北海道大學,北陸先端科學技術大學院大學,科學技術振興機構(JST)

令和3年7月30日

北海道大學
北陸先端科學技術大學院大學
科學技術振興機構(JST)

觸媒遺伝子「觸媒シークエンシング」を発見

~觸媒インフォマティクスを駆使した新しい觸媒開発に成功~

ポイント

北海道大學 大學院理學研究院の髙橋 啓介 準教授、髙橋 ローレン 學術研究員、藤間 淳 特任準教授、宮里 一旗 特任助教らの研究グループは、北陸先端科學技術大學院大學 先端科學技術研究科 物質化學領域の谷池 俊明 教授らと共同で、觸媒遺伝子「觸媒シークエンシング」を觸媒ビッグデータから発見しました。

これまで觸媒組成は周期表の元素記號で表現されてきましたが、反応場での真の觸媒の狀態は複雑なため、觸媒組成を記述する真の觸媒記述子の決定が困難を極めています。そのため機械學習などを用いる觸媒インフォマティクスにおいて、觸媒物性を記述する上で情報的制約がありました。

そこで本研究では、獨自に開発したハイスループット実験裝置で得られたメタン酸化カップリング反応の觸媒ビッグデータに対して、觸媒インフォマティクス?信號処理?パターン認識?自然言語処理を駆使し、新たな觸媒の記述方法である「觸媒の遺伝子」を定義し提案しました。この「觸媒の遺伝子」を用いることで、觸媒組成の情報を、生物の塩基配列のように記號で表現することが可能となります。この觸媒特有の配列を「觸媒シークエンシング」と名付けました。この「觸媒シークエンシング」を用いると、従來の元素記號での表記では全く異なる觸媒組成であっても、同じ機能を持つ觸媒は同じ「觸媒の遺伝子」として表現することが可能となります。觸媒組成は周期表の元素記號で表現されるのが一般的でしたが、本研究により提案された「觸媒遺伝子」により、今後觸媒は「觸媒シークエンシング」で記述することが可能となります。

この「觸媒遺伝子」の有効性を確認するため、同じ「觸媒遺伝子」を持つ觸媒群の元素を再編成することにより、同じ觸媒遺伝子を持つ觸媒の設計を行い、実験実証にも成功しました。結果、高いC2収率を達成する新規觸媒が発見でき、「觸媒遺伝子」が觸媒設計に大変有用であることが証明されました。また発見された觸媒が既知の觸媒と似た遺伝子を持っているのか、もしくは全く新種の觸媒遺伝子なのかなど、バイオインフォマティクスで見られる遺伝子解析のような、全く新しい視點での觸媒情報の解析が可能となりより発展的かつ実用的な適用が期待できます。

本研究成果は、2021年7月30日(金)公開の「The Journal of Physical Chemistry Letters」誌にてオンライン版が掲載される予定です。

本研究は、科學技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST研究領域「多様な天然炭素資源の活用に資する革新的觸媒と創出技術」(研究総括:上田 渉)における「実験?計算?データ科學の統合によるメタン変換觸媒の探索?発見と反応機構の解明?制御」(研究代表者:髙橋 啓介)の支援を受けて行われました。

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“Catalysis Gene Expression Profiling: Sequencing and Designing Catalysts”
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c02111

<お問い合わせ先>

(英文)“Catalysis Gene Expression Profiling”

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