英国の研究者たちがリチウムとナトリウムを分離する新型タンパク質膜を開発、電池生産向け

英国の研究者たちが、電池に必要なリチウムを抽出するために工学的に設計されたタンパク質を用いる新手法を開発している。これらのタンパク質は、孔径が1オングストローム（Å）まで小さい膜に組み立てられ、化学的性質が似ているリチウムとナトリウムの分離を可能にする可能性がある。この手法ではS層タンパク質を使用する。これらは微生物の表面に高度に秩序だった構造を自然に形成する。研究者たちの目標は、これらのタンパク質を改変し、均一な孔径を持つ膜を作製して、リチウムとナトリウムのイオンを選択的に分離できるようにすることだ。バーミンガム大学とアストン大学の科学者たちは、1〜50オングストロームの孔径サイズを対象に研究を進めており、1オングストロームは10億分の1メートルに相当する。

その目標は、実際の操作条件下で高度に選択的な分離を実行できる大面積膜を製造することだ。この3年間の計画には、英国先進研究発明機構（ARIA）から620万ポンドの助成金が交付されている。

膜の設計と選別プロセス

研究者たちは数千種類のタンパク質変異体を設計・選別し、最も有望な候補を膜の製造と試験に向けてスケールアップする。提案されている膜にはS層タンパク質が用いられる。これらは多くの微生物の表面で自然に秩序だった二次元構造を形成する。これらのタンパク質は、個々の構成要素を個別に配置することなく繰り返しパターンに組み立てられる。研究者たちはそれらの構造を改変し、制御可能なサイズと化学的特性を持つ孔を作製する計画だ。数万種類のタンパク質変異体を設計・選別し、リチウムとナトリウムのイオンを分離できる候補を特定する。最も有望なバージョンはより大規模に生産され、膜システムに組み込まれる。

バーミンガム大学のプロジェクト責任者であるDominik Kubicki博士は、「生物学は、既存の製造手法では実現が難しい精度で秩序だった材料を構築できる。我々はこれを利用し、均一でプログラム可能な孔を持つ膜を作製することを目指している」と述べた。Fold9がタンパク質の計算設計を担当し、Adaptyv BioがQualcommの高スループット選別を提供して大量の変異体を試験する。英国拠点のEvoveが膜の製造、スケールアップ、試験の専門知識を提供する。研究者たちはまた、低温電子顕微鏡（cryo-EM）と中性子反射率法を用いて、膜構造のナノスケール特性を調べる。

これらの技術は、孔の幾何学的形状の変化がイオンの選択性、安定性、輸送にどう影響するかを明らかにするのに役立つ。

膜製造のスケールアップにおける課題

膜の規模を実験室レベルから拡大することは主要な課題だ。チームはタンパク質生産、膜製造、試験を組み合わせ、これらの材料がより大規模に製造される際に選択的特性を保持できるかを評価する計画だ。バーミンガム大学のOwen Thomas教授は「重要な課題の一つは、分子レベルの制御を、実用的な規模で製造・運用可能な膜に転換することだ」と述べている。このプロジェクトはARIAの「Universal Manufacturer（通用製造商）」計画の一環であり、工学的に設計されたタンパク質を、制御可能な構造を持つ材料を製造するためのビルディングブロックとして利用することを探求している。

リチウム抽出が当面の目標ではあるが、研究者たちはこのアプローチが最終的には水処理、重要鉱物の回収、化学および医薬品製造を支援できると考えている。

この技術は現在まだ開発段階にある。チームは、稼働中の産業規模膜、リチウム回収率、測定されたエネルギー節約について報告していない。3年間の計画では、工学的に設計されたタンパク質が、実用的な分離システムに必要な選択性、耐久性、拡張性を提供できるかを検証する。

新型タンパク質膜の潜在的応用と課題

この研究は、電池生産における工学的に設計されたタンパク質の可能性を示しており、特にリチウムとナトリウムの選択的分離において顕著だ。生物学的な精密性を活用し、研究者たちは制御可能な孔径を持つ膜の作製を目指しており、これは電池効率の向上に不可欠である。しかし、実験室技術を工業規模に拡大することは依然として課題に直面しており、特に膜の選択的特性を維持する点で困難がある。成功すれば、この技術は電池生産の改善だけでなく、水処理や鉱物回収などの分野でも重要な役割を果たす可能性があり、その幅広い応用可能性を示している。