ギ酸は、二酸化炭素から（電気）化学的手法を用いて生成され、酵素カスケードや遺伝子組み換え微生物を用いて付加価値製品へと変換される、カーボンニュートラルなバイオエコノミーの基盤と捉えることができます。合成ギ酸の同化を促進する上で重要なステップは、熱力学的に複雑なホルムアルデヒドの還元であり、この還元は黄色の色の変化として現れています。クレジット：マックス・プランク陸生微生物学研究所/ガイゼル
マックス・プランク研究所の科学者たちは、ギ酸を利用して二酸化炭素をホルムアルデヒドに変換する合成代謝経路を考案し、炭素を排出せずに貴重な材料を生産する方法を提示した。
二酸化炭素固定のための新たな同化経路は、大気中の二酸化炭素濃度の低減に役立つだけでなく、医薬品や有効成分の従来の化学生産をカーボンニュートラルな生物学的プロセスに置き換えることも可能にします。新たな研究では、ギ酸を用いて二酸化炭素を生化学産業にとって価値のある物質に変換するプロセスが実証されています。
温室効果ガス排出量の増加に伴い、大規模な排出源からの炭素隔離、すなわち二酸化炭素の隔離は喫緊の課題となっています。自然界では、二酸化炭素の吸収は数百万年にわたって行われてきましたが、その力は人為的な排出量を相殺するには到底不十分です。
マックス・プランク陸生微生物学研究所のトビアス・エルブ率いる研究者たちは、自然界のツールを用いて二酸化炭素を固定する新たな方法を開発しています。彼らは、人工光合成の中間体となり得るギ酸から、反応性の高いホルムアルデヒドを生成する人工代謝経路の開発に成功しました。ホルムアルデヒドは、毒性を及ぼすことなく、複数の代謝経路に直接入り込み、他の有用な物質を生成することができます。自然界のプロセスと同様に、このプロセスにはエネルギーと炭素という2つの主要な要素が必要です。エネルギーは、直射日光だけでなく、例えば太陽電池モジュールなどの電気からも供給できます。
バリューチェーンにおける炭素源は多様です。ここでは二酸化炭素だけが選択肢ではありません。ここでは、一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンといった個々の炭素化合物（C1構成要素）すべてについて言及しています。しかし、これらの物質のほとんどすべては、生体（一酸化炭素、ホルムアルデヒド、メタノール）と地球（温室効果ガスとしてのメタン）の両方にとって非常に有毒です。多くの微生物は、ギ酸が塩基性ギ酸塩に中和されて初めて、高濃度のギ酸に耐えることができます。
「ギ酸は非常に有望な炭素源です」と、本研究の筆頭著者であるマレン・ナッターマン氏は強調する。「しかし、試験管内でギ酸をホルムアルデヒドに変換するには、膨大なエネルギーが必要です。」これは、ギ酸の塩であるギ酸塩がホルムアルデヒドに容易に変換されないためです。「この2つの分子の間には深刻な化学的障壁があり、実際の反応を行う前に、生化学的エネルギーであるATPの助けを借りて、この障壁を乗り越えなければなりません。」
研究者たちの目的は、より経済的な方法を見つけることでした。結局のところ、代謝に炭素を供給するために必要なエネルギーが少ないほど、成長や生産を促進するためにより多くのエネルギーを活用できます。しかし、自然界にはそのような方法はありません。「複数の機能を持ついわゆるハイブリッド酵素の発見には、ある程度の創造性が必要でした」とトビアス・エルブは言います。「しかし、候補酵素の発見はまだ始まりに過ぎません。私たちが話しているのは、非常に遅いため、まとめて数えられる反応です。場合によっては、1秒間に1つの酵素あたり1つ未満の反応しかありません。自然界の反応は、それよりも1000倍も速い速度で進行することがあります。」ここで合成生化学の出番だとマレン・ナッターマンは言います。「酵素の構造とメカニズムがわかれば、どこに介入すべきかがわかります。これは大きなメリットです。」
酵素の最適化には、特殊化された構成要素の交換、ランダムな突然変異の生成、そして能力の選択といった複数のアプローチが関わってきます。「ギ酸とホルムアルデヒドはどちらも細胞壁を透過できるため、非常に適した物質です。細胞培養培地にギ酸を加えると、生成したホルムアルデヒドを数時間後に無毒の黄色の染料に変える酵素が生成されます」とマレン氏は述べ、ナッターマン氏は説明しました。
これほど短期間で結果を得るには、ハイスループット手法を用いることなくしては不可能だったでしょう。これを実現するために、研究者たちはドイツのエスリンゲンにある産業パートナーであるFesto社と協力しました。「約4,000通りの変異を経て、収量を4倍に増やすことができました」とマレン・ナッターマン氏は述べています。「こうして、バイオテクノロジーの主力微生物であるモデル微生物大腸菌をギ酸で増殖させるための基盤を構築しました。しかし、現時点では私たちの細胞はホルムアルデヒドしか生成できず、それ以上の形質転換を行うことはできません。」
マックス・プランク研究所の研究者たちは、植物分子生理学研究所の共同研究者であるセバスチャン・ウィンク氏と共同で、中間体を取り込み、中枢代謝に導入できる菌株の開発を進めています。同時に、研究チームは、マックス・プランク研究所化学エネルギー変換研究所のワーキンググループと共同で、二酸化炭素からギ酸への電気化学的変換に関する研究を行っています。このワーキンググループは、ヴァルター・ライトナー氏の指導の下、この研究を進めています。長期的な目標は、電気生化学的プロセスによって生成された二酸化炭素からインスリンやバイオディーゼルなどの製品を製造する「万能プラットフォーム」の構築です。
参考文献：Maren Nattermann、Sebastian Wenk、Pascal Pfister、Hai He、Seung Hwang Lee、Witold Szymanski、Nils Guntermann、Faiying Zhu「in vitroおよびin vivoにおけるリン酸依存性ギ酸からホルムアルデヒドへの変換のための新たなカスケードの開発」、Lennart Nickel、Charlotte Wallner、Jan Zarzycki、Nicole Pachia、Nina Gaisert、Giancarlo Francio、Walter Leitner、Ramon Gonzalez、Tobias J. Erb、2023年5月9日、Nature Communications。DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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