテクノロジーへの橋渡しが、私たちに必要なのです。」
